CN113866452A - 一种水力学能量方程流速测量实验装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水力学能量方程流速测量实验装置及方法，装置包括流量调节阀、出水管、多孔筛板、漂浮小球、回水管、止水阀门和蓄水容器，流量调节阀设置在出水管上，蓄水容器设置在出水管下方，蓄水容器顶部开口，出水管流出的水直接流入蓄水容器中，多孔筛板直径略小于蓄水容器内径，多孔筛板固定在蓄水容器内壁，且固定高度可调；漂浮小球设置在蓄水容器内部，且位于多孔筛板下方；回水管与蓄水容器连通，止水阀门设置在回水管上；装置具有结构简单、可反复使用、成本少以及耗能小的特点。流量测量方法将水流流速转换为蓄水器内漂浮小球的上升速度，使流速测量方式更加直观精确，提高实验效率，节省实验时间，广泛应用于各类流体力学实验。

Description

一种水力学能量方程流速测量实验装置及方法
技术领域
本发明涉及水力学能量方程实验装置技术，具体涉及一种水力学能量方程流速测量实验装置及方法。
背景技术
对于复杂的水流运动分析，需要多种角度多种方法相结合，恒定流的能量方程实验是当前的水力学实验中重要的一环。其各项分别表示了单位质量流体的三种不同形式能量，其物理意义是在忽略水头损失的情况下沿同一流线，单位质量的流体具有机械能守恒的特点。
然而目前的能量实验具有耗时长，流量测量繁琐且误差大，测压管读数不稳定，调节阀难以合理控制等问题，均会造成不同程度的误差，导致最后的实验结果误差较大，实验失败的概率比较大。
发明内容
发明目的：本发明的一个目的是提供一种水力学能量方程流速测量实验装置，该装置可以广泛应用于各类流体力学实验，具有结构简单、可反复使用、成本少以及耗能小的特点；本发明的另一个目的是提供一种流速测量方法。
技术方案：本发明的一种水力学能量方程流速测量实验装置，包括流量调节阀、出水管、多孔筛板、漂浮小球、回水管、止水阀门和蓄水容器，流量调节阀设置在出水管上，蓄水容器设置在出水管下方，蓄水容器顶部开口，出水管流出的水直接流入蓄水容器中，多孔筛板直径略小于蓄水容器内径，多孔筛板固定在蓄水容器内壁，且固定高度可调；漂浮小球设置在蓄水容器内部，且位于多孔筛板下方；回水管与蓄水容器连通，止水阀门设置在回水管上。
优选的，流量调节阀下端设置有刻度盘，刻度盘上均匀设有刻度，用于控制出水管流量。
优选的，多孔筛板为圆形板，上面均匀设有多个直径小于漂浮小球直径的孔。
本发明另一实施中，一种基于所述水力学能量方程流速测量实验装置的流速测量方法，包括以下步骤：
S1、设置多孔筛板距离蓄水容器底面距离为h，随后关闭止水阀门，打开流量调节阀，同时使秒表开始计时；
S2、当漂浮小球逐渐上升至设置高度并被多孔筛板卡住时，停止计时，前后相减得出小球运动时间t，并打开止水阀门；
S3、计算出水管水流流速。
进一步的，步骤S3具体为：
根据步骤S1和S2的实测数据，得漂浮小球上升速度v为：
Figure BDA0003221418710000021
设蓄水容器横截面积为A，出水管处横截面积为a，出水管处水流流速为v′，根据流体力学公式v1A1＝v2A2，其中，v1和v2分别表示同一元流在不同截面处的流速，A1和A2分别表示v1和v2对应的截面面积，可得：
vA＝v′a
由此得出出水管处水流流速v′为：
Figure BDA0003221418710000022
同理只需将出水管横截面积a替换为所需测定的相应水流截面面积，则能计算得出待测各点水流流速。
进一步的，漂浮小球的平均密度小于水密度的一半，设漂浮小球的材质密度为ρ球，外表面半径为R，内表面半径为r；
则漂浮小球质量m和体积v分别为：
Figure BDA0003221418710000023
Figure BDA0003221418710000024
由此得出漂浮小球的平均密度ρ为：
Figure BDA0003221418710000025
有益效果：与现有技术相比，本发明改进的流速测量方法可以广泛应用于各类流体力学实验，使流速测量方式更加直观精确，降低了现有测量方式中由于肉眼读数所产生的误差，同时提高实验效率，简化学生开展实验的步骤，节省实验时间。改进的调节阀增加刻度盘，提高流量控制过程中的精确度，避免空气倒吸入管路系统，可重复利用的同时减小实验误差。在蓄水容器内增加一可调节高度的多孔筛板，控制小球上升的最终高度，通过测量小球上升速度换算得出水的流速。
附图说明
图1为本发明实验装置结构示意图；
图2为多孔筛板结构示意图；
图3为流量调节阀结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。且以下所述仅是本发明专利的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明专利技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明专利的保护范围。
如图1-3所示，一种水力学能量方程流速测量实验装置，包括流量调节阀1、出水管2、多孔筛板3、漂浮小球4、回水管5、止水阀门6和蓄水容器7，流量调节阀1设置在出水管2上，蓄水容器7设置在出水管2下方，蓄水容器7顶部开口，出水管2流出的水直接流入蓄水容器7中，多孔筛板3直径略小于蓄水容器7内径，多孔筛板3固定在蓄水容器7内壁，且固定高度可调；漂浮小球4设置在蓄水容器7内部，且位于多孔筛板3下方；回水管5与蓄水容器7连通，止水阀门6设置在回水管5上。
本发明在流量调节阀1下方增加刻度盘，提高流量控制过程中的精确度，避免空气倒吸入管路系统，提高实验精确度。多孔筛板3为圆形板，上面均匀设有多个直径小于漂浮小球4直径的孔。
与此同时，本发明采用实验装置提供了一种流速测量方法，将水流流速转换为蓄水容器7内漂浮小球4的上升速度，在蓄水容器7外表面增加刻度，内部增加一可调节高度的多孔筛板3，多孔筛板3为圆形板，其上均匀设置有多个小孔，且小孔直径略小于漂浮小球4直径，当漂浮小球4上升至指定高度时便会被多孔筛板3卡住，同时利用秒表计时，代入系列公式计算即可得出水流流速该流速测量方法使流速测量方式更加直观精确，降低了现有测量方式中由于肉眼人读数过程中所产生的偶然误差，同时提高实验效率，简化学生开展进行实验的步骤，节省实验时间。本流速测量方法可以广泛应用于各类流体力学实验，具有结构简单、可反复使用、成本少以及耗能小的特点。具体的：
一种基于所述水力学能量方程流速测量实验装置的流速测量方法，包括以下步骤：
S1、设置多孔筛板3距离蓄水容器7底面距离为h，随后关闭止水阀门6，打开流量调节阀1，同时使秒表开始计时；
S2、当漂浮小球4逐渐上升至设置高度并被多孔筛板3卡住时，停止计时，前后相减得出小球运动时间t，并打开止水阀门6；
S3、计算出水管水流流速；具体的：
根据步骤S1和S2的实测数据，得漂浮小球4上升速度v为：
Figure BDA0003221418710000041
设蓄水容器7横截面积为A，出水管2处横截面积为a，出水管2处水流流速为v′，根据流体力学公式v1A1＝v2A2(即同一元流在不同截面处的流速与截面面积的乘积相等)，其中，v1和v2分别表示同一元流在不同截面处的流速，A1和A2分别表示v1和v2对应的截面面积，可得：
vA＝v′a；
由此得出出水管2处水流流速v′为：
Figure BDA0003221418710000042
同理只需将出水管2横截面积a替换为所需测定的相应水流截面面积，则能计算得出待测各点水流流速。
其中，漂浮小球4的平均密度小于水密度的一半，设漂浮小球4的材质密度为ρ球，外表面半径为R，内表面半径为r；
则漂浮小球4质量m和体积v分别为：
Figure BDA0003221418710000043
Figure BDA0003221418710000044
由此得出漂浮小球的平均密度ρ为：
Figure BDA0003221418710000045
本实施例中，取水在25℃下的密度ρ水＝1000kg/m3，取小球材质为常见的硅橡胶，则ρ球＝870kg/m3，取外表面半径为2.5cm，则其内表面半径可带入上述公式计算得出约为1.9cm。
所述多孔筛板3小孔直径需略小于漂浮小球4直径，因此设置其小孔直径为4.7cm，多孔筛板直径为30cm。
本发明具有结构简单、可反复使用以及耗能小的特点。改进的流速测量方法可以广泛应用于各类流体力学实验，使流速测量方式更加直观精确，降低了现有测量方式中由于肉眼读数所产生的误差，同时提高实验效率，简化学生开展实验的步骤，节省实验时间。改进的调节阀增加刻度盘，提高流量控制过程中的精确度，避免空气倒吸入管路系统，可重复利用的同时减小实验误差。

Claims (6)

1.一种水力学能量方程流速测量实验装置，其特征在于，包括流量调节阀(1)、出水管(2)、多孔筛板(3)、漂浮小球(4)、回水管(5)、止水阀门(6)和蓄水容器(7)，流量调节阀(1)设置在出水管(2)上，蓄水容器(7)设置在出水管(2)下方，蓄水容器(7)顶部开口，出水管(2)流出的水直接流入蓄水容器(7)中，多孔筛板(3)直径略小于蓄水容器(7)内径，多孔筛板(3)固定在蓄水容器(7)内壁，且固定高度可调；漂浮小球(4)设置在蓄水容器(7)内部，且位于多孔筛板(3)下方；回水管(5)与蓄水容器(7)连通，止水阀门(6)设置在回水管(5)上。
2.根据权利要求1所述的一种水力学能量方程流速测量实验装置，其特征在于，流量调节阀(1)下端设置有刻度盘，刻度盘上均匀设有刻度，用于控制出水管流量。
3.根据权利要求1所述的一种水力学能量方程流速测量实验装置，其特征在于，多孔筛板(3)为圆形板，上面均匀设有多个直径小于漂浮小球(4)直径的孔。
4.一种基于权利要求1-3任一项所述水力学能量方程流速测量实验装置的流速测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、设置多孔筛板(3)距离蓄水容器(7)底面距离为h，随后关闭止水阀门(6)，打开流量调节阀(1)，同时使秒表开始计时；
S2、当漂浮小球(4)逐渐上升至设置高度并被多孔筛板(3)卡住时，停止计时，前后相减得出小球运动时间t，并打开止水阀门(6)；
S3、计算出水管水流流速。
5.根据权利要求4所述的流速测量方法，其特征在于，步骤S3具体为：
根据步骤S1和S2的实测数据，得漂浮小球(4)上升速度v为：
Figure FDA0003221418700000011
设蓄水容器(7)横截面积为A，出水管(2)处横截面积为a，出水管(2)处水流流速为v′，根据流体力学公式v1A1＝v2A2，其中，v1和v2分别表示同一元流在不同截面处的流速，A1和A2分别表示v1和v2对应的截面面积，可得：
vA＝v′a；
由此得出出水管(2)处水流流速v′为：
Figure FDA0003221418700000012
同理只需将出水管(2)横截面积a替换为所需测定的相应水流截面面积，则能计算得出待测各点水流流速。
6.根据权利要求4所述的流速测量方法，其特征在于，漂浮小球(4)的平均密度小于水密度的一半，设漂浮小球(4)的材质密度为ρ球，外表面半径为R，内表面半径为r；
则漂浮小球(4)质量m和体积v分别为：
Figure FDA0003221418700000021
Figure FDA0003221418700000022
由此得出漂浮小球的平均密度ρ为：
Figure FDA0003221418700000023
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