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时间:2018-07-09
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1、实验六动量方程验证实验一、实验目的1、验证不可压缩流体恒定流的动量方程;进一步理解动量方程的物理意义。2、通过对动量与流速、流量、出射角度、动量矩等因素间相关性的分析研究,进一步掌握流体动力学的动量守恒特性;3、了解活塞式动量方程实验仪原理、构造,进一步启发与培养创造性思维的能力。二、实验原理1、设备工作原理自循环供水装置1由离心式水泵和蓄水箱组合而成。开启水泵和流量大小的调节由流量调节开关3控制。水流经供水管供给恒压水箱。工作水流经管嘴6形成射流,射流冲击到带活塞和翼片的抗冲平板9上,并以与入射角成90°的方向离开抗冲平板。带活塞的抗冲平板在射流冲击力和
2、测压管8中的静水压力作用下处于平衡状态。活塞形心水深hc可由测压管8测知,由此可求得射流的冲击力,即动量力F。冲击后落下的水经集水箱7汇集后,再经排水管10流出,在出口用体积法或称重法测流量。水流经接水器和回水管流回蓄水箱。为了自动调节测压管内的水位,以使带活塞的平板受力平衡以及减小摩擦阻力对活塞的作用,本实验装置应用了自动控制的反馈原理和动摩擦减阻技术,具有如下结构:图6-1图6-2带活塞和翼片的抗冲平板9和带活塞套的测压管8如图5-1所示,该图是活塞退出活塞套时的分部件示意图。活塞中心设有一细导水管a,进口端位于平板中心,出口端转向90°向下伸出活塞
3、头部。在平板上设有翼片b,活塞套上设有窄槽c。工作时,在射流冲击力作用下,水流经导水管a向测压管内加水。当射流冲击力大于测压管内水柱对活塞的压力时,活塞内移,窄槽c关小,水流外溢减少,使测压管内水位上升,水压力增大。反之,活塞外移,窄槽开大,水流外溢增多,测压管内水位降低,水压力减小。在恒定射流冲击下,经过短时间的自动调整,即可达到射流冲击力和水压力的平衡状态。这时活塞处在半进半出,窄槽部分开启的位置上,过a流进测压管的水量和过c外溢的水量相等。由于平板上设有翼片b,在水流冲击下,平板带动活塞旋转,因而克服了活塞在沿轴向滑移时的静摩擦力。为验证本装置的灵
4、敏度,只要在实验中的恒定流受力平衡状态下,人为地增减测压管中的液位高度,可发现即使改变量不足总液柱高度的±5‰(约0.5~1mm),活塞在旋转下亦能有效地克服动摩擦力而作轴向位移,开大或减小窄槽c,使过高的水位降低或过低的水位提高,恢复到原来的平衡状态。这表明该装置的灵敏度高达0.5%,亦即活塞轴向动摩擦力不足总动量力的5‰。2、实验理论原理恒定总流动量方程为:F=ρQ(β2υ2-β1υ1)取脱离体如图6-2所示,因滑动摩擦阻力水平分力fx<0.5%Fx,可忽略不计,故x方向的动量方程化为:Fx=-PcA=-γhcπD2/4=ρQ(0-β1υ1x)
5、即β1ρQυ1x-γhcπD2/4=0式中:hc——作用在活塞形心处的水深;D——活塞的直径;Q——射流流量;υ1x——射流速度;β1——动量修正系数。实验中,在平衡状态下,只要测得流量Q和活塞形心水深hc,由给定的管嘴直径d和活塞直径D代入上式,便可验证动量方程,并可率定射流的动量修正系数β1值。其中,测压管的标尺零点已固定在活塞的圆心处,因此液面标尺读数,即为作用在活塞圆心处的水深。三、实验设备本实验装置如图6-3所示:图6-3动量定律实验装置图1、自循环供水器;2、实验台;3、无级调速开关;4、水位调节阀;5、恒压水箱;6、管嘴7、集水箱;8、带活塞
6、的测压管;9、带活塞和翼片的抗冲平板;10、上回水管;11、下回水管12、接水器;四、实验步骤1、熟悉仪器,并记录有关常数;2、打开调速器开关,水泵启动2~3分钟后,关闭2~3秒钟,以便利用回水排除水泵内的滞留空气;3、待恒压水箱溢流后,松开测压管固定螺丝,调整方向,要求测压管垂直。螺丝对准十字中心,使活塞转动轻快,然后固定好螺丝。4、标尺零点已固定在活塞的圆心处。当测压管内液面稳定后,记下测压管液面标尺读数,即hc值。5、利用体积法和称重法测流量。(接水时间要在15~20秒以上)6、打开不同高度上的溢水孔盖,改变溢水高程位置,从而改变作用水头;
7、调节调速器,使溢流量减小,等水头稳定后,按3~5步骤重复进行试验。五、思考题1、利用实验数据计算动量修正系数β1,并与公认值(β1=1.02-1.05)比较,如不相符,分析原因。2、带翼片的平板在射流作用下获得力矩,这对沿X轴方向的动量力有无影响?为什么?3、活塞上的细导水管出流角度对实验有无影响?为什么?
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