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動量定律實驗指導書


一、實驗目的要求
1.驗證不可壓縮流體定常流的動量方程;
2.通過對動量與流速、流量、出射角度、動量矩等因素間相關性的分析研討,進一步掌握流體動力學的動量守恒定理;
3.了解活塞式動量定律實驗儀原理、構造,進一步啟發與培養創造性思維的能力。
二、實驗裝置
本實驗裝置如下圖所示: 
 
 動量定律實驗裝置圖
1 自循環供水器    2 實驗臺    3 可控硅無級調速器    4 水位調節閥 
5 恒壓水箱    6 管嘴    7 集水箱    8 帶活塞的測壓管  
9 帶活塞和翼片的抗沖平板    10 上回水管
自循環供水裝置1由離心式水泵和蓄水箱組合而成。水泵的開啟、流量大小的調節均由調速器3控制。水流經供水管供給恒壓水箱5,溢流水經回水管流回蓄水箱。流經管嘴6的水流形成射流,沖擊帶活塞和翼片的抗沖平板9,并以與入射角成90°的方向離開抗沖平板。抗沖平板在射流沖力和測壓管8中的水壓力作用下處于平衡狀態。活塞形心水深hc可由測壓管8測得。由此可求得射流的沖力,即動量力F。沖擊后的棄水經集水箱7匯集后,再經上回水管10流出,最后經漏斗和下回水管流回蓄水箱。
為了自動調節測壓管內的水位,以使帶活塞的平板受力平衡并減小摩擦阻力對活塞的影響,實驗裝置應用了自動控制的反饋原理和動摩擦減阻技術。其構造如下:
帶活塞和翼片的抗沖平板9和帶活塞套的測壓管8如下左圖所示。該圖是活塞退出活塞套時的分部件示意圖。活塞中心設有一細導水管a,進口端位于平板中心,出口端伸出活塞頭部,出口方向與軸向垂直。在平板上設有翼片b,活塞套上設有窄槽c。

工作時,在射流沖擊力作用下,水流經導水管a向測壓管內加水。當射流沖擊力大于測壓管內水柱對活塞的壓力時,活塞內移,窄槽c關小,水流外溢減少,使測壓管內水位升高,水壓力增大。反之,活塞外移,窄槽開大,水流外濫增多,測管內水位降低,水壓力減小。在定常射流沖擊下,經短時段的自動調整,即可達到射流沖擊力和水壓力的平衡狀態。這時活塞處在半進半出、窄槽部分開啟的位置上。過a流進測管的水量和過c外溢的水量相等。由于平板上設有翼片b,在水流沖擊下,平板帶動活塞旋轉,因而克服了活塞在沿軸向滑移時的靜摩擦力。
三、實驗原理
定常流動量方程為

其中β 稱為動量修正系數,是考慮到管道流速非均勻時,用一維流的動量流量來表達實際非均勻流的動量流量而引入的一個修正系數。
取控制體如下圖所示,設平板對控制體的作用力為,方向向左如圖,

由x方向動量方程:


射流作用在平板上的力大小與此相等,方向向右。射流產生的沖擊力與測壓管產生的壓力相平衡,考慮到軸套之間的滑動摩擦阻力水平分力  <  0.5 %,可忽略不計,故


式中:    hc——作用在活塞形心處的水深;
          D——活塞的直徑;
          Q——射流流量;
          1——射流的速度;
          β1——動量修正系數。
    實驗中,在平衡狀態下,只要測得流量Q和活塞形心水深hc,由給定的管嘴直徑d和活塞直徑D,代入上式,便可測定射流的動量修正系數β1值,并驗證動量定律。其中,測壓管的標尺零點已固定在活塞的圓心處,因此液面標尺讀數,即為作用在活塞形心處的水探。
四、實驗方法與步驟
1.準備:熟悉實驗裝置各部分名稱、結構特征、作用性能,記錄有關常數。
2.開啟水泵:打開調速器開關,水泵啟動2~3分鐘后,關閉2~3秒鐘,以利用回水排除離心式水泵內滯留的空氣。
3.調整測壓管位置:待恒壓水箱滿頂溢流后,松開測壓管固定螺絲,調整方位。要求測壓管垂直、螺絲對準十字中心,使活塞轉動松快,然后旋轉螺絲固定好。
4.測讀水位:標尺的零點已固定在活塞圓心的位置上。當測壓管內液面穩定后,記下測壓管內液面的標尺讀數,即hc值。
5.測量流量:用體積法或重量法測流量時,每次時間要求大于10秒.均需重復測三次再取均值。
6.改變水頭重復實驗:逐次打開不同高度上的溢水孔蓋,改變管嘴的作用水頭。調節調速器,使溢流量適中,待水頭穩定后,按3-5步驟重復進行實驗。
7.收拾實驗臺,整理數據。
五、實驗報告要求
1.簡要寫出實驗原理和實驗步驟。
2.記錄有關常數  
      實驗裝置臺號No__________;
      管嘴內徑(cm)d=      
     活塞直徑(cm)D=      
3.實驗參數記錄、計算表,并填入實測數據
測次 重量
W
時間
T
活塞作用水頭
hc
流量
Q
流速
V
動量力
F
動量修正系數
β1
1              
2              
3              

4.取某一流量,給出控制體圖,闡明分析計算的過程
六、實驗分析與討論
1.實測(平均動量修正系數)與公認值β= (1.02~1.05)符合與否?如不符合,試分析原因.
2.帶翼片的平板在射流作用下獲得力矩.這對分析射流沖擊無翼片的平板沿x方向的動量方程有無影響?為什么?
3.通過細導水管的分流,其出流角度與v2相同,對以上受力分析有無影響?

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