CN1313807C - 带移动触头的孔口管嘴实验仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带移动触头的孔口管嘴实验仪。它具有自循环供水器、在自循环供水器内设有水泵，水泵由可控硅无级调速器控制，自循环供水器与恒压水箱、回水槽相接，恒压水箱内设有溢流板和稳水孔板，恒压水箱与自循环供水器通过上水管和下水管连接，恒压水箱面向回水槽的壁面上设有孔口管嘴、切换板、标尺和测压管，在孔口管嘴处设有移动触头，回水槽出水口设自循环回水装置。本发明采用了独立自循环恒压供水系统，操作简便直观，且适合于现代教学要求，同时也节省了实验布置场地；在薄壁孔口处精巧地设置了活动触头，利用游标卡尺即能精确测量孔口射流的收缩直径，精度达0.01mm，在直角进口圆柱管嘴处设有测量局部真空的装置，简便、直观。

Description

带移动触头的孔口管嘴实验仪

技术领域

本发明涉及实验量测仪器，尤其涉及一种带移动触头的孔口管嘴实验仪。

背景技术

流体经孔口流出的流动现象叫孔口出流，其出流条件可以是定水头下的出流或者变水头下出流，可以是流入空气中，也可以是流入同一介质的流体中。在孔口的周界上安装一个长度约为孔口直径3～4倍的短管，这样的短管称圆柱形外管嘴。管嘴按其形状可分为：流线型管嘴，柱形外管嘴，圆锥形管嘴。流体流经该短管，并在出口断面形成满管流，这种流动现象称为管嘴出流。

孔口管嘴是一种用于量测流量的设备，同时也是工程上常见的水力设施。

孔口管嘴教学实验是(流体力学重要教学)内容之一。然而长期以来，传统的孔口管嘴实验仪在结构布置以及教学手段上存在一定弊端：其一，传统实验仪结构庞杂，有大型水箱，较大的供、回水设施和称量设备，这样占地多、能耗大、结构复杂；其二，为测量孔口射流的侧收缩直径，人们曾用尽心计，却始终没有一种高精度的简便方法可行。

发明内容

本发明的目的是提供一种带移动触头的孔口管嘴实验仪。

它具有自循环供水器、在自循环供水器内设有水泵，水泵由可控硅无级调速器控制，自循环供水器与恒压水箱、回水槽相接，恒压水箱内设有溢流板和稳水孔板，恒压水箱与自循环供水器通过上水管和下水管连接，，恒压水箱面向回水槽的壁面上设有孔口管嘴、切换板、标尺和测压管，在孔口管嘴处设有移动触头，回水槽出水口设自循环回水装置。

本发明的优点：

1)一改以往结构庞大的作法，将其整个实验系统缩小简化，采用了独立自循环恒压供水系统，操作简便直观，且适合于现代教学要求，同时也节省了实验布置场地；

2)在各孔口及管嘴之间设置了切换板，可在满水位状态下自由切换测量管嘴，而不会因此造成在切断或开启时水花回溅现象；

3)在薄壁孔口处精巧地设置了活动触头，利用游标卡尺即能精确测量孔口射流的收缩直径，精度达0.01mm，在直角进口圆柱管嘴处设有测量局部真空的装置，简便、直观。

附图说明

附图是带移动触头的孔口管嘴实验仪结构示意图。

具体实施方式

带移动触头的孔口管嘴实验仪具有自循环供水器1、在自循环供水器内设有水泵，水泵由可控硅无级调速器3控制，自循环供水器与恒压水箱4、回水槽10相接，恒压水箱4内设有溢流板5和稳水孔板6，恒压水箱4与自循环供水器1通过上水管和下水管连接，，恒压水箱4面向回水槽10的壁面上设有孔口管嘴7、切换板8、标尺11和测压管12，在孔口管嘴7处设有移动触头9，回水槽10出水口设自循环回水装置。孔口管嘴7分别为喇叭进口管嘴、直角进口管嘴、锥形管嘴、孔口。

本发明的工作过程是：

实验原理

在恒压水头下发生自由出流时孔口管嘴的有关公式为：

流量计算

流量系数 $\mathrm{\μ}=\frac{Q}{A\sqrt{2g{H}_0}}---\left(2\right)$

收缩系数 $\mathrm{\ϵ}=\frac{A_c}{A}=\frac{d_c^2}{d^2}---\left(3\right)$

流速系数

阻力系数

实验测得上游恒压水位及各孔口、管嘴的过流量，利用以上5个公式，从而得出不同形状断面的孔口、管嘴在恒压、自由出流状态下的各水力系数。

实验内容

(1)观察孔口及各管嘴出流水柱的流股形态。

打开各孔口管嘴，使其出流，观察各孔口及管嘴水流的流股形态，因各种孔口、管嘴的形状不同，过流阻力也不同，从而导致了各孔口管嘴出流的流股形态也不同：圆角管嘴出流水柱为光滑圆柱，直角管嘴为圆柱形麻花状扭变，圆锥管嘴为光滑圆柱，孔口则为具有侧收缩的光滑圆柱。

(2)观察孔口出流在d/H＞0.1时与在d/H＜0.1时侧收缩情况。

开大流量，使上游水位升高，使d/H＜0.1，测量相应状况下收缩断面直径d_c；再关小流量，上游水头降低，使d/H＞0.1，测量此时的收缩断面直径d_c′的值，可发现当d/H＞0.1时d_c′增大，并接近于孔径d，这叫作不完全收缩，此时由实验测知，μ也增大，可达0.7左右。

(3)观测直角管嘴处的局部真空度。

打开直角进口管嘴射流，即可观测到，测管处水柱迅速降低，h_真＝(0.6～0.7)H₀。说明直角进口管嘴在进口处产生较大真空。但与经验值0.75H₀相比，真空度偏小，其原因主要是有机玻璃材料的直角进口锐缘难以达到象金属材料那样的强度。

成果分析

(1)结合观测不同类型管嘴与孔口出流的流股特征，分析流量系数不同的原因及增大过流能力的途径。

以本室2^#孔口与管嘴实验仪某次实验数据为例，由实验结果可知，流股形态及流量系数如下：

圆角管嘴出流的流股呈光滑圆柱形，μ＝0.935；

直角管嘴出流的流股呈圆柱麻花状扭变，μ＝0.816；

园锥管嘴出流的流股呈光滑圆柱形，μ＝0.934；

孔口出流的流股在出口附近有侧收缩，呈光滑圆柱形，μ＝0.611。

影响流量系数大小的原因有：

(a)出口附近流股直径，孔口为d_c＝0.962cm，d＝1.21cm，则d_c/d＝0.8，其余同管嘴的出口内径，d_c/d＝1。

(b)直角进口管嘴出流，μ大于孔口μ_c，是因为前者进口段后由于分离，使流股侧收缩而引起局部真空(本实验实测局部真空度为16cmH₂O)，产生抽吸作用从而加大过流能力。后者孔口出流流股侧面均为大气压，无抽吸力存在。

(c)直角进口管嘴的流股呈扭变，说明横向脉速大，紊动度大，这是因为在侧收缩断面附近形成漩涡之故。而圆角进口管嘴的流股为光滑圆柱形，横向脉速微弱，这是因为进口近乎流线形，不易产生漩涡之故，所以直角管嘴比圆角管嘴出流损失大，μ值小。

(d)圆锥管嘴虽亦属直角进口，但因进口直径渐小，不易产生分离，其侧收缩断面面积接近出口面积(μ值以出口面积计)，故侧收缩并不明显影响过流能力。另外，从流股形态看，横向脉动亦不明显，说明渐缩管对流态有稳定作用(工程或实验中，为了提高工作段水流的稳定性，往往在工作段前加一渐缩段，正是利用渐缩的这一水力特性)。能量损失小，因此其μ值与圆角管嘴相近。

从以上分析可知，为了加大管嘴的过流能力，进口形状应力求流线形化，只要将进口修圆，提高μ的效果就十分显著。孔口及直角管嘴的流量系数的实验值有时比经验值偏大，其主要原因亦与制作工艺上或使用上不小心将孔口、管嘴的进口棱角磨损了有关。

(2)分析完善收缩的锐缘薄壁孔口出流的流量系数μ_Q有下列关系：

${\mathrm{\μ}}_Q=f(\frac{d}{H},\mathrm{Re},W_e)$

其中W_e为韦伯数。根据这一关系，并结合其他因素分析本实验的流量系数偏离理论值(μ_Q＝0.611)的原因。

薄壁孔口在完善收缩条件下(孔口距相邻壁面距离L＞3d)，影响孔口出流流速υ的因素有：作用水头H，孔径d，流体的密度ρ，重力加速度g，粘滞系数μ及表面张力系数σ，即

                       F(υ、d、H、ρ、g、μ、σ)＝0    (6)

现利用π定律分析流量Q与各物理量间的相关关系，然后推求与流量系数相关的水力要素。

因υ、H、ρ是三个量纲独立的物理量，只有：

                 [H]＝[L¹T⁰M⁰]，

                 [υ]＝[L¹T^-1M⁰]，

                 [ρ]＝[L^-3T⁰M¹]。

根据π定理得

${\mathrm{\π}}_1=\frac{d}{{\mathrm{\υ}}^{a_1}{H}^{b_1}{\mathrm{\ρ}}^{c_1}}---\left(7\right)$

${\mathrm{\π}}_2=\frac{g}{{\mathrm{\υ}}^{a_2}{H}^{b_2}{\mathrm{\ρ}}^{c_2}}---\left(8\right)$

${\mathrm{\π}}_3=\frac{\mathrm{\μ}}{{\mathrm{\υ}}^{a_3}{H}^{b_3}{\mathrm{\ρ}}^{c_3}}---\left(9\right)$

${\mathrm{\π}}_4=\frac{\mathrm{\σ}}{{\mathrm{\υ}}^{a_4}{H}^{b_4}{\mathrm{\ρ}}^{c_4}}---\left(10\right)$

根据量纲和谐原理，(7)式的量纲应为

                     [L]＝[LT^-1]^a1[L]^b1[ML^-3]^c1

故有

$\left.\begin{array}{c}L:1=a_1+b_1-{3c}_1\\ T:0=-a_1\\ M:0=c_1\end{array}\right\}$

可解得：a₁＝0，b₁＝1，c₁＝0。

即 ${\mathrm{\π}}_1=\frac{d}{H}$

同理，求得

${\mathrm{\π}}_2=\frac{\mathrm{gH}}{{\mathrm{\υ}}^2}$

${\mathrm{\π}}_3=\frac{\mathrm{\μ}}{\mathrm{\ρ\υH}}$

${\mathrm{\π}}_4=\frac{\mathrm{\σ}}{{\mathrm{\ρH\υ}}^2}$

将各π值代入(6)式，有

$F(\frac{d}{H},\frac{\mathrm{gH}}{{\mathrm{\υ}}^2},\frac{\mathrm{\μ}}{\mathrm{\ρ\υH}},\frac{\mathrm{\σ}}{{\mathrm{\ρH\υ}}^2})=0$

或 $\mathrm{\υ}=\sqrt{\mathrm{gH}}\·f_1(\frac{d}{H},\frac{\mathrm{\μ}/\mathrm{\ρ}}{\mathrm{\υH}},\frac{\mathrm{\σ}/\mathrm{\ρ}}{{\mathrm{\υ}}^{2}H})$

又因Q＝Aυ，则

$Q=A\sqrt{2\mathrm{gH}}\·f_2(\frac{d}{H},\frac{\mathrm{\μ}/\mathrm{\ρ}}{\mathrm{\υH}},\frac{\mathrm{\σ}/\mathrm{\ρ}}{{\mathrm{\υ}}^{2}H})$

对照流量计算公式

$Q={\mathrm{\μ}}_{Q}A\sqrt{2\mathrm{gH}}$

则流量系数μ_Q应有

${\mathrm{\μ}}_Q=f(\frac{d}{H},\frac{\mathrm{\μ}/\mathrm{\ρ}}{\mathrm{\υH}},\frac{\mathrm{\σ}/\mathrm{\ρ}}{{\mathrm{\υ}}^{2}H})$

或

${\mathrm{\μ}}_Q=f(\frac{d}{H},\mathrm{Re},W_e)$

表明影响流量系数有三方面因素。现结合实验结果和已有资料分析对本实验结果的影响。

$\left(a\right)\frac{d}{H}<0.1$ 时，水流在锐缘孔口前后收缩完全， 对μ_Q无影响；反之 $\frac{d}{H}>0.1$ 时，收缩不完全，μ_Q增大。本实验d/H＝1.21/31.5＝0.038＜0.1，故无影响。

(b)以特征长度d替代H时， $\mathrm{Re}=\frac{\mathrm{\&upsi;d}}{v},$ Re很小时，(例Re＜10^4～5)，因粘滞性影响，使μ_Q降低。本实验Re≈2×10⁴，表明略有影响，使μ_Q值偏小。

(c)W_e＝ρυ²d/σ(韦伯数)，代表表面张力影响。这只有当孔口小，流股细，流动慢时，表面张力影响可使μ_Q降低。本实验d＝1.21cm，表面张力的影响很小，可略。

根据上述分析，实测μ_Q值比理论值偏小，说明是合理的，不然，可能存在其他影响因素。如上问题(1)所述“锐缘薄壁孔口”的锐缘遭磨损，那么μ_Q值就会显著增大。

Claims (2)

1、一种带移动触头的孔口管嘴实验仪，其特征在于它具有自循环供水器(1)、在自循环供水器内设有水泵，水泵由可控硅无级调速器(3)控制，自循环供水器(1)与恒压水箱(4)、回水槽(10)相接，恒压水箱(4)内设有溢流板(5)和稳水孔板(6)，恒压水箱(4)与自循环供水器(1)通过上水管和下水管连接，恒压水箱(4)面向回水槽(10)的壁面上设有孔口管嘴(7)、切换板(8)、标尺(11)和测压管(12)，在孔口管嘴(7)处设有移动触头(9)，回水槽(10)出水口设自循环回水装置(2)。

2、根据权利要求1所述一种带移动触头的孔口管嘴实验仪，其特征在于所说的孔口管嘴(7)分别为喇叭进口管嘴、直角进口管嘴、锥形管嘴、孔口。

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