CN1017757B - 活塞式动量定律实验仪 - Google Patents

Abstract

本活塞式动量定律实验仪，改变了传统加重物的测量方法，而代之以作用于活塞上的水压力来抗衡射流对平板冲击所产生的动量力，将动量力的测量转换为流体内点压强的测量。它还具有能使水压力自动与动量力相平衡以及能有效消除活塞滑动摩擦力的特殊结构。本发明的优点是测量方便、稳定、精度高、省水节能，既可验动量定律，又能测定射流的动量修正系数，是流体力学教学实验的换代仪器。

Description

本发明属于实验量测仪器。

流体动量定律是流体力学、水力学的基本理论之一，动量定律的实验是教学环节中不可缺少的内容。动量定律实验仪器有射流冲击式和射流反作用式二类。前者是使射流直接冲击在平板上并测定平板所承受的冲击力，后者是测定水流自容器中射出时的反作用力。尽管形式不同，但目前国内外的各种仪器在测量动量力的方式上，都是采用加重物的方法。例如目前国内外使用最普遍的一种动量定律实验仪，其方式是使射流向上冲击在一块水平倒置的平板上，平板在射流冲击力作用下压缩背后的弹簧，使其偏离平衡位置而产生向上的位移。然后，对平板施加重物压回到原来的平衡位置上。这时所加的重物重量即为射流冲击平板的动量力。这种测量仪器的缺点是：由于射流的紊动和弹簧的弹性波动使平板上下串动，很不稳定，测量精度只能达到0.1，甚至为0.3～0.5，因此实验结果不能定量地验证动量定律，更无法测定射流的动量修正系数。另外，操作麻烦，实验费时，要求作用水头高（5～10米以上），需水量大，能耗高。

本发明的目的是设计一种动量定律实验仪，利用水压直接测定动量力及动量修正系数，测量精度高、结构简单、使用方便。

本发明的主要结构如图1所示：由动量管8、射流恒压供水装置1、4、集水器7、10所组成。动量管8是由一面装有叶片15和导流板14另一面固定有活塞12的冲击平板11、活塞套18、导流管13、泄水窄槽19、测压管16及标尺17组合而成。带叶片的冲击平板11应与轴向的入口速度矢量

垂直，因而出口速度矢 量 与入口速度矢量 成90°角。活塞在活塞套内能自由滑动，导水管设在活塞内，一端进水入口固定在冲击平板的中央，另一端出口穿过活塞底面，泄水窄槽设在活塞套的壁面，活塞套与测压管为一体或密封连结成一体，射流恒压供水装置是由恒压供水箱1、孔口或管嘴式的射流喷头4所组成;也可以由恒压供水管5和射流喷头4直接联接而成。集水器由集水箱7和排水管10所组成，通过定位螺丝9将测压管固定在集水箱上。

本发明的工作过程是：恒定压力作用下的水流经射流喷头4形成射流喷射到冲击平板11上，再沿着叶片构成的流道穿过导向板14与平板11之间的狭缝，然后与入射流成90°的方向离开冲击平板11。平板在射流冲击作用下推动活塞12向活塞套18内滑动。当活塞12被全部推进活塞套18时，活塞处于极限位置，泄水窄槽19被活塞全部封闭。这时，在射流冲击下，一小股水流经导水管13和活塞套18流入测压管，使测压管中液位上升，测压管中的液柱对活塞作用有与射流方向相反的压力。当测压管中的水位超过一定高度时，活塞受到的水压力便大于射流的动量力，且会推动活塞向外移动。于是，泄水窄槽被部分开启，测压管中的水通过泄水窄槽排泄掉，水位降落。若水位降落过多，射流动量力大于水压力时，活塞又会向里移动，自动调节泄水量和水位，直至测压管中的水柱对活塞的作用力与射流对平板的冲击动量力相等，且自导水管13流进的水量和自泄水窄槽19流出的水量相等、测压管液柱高度稳定不变为止。但由于活塞移动时有较大的摩擦阻力存在，精度不可能较高。为了克服这个摩擦阻力，在冲击平板上设有叶片15，当水流流过叶片时，带叶片的平板受到转动力矩的作用，就能带动活塞一起不停地转动，大大减少活塞移动时的摩擦力。实验证明，活塞在转动中沿轴向移动的摩擦力 低于冲击力的0.5%，可以忽略不计。这样，只要测得活塞所受到的水压力便可得知射流的动量力。集水箱7的作用一是防水花外溅，二是用以固定动量管，三是汇集水流，汇集后的水流最后经排水管10排出，并在排水管的出口处测量射流流量。

本发明的实验原理基于恒定总流的动量定律，其方程式为：

＝ρQ（α₀₂ -α₀₁

）

以带活塞的平板为受力体，取脱离体如附图4所示。因摩擦阻力fx可忽略不计，在x方向上的动量方程为：

α₀₁ρQV_1X- (π)/4 γhD²＝0

其中：V_1X＝4Q/πd²

上三式中：

-动量力矢量;

ρ-流体的密度;

Q-流体的流量;

α₀₁、α₀₂-分别为流入和流出脱离体的流体的动量修正系数;

、 -分别为流入和流出脱离体的流体的平均速度矢;

V_1X-沿x方向流入脱离体的流体平均速度;

γ-流体的重度;

h-作用在活塞底面圆心处的测压管水柱高度;

D-活塞的直径;

d-射流喷头出口处的内径。

实验中，在平衡状态下，只要测量出Q、h、D、d值，便可验证动量定律及测定射流的动量修正系数α₀₁值。

附图说明：

图1是活塞式动量定律实验仪结构示意图。

图2是动量管结构示意图。

图3是图2所示的冲击平板A向视图。

图4是计算附图。

诸图中符号意义：

图中1是射流恒压供水箱，2是稳压孔板，3是溢流板，4是射流喷头，5是进水管，6是溢流管，7是集水箱，8是动量管，9是定位螺丝，10是排水管，11是冲击平板，12是活塞，13是导水管，14是导向板，15是叶片，16是测压管，17是标尺，18是活塞套，19是泄水窄槽。

作为实施例，本发明已在我校实验室内试制成功。这一实施例的射流恒压供水装置为一恒压水箱，射流喷头为一管嘴，水箱长×宽×高＝35×18×40厘米³，管嘴d＝1.20厘米，供水箱的作用水头H＝13～30厘米，最大射流量Q_max＝300厘米³/秒左右，活塞直径D＝2.0厘米，平衡时活塞中心点上的测压管高度为h＝12～25厘米。实际测量精度达到0.01以内。完全满足教学要求。本实施例所用的恒压水箱、冲击平板、活塞、活塞套、测压管、集水箱等部件皆为透明有机玻璃制成，便于观察，结构轻便美观。部分学生试做了实验，反映教学效果很好。

本发明的优点是测量方便、稳定、精度高，不但能验证动量定律，还能方便地测定射流的动量修正系数，且省水节能，应用广，社会效益显著。

本发明突破了长期沿用的加重物测定动量力的传统方法，代之以作用于活塞上的水压力来抗衡射流对平板冲击所产生的动量力，将动量力的测量转换为流体内点压强的测量，且设置了导水管和泄水窄槽 等能自动调整水压力的结构。有效地克服了加重法的动态波动和由人工配重来达到平衡所造成的烦锁、费时、精度低等弊端。经实施例的实验表明，本发明达到稳定状态所需的时间，自射流冲击平板开始仅需1分半钟左右。因而可使动量定律实验的时间由原来的50分钟左右减少到20分钟左右，又由于叶片能使活塞不停地旋转而有效地克服了活塞沿轴向移动时的摩擦力，如本实施例的实验中，测得平衡状态下测压管的高度h为20.5厘米，然后我们用吸管吸掉测压管内液体约0.1厘米左右，结果在活塞的自动调节下，水位又会很快回复到20.5厘米。相反，我们又向测压管内加入约0.1厘米的水，同样能在活塞的自动调节下回复到20.5厘米，证明这种仪器具有很高的灵敏度。一般管嘴射流的动量修正系数α₀₁为1.02～1.05左右，如仪器本身误差已超过5%，仪器只能定性验证动量定律而不能测量α₀₁值，这就是以往任何一种动量定律实验仪都无法测定动量修正系数的原因。由于本发明的测量精度可达0.01以内，故可较准确地测定α₀₁值，这是前无仅有的创造。本实施例实测得圆孤进口管嘴出流的动量修正系数为1.03。

本发明可广泛应用于大学及中等专业技术学校有关机械、建筑、水利、环保、化工、冶金、交通、航空等专业的工程流体力学的教学实验，是现有动量定律仪的更新换代仪器。因此，具有很大的社会效益。

Claims (8)

1、活塞式动量定律实验仪，水从供水装置喷射到冲击平板，而后经排水管排出，本发明特征是由供水装置、动量管[8]及集水器组成，供水装置主要由恒压供水箱[1]和射流喷头[4]构成，水流经射流喷头喷射到冲击平板[11]上，冲击平板的一面装有叶片[15]、导流板[14]，另一面装有活塞[12]，动量管[8]由冲击平板[11]、活塞内的导流管[13]、活塞套[18]、活塞套上的泄水窄槽[19]、与活塞套一体的测压管[16]和标尺[17]构成，集水器由集水箱[7]和排水管[10]构成。

2、根据权利要求1所述的动量定律实验仪，其特征是供水装置由恒压供水管〔5〕与射流喷头〔4〕直接联接而成。

3、根据权利要求1所述的动量定律实验仪，其特征是冲击平板〔11〕应与轴向入口速度矢量

垂直，出口速度矢量 与入口速度矢量 成90°角。

4、根据权利要求1所述的动量定律实验仪，其特征是活塞〔12〕在活塞套〔18〕内能自由滑动。

5、根据权利要求1所述的动量定律实验仪，其特征是设在活塞〔12〕内的导流管〔13〕，一端进水入口固定在冲击平板〔11〕的中央，另一端出口穿过活塞底面。

6、根据权利要求1所述的动量定律实验仪，其特征是活塞套〔18〕与测压管〔16〕密封连结成一体。

7、根据权利要求1所述的动量定律实验仪，其特征是测压管〔16〕通过定位螺丝〔9〕固定在集水箱〔7〕上。

8、根据权利要求1所述的动量定律实验仪，其特征是恒压供水箱〔1〕、冲击平板〔11〕、活塞〔12〕、活塞套〔18〕、测压管〔16〕和集水箱〔7〕均为透明有机玻璃制成。

Images