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1、实验五、动量定律实验一、实验目的1. 验证不可压缩流体稳定流的动量方程；2. 通过对动量与流速、流量、出射角度、动量矩等因素间相关性的分析研究，进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5-1所示。45678910图5-1动量定律实验装置图1自循环供水阀;2实验台;3可控硅无级调速器;4水位调节器；5恒压水箱；6管嘴；7集水箱；8带活塞套的测压管9带活塞和翼片的抗冲平板;10上回水管自循环供水装置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，
2、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9，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8中的水压力作用下处于平衡状态。活塞形心水深h可由测压c管8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7汇集后，再经上回水管10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的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击平板9和带活塞套的测压管8如图4-2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,
3、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。这时活塞处于半进半出、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。fx图
4、5-3pDQv1图5-2三、实验原理恒定总流动量方程为F，QGv一v）2211取脱离体如图4-3所示，因滑动摩擦阻力水平分力0.5%Fx，可忽略不计，古如方向的动量方程为兀CF，一pA，一丫hD2，Q（0一v）cc411x式中h作用在活塞形心处的水深；cD活塞的直径；Q射流流量；v1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1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、实验要求体积V/(10-6m3)时间t/s表5-1管
5、嘴作用水头H0/(10-2m)动量定律实验测量记录及计算表活塞作用水头hc/(10-2m)流量Q/(10-6m3/s)流速v/(10-2m/s)动量力F/(10-5N)动量修正系数509420.228.2018.50251.4314220.47305757242.21.03262444720.321.6014.00218.7408191.80758343318.41.0324239692(3.916.0010.50189.1802165.88672332488.81.0352985341. 记录有关常数。实验装置编号No.2管嘴内径：d1.205x10-2m；活塞直径：D=2.005x10-2
6、m2. 编制实验参数记录、计算表格，并填入实测数据(见表5-1)。测次1233.取某一流量，绘出脱离体图，阐明分析计算的过程(参见图5-3、5-2及表5-1)。取第一组数据为例进行分析:流量：Q:5O92ox20_62514314x10-6m3/s流速:4Q4x251.4314x10-6x(1.205x10-2)2220.473057x10-2m/s动量力:F=一pA=一hcc4D2=-9800x18.50x4x2.005x10-257242.2x10-5N动量修正系数：h兀D2980018.50兀2.005106c=1.0326214pQv41000251.4314220.4730571x五
7、、实验步骤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h值。c5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，若用电测仪测流量时，则须在仪器量程范围内。均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
8、作用水头。调节调速器，使溢流量适中，待水头稳定后，按35步骤重复进行实验。7.验证vH0对F的影响取下平板活塞，使水流冲击到活塞套内，调整好位置，使2xx反射水流的回射角度一致，记录回射角度的目估值、测压管作用水深h和管嘴作用水头cH。0六、注意事项若活塞转动不灵，会影响实验精度，需在活塞与活塞套的接触面上涂抹4B铅笔芯粉。七、问题分析1. 实测，与公认值（卩=1.021.05）符合与否？如不符合，试分析原因。实验所得,值为1.032622、1.032469、1.035254,均符合区间范围。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
9、？无影响。因为带翼片的平板垂直于x轴，作用在轴心上的力矩T是由射流冲击平板时沿yz平面通过翼片造成动量矩的差所致。TpQvcosar-pQvcosar,Qvcosaryz222yz111yz222Q射流的流量；v入流速度在yz平面上的分速；yz1v出流速度在yz平面上的分速；yz2a入流速度与圆周切线方向的夹角，接近90；1出流速度与圆周切线方向的夹角；2r,r分别为内、外圆半径。12通过上式可以看出力矩T恒与x方向垂直，动量矩仅与yoz平面上的流速分量有关。即平板上附加翼片后，尽管在射流作用下可获得力矩，但并不会产生x方向的附加力，从而不会影响x方向的流速分量。所以x方向的动量方程与平板上设
10、不设翼片无关。3. 若通过细导水管的分流，其出流角度与v相同，试问对以上受力分析有无影响？2无影响。兀在x方向上，根据动量定律，F丫hD2p（Q卩v+Q卩vQ卩v），c4222x333x111x兀其中v、v均为0,最终F-,hD2pQ（0-卩v），因此对受力分析无影响。2x3xc411x4滑动摩擦力f为什么可以忽略不计？试用实验来分析验证的f大小，记录观察结果。（提xx示：平衡时，向测压管内加入或取出1mm左右深的水量，观察活塞及液位的变化）。因假设实验中滑动摩擦力F0.5%F，故可略而不计。该部分验证试验未做，仅从理论上分析。在恒定流受压平平衡的状态下，若向测压管内注入1mm左右深的水时，活塞所受的静压力增大。假如活动摩擦力大于此值，则活塞不会作轴向移动；反之，若活塞很敏感地作左右移动，则自动调整测压管水位直至恢复为止。5v若不为零，会对实验结果带来什么影响？试结合实验步骤7的结果予以说明。2x如果v若不为零，则F一,h卩v一卩v）=pQ（vcosv），根据2xc422x11x2211x上式，越大则对应的h越大；反之，越小则对应的h越小。cc
