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实验21 动量定律实验

创建时间:  2019-11-07  丁珏   浏览次数:

实验21 动量定律实验

一、实验目的的要求

1.验证不可压缩流体恒定流的动量方程;

2.通过对动量与流速、流量、出射角度、动量矩等因素间相互性的分析研讨,进一步掌握流体动力学的动量守恒定理;

3.了解活塞式动量定律实验仪原理、构造,进一步启发与培养创造性思维的能力。

二、实验装置

本实验的装置如图1所示。   1

自循环供水装置1由离心式水泵和蓄水箱组合而成。水泵的开启、流量大小的调节均由调速器3控制。水流经供水管供给恒压水箱5,溢流水经回水管流回蓄水箱。流经管嘴6的水流形成射流,冲击带活塞和翼片的抗冲平板8,并以与入射角成90 的方向离开抗冲平板。抗冲平板在射流冲力和测压管7中的水压力作用下处于平衡状态。活塞形心水深 可由测压管7测得,由此可求得射流的冲力,即动量力F。冲击后的弃水经集水箱汇集后,再经上回水管流出,最后经漏斗和下回水管流回蓄水箱。

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并减小摩擦阻力对活塞的影响,本实验装置应用了自动控制反馈原理和动摩擦减阻技术,其构造如下:

带活塞和翼片的抗冲平板8和带活塞套的测压管7如图2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,出口端伸出活塞头部,出口方向与轴向垂直。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7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,使测压管内水位升高,水压力增大。反之,活塞外移,窄槽开大,水流外溢增多,测管内水位降低,水压力减小。在恒定射流冲击下,经短时段的自动调整,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高度的 ‰(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

三、实验原理

恒定总流动量方程为

                       

取脱离体如图2(右边)所示,因滑动摩擦阻力水平分力 ,可忽略不计,故x方向的动量方程化为

                   

                       

式中: ——作用在活塞形心处的水深;

    D——活塞的直径;

    Q——射流流量;

——射流的速度;

——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 ,由给定的管嘴直径d和活塞直径D,代入上式,便可率定射流的动量修正系数 值,并验证动量定律。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。

四、实验方法与步骤

1.准备   熟悉实验装置各部分名称、结构特征、作用性能,记录有关常数。

2.开启水泵    打开调速器开关,水泵启动23分钟后,关闭23秒钟,以利用回水排除离心式水泵内滞留的空气。

3.调整测压管位置    待恒压水箱满顶溢流后,松开测压管固定螺丝,调整方位,要求测压管垂直、螺丝对准十字中心,使活塞转动松快。然后旋转螺丝固定好。

4.测读水位    标尺的零点已固定在活塞圆心的高程上。当测压管内液面稳定后,记下测压管内液面的标尺读数,即 值。

5.测量流量    用体积法或重量法测流量时,每次时间要求大于20秒,需重复测三次再取均值。

6.改变水头重复实验    逐次打开不同高度上的溢水孔盖,改变管嘴的作用水头。调节调速器,使溢流量适中,待水头稳定后,按3-5步骤重复进行实验。

7.实验结束后,关闭水泵开关,拔下电源插头,放空水箱,擦干实验台和附近地面上的水迹。

注意事项:

1,实验量测一定要待水流稳定后才能进行。

2,每次测量流量后,水桶中的水要倒进装置中的回流接水槽,以免循环水不够。

3,注意爱护秒表、电子称等辅助实验工具。

五、实验成果及要求:

1.记录有关常数。                                 实验装置台号 No.        

    管嘴内径d=       cm,  活塞直径D=      cm

2.编制实验参数记录、计算表格并填入实验参数、实测数据(见表1)。

3.取某一流量,绘出脱离体图,阐明分析计算的过程(参见图2,及表1)。

六、实验分析与讨论:

1.实测 与公认值( )符合与否?如不符合,试分析原因。

2.带翼片的平板在射流作用下获得力矩,这对分析射流冲击无翼片的平板沿x方向的动量方程有无影响?为什么?

3.通过细导水管的分流,其出流角度与 相同,试问对以上受力分析有无影响?

4.滑动摩擦力 为什么可以忽略不计?试用实验来分析验证 的大小,记录观察结果。(提示:平衡时,向测压管内加入或取出1mm左右深的水,观察活塞及液位的变化)

(因滑动摩擦力 ‰,故可略而不计)。

测次

重量

时间T

流量Q

流速v

管嘴作用水头H0

活塞作用水头hc

动量力F

动量修正系数b1

1

2

3

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实验21 动量定律实验

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实验21 动量定律实验

一、实验目的的要求

1.验证不可压缩流体恒定流的动量方程;

2.通过对动量与流速、流量、出射角度、动量矩等因素间相互性的分析研讨,进一步掌握流体动力学的动量守恒定理;

3.了解活塞式动量定律实验仪原理、构造,进一步启发与培养创造性思维的能力。

二、实验装置

本实验的装置如图1所示。   1

自循环供水装置1由离心式水泵和蓄水箱组合而成。水泵的开启、流量大小的调节均由调速器3控制。水流经供水管供给恒压水箱5,溢流水经回水管流回蓄水箱。流经管嘴6的水流形成射流,冲击带活塞和翼片的抗冲平板8,并以与入射角成90 的方向离开抗冲平板。抗冲平板在射流冲力和测压管7中的水压力作用下处于平衡状态。活塞形心水深 可由测压管7测得,由此可求得射流的冲力,即动量力F。冲击后的弃水经集水箱汇集后,再经上回水管流出,最后经漏斗和下回水管流回蓄水箱。

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并减小摩擦阻力对活塞的影响,本实验装置应用了自动控制反馈原理和动摩擦减阻技术,其构造如下:

带活塞和翼片的抗冲平板8和带活塞套的测压管7如图2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,出口端伸出活塞头部,出口方向与轴向垂直。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7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,使测压管内水位升高,水压力增大。反之,活塞外移,窄槽开大,水流外溢增多,测管内水位降低,水压力减小。在恒定射流冲击下,经短时段的自动调整,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高度的 ‰(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

三、实验原理

恒定总流动量方程为

                       

取脱离体如图2(右边)所示,因滑动摩擦阻力水平分力 ,可忽略不计,故x方向的动量方程化为

                   

                       

式中: ——作用在活塞形心处的水深;

    D——活塞的直径;

    Q——射流流量;

——射流的速度;

——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 ,由给定的管嘴直径d和活塞直径D,代入上式,便可率定射流的动量修正系数 值,并验证动量定律。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。

四、实验方法与步骤

1.准备   熟悉实验装置各部分名称、结构特征、作用性能,记录有关常数。

2.开启水泵    打开调速器开关,水泵启动23分钟后,关闭23秒钟,以利用回水排除离心式水泵内滞留的空气。

3.调整测压管位置    待恒压水箱满顶溢流后,松开测压管固定螺丝,调整方位,要求测压管垂直、螺丝对准十字中心,使活塞转动松快。然后旋转螺丝固定好。

4.测读水位    标尺的零点已固定在活塞圆心的高程上。当测压管内液面稳定后,记下测压管内液面的标尺读数,即 值。

5.测量流量    用体积法或重量法测流量时,每次时间要求大于20秒,需重复测三次再取均值。

6.改变水头重复实验    逐次打开不同高度上的溢水孔盖,改变管嘴的作用水头。调节调速器,使溢流量适中,待水头稳定后,按3-5步骤重复进行实验。

7.实验结束后,关闭水泵开关,拔下电源插头,放空水箱,擦干实验台和附近地面上的水迹。

注意事项:

1,实验量测一定要待水流稳定后才能进行。

2,每次测量流量后,水桶中的水要倒进装置中的回流接水槽,以免循环水不够。

3,注意爱护秒表、电子称等辅助实验工具。

五、实验成果及要求:

1.记录有关常数。                                 实验装置台号 No.        

    管嘴内径d=       cm,  活塞直径D=      cm

2.编制实验参数记录、计算表格并填入实验参数、实测数据(见表1)。

3.取某一流量,绘出脱离体图,阐明分析计算的过程(参见图2,及表1)。

六、实验分析与讨论:

1.实测 与公认值( )符合与否?如不符合,试分析原因。

2.带翼片的平板在射流作用下获得力矩,这对分析射流冲击无翼片的平板沿x方向的动量方程有无影响?为什么?

3.通过细导水管的分流,其出流角度与 相同,试问对以上受力分析有无影响?

4.滑动摩擦力 为什么可以忽略不计?试用实验来分析验证 的大小,记录观察结果。(提示:平衡时,向测压管内加入或取出1mm左右深的水,观察活塞及液位的变化)

(因滑动摩擦力 ‰,故可略而不计)。

测次

重量

时间T

流量Q

流速v

管嘴作用水头H0

活塞作用水头hc

动量力F

动量修正系数b1

1

2

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