專利名稱：自循環(huán)電測動量定律實驗儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及實驗量測儀器，尤其涉及一種自循環(huán)電測動量定律實驗儀。
背景技術(shù)：
動量定律是流體力學(xué)、水力學(xué)的基本理論之一，其動量方程是理論力學(xué)中的動量定律在流體力學(xué)、水力學(xué)中數(shù)學(xué)表達(dá)式。它反映了流體運動的動量變化與作用力之間的關(guān)系，其特點在于不必知道流動范圍內(nèi)部的流動過程，而只需要知道其邊界上的流動情況即可，因而它可用來方便解決急變流中流體與邊界面之間的相互作用力問題。因此，動量定律的實驗是教學(xué)環(huán)節(jié)中不可缺少的內(nèi)容。
由于流體的流速u在過流斷面上的分布一般難以確定，為簡化研究起見，在工程實際中通常用斷面平均流速υ代替u計算總流動量，但按υ計算的動量與實際動量存有差異，所造成的誤差以動量修正因數(shù)β來修正。動量修正因數(shù)是表示單位時間內(nèi)通過端面的實際動量與單位時間內(nèi)以相應(yīng)的斷面平均流速通過的動量的比值。
目前，國內(nèi)外的同類實驗儀器測量動量力的方式都是采用機械測力的方法。然而傳統(tǒng)的動量實驗儀存在著一定弊端其一，為有一恒壓水位，必需有一個較大型的供水系統(tǒng)和溢流系統(tǒng)，占地面積大；其二，靠手工配重或機械平衡，平衡時間長，難穩(wěn)定；其三，機械測力，機械傳力機構(gòu)間不可避免地存在著摩擦，或其他外力影響，影響實驗精度，絕大部分實驗設(shè)備既不能定量地驗證動量定律，更無法測定射流的動量修正系數(shù)；其四，實驗操作煩瑣、費時，且要求作用水頭高(5～10米以上)、需水量大、能耗高。所以，國內(nèi)有不少院校不得已取消了動量定律這項重要實驗。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的是提供一種自循環(huán)電測動量定律實驗儀。
它具有自循環(huán)供水器、在自循環(huán)供水器內(nèi)設(shè)有水泵，自循環(huán)供水器與恒壓水箱下口通過上水管和下水管連接，恒壓水箱與回水管道相接，回水管道尾部出口下設(shè)自循環(huán)回水裝置，恒壓水箱側(cè)壁開有穩(wěn)壓孔，恒壓水箱內(nèi)設(shè)有變水頭溢流板、穩(wěn)水板及工作板，穩(wěn)水板側(cè)向開有穩(wěn)水孔，工作板上設(shè)置出流管嘴，溢流板、穩(wěn)水板和工作板將恒壓水箱內(nèi)劃分為溢流區(qū)、穩(wěn)水區(qū)、恒壓區(qū)和回水區(qū)，在出流管嘴相對應(yīng)側(cè)恒壓水箱側(cè)壁上裝載沖擊平板，沖擊平板依次連接力傳感器、電測儀。沖擊平板具有導(dǎo)向板、受沖平板，在導(dǎo)向板、受沖平板之間設(shè)有導(dǎo)流槽。
本實用新型的優(yōu)點1)一改以往結(jié)構(gòu)龐大的作法，將其整個實驗系統(tǒng)縮小簡化，操作簡便直觀，且適合于現(xiàn)代教學(xué)要求，同時也節(jié)省了實驗布置場地；2)采用了獨立自循環(huán)恒壓供水系統(tǒng)，重復(fù)利用實驗水體，節(jié)約資源；3)首創(chuàng)運用力傳感器測動量力，精確直觀；4)專門設(shè)置出流定向?qū)Я餮b置，消除外力影響，數(shù)據(jù)更精確可靠。


圖1是自循環(huán)電測動量定律實驗儀結(jié)構(gòu)示意圖；圖2(a)是本實用新型導(dǎo)流平板結(jié)構(gòu)側(cè)視圖；圖2(b)是本實用新型導(dǎo)流平板結(jié)構(gòu)正視圖；圖3(a)是本實用新型喇叭型進口管嘴(l＝3d)出口處的流速分布正視圖；圖3(b)是本實用新型喇叭型進口管嘴(l＝3d)出口處的中剖面流速分布側(cè)視圖。
具體實施方式
自循環(huán)電測動量定律實驗儀具有自循環(huán)供水器1、在自循環(huán)供水器1內(nèi)設(shè)有水泵，自循環(huán)供水器1與恒壓水箱3下口通過上水管和下水管連接，恒壓水箱3與回水管道19相接，回水管道19尾部出口下設(shè)自循環(huán)回水裝置11，恒壓水箱3側(cè)壁開有穩(wěn)壓孔2，恒壓水箱3內(nèi)設(shè)有變水頭溢流板4、穩(wěn)水板5及工作板6，穩(wěn)水板5側(cè)向開有穩(wěn)水孔，工作板6上設(shè)置出流管嘴7，溢流板4、穩(wěn)水板5和工作板6將恒壓水箱內(nèi)劃分為溢流區(qū)15、穩(wěn)水區(qū)16、恒壓區(qū)17和回水區(qū)18，在出流管嘴7相對應(yīng)側(cè)恒壓水箱3側(cè)壁上裝載沖擊平板8，沖擊平板8依次連接力傳感器9、電測儀10。所述的沖擊平板8具有導(dǎo)向板12、受沖平板14，在導(dǎo)向板12、受沖平板14之間設(shè)有導(dǎo)流槽13。
本實用新型的工作過程是啟動自循環(huán)供水器內(nèi)水泵，自循環(huán)供水器向恒壓水箱內(nèi)供水，待恒壓水箱內(nèi)水位恒定，出流管嘴內(nèi)均勻射出水柱，沖擊沖擊平板，其沖擊力可由力傳感器感應(yīng)，傳遞到電測儀，由電測儀直接數(shù)值顯示。
本實用新型的實驗裝置，其工作原理，是基于恒定總流的動量定律，其方程式為F→=ρQ(β2υ→2-β1υ→1)]]>
(1)若定義水流的來流方向為x方向，則x方向的動量定律方程為Fx＝ρQ(β2υ2x-β1υ1x)(2)由于水流在沖擊平板之后，沿導(dǎo)流槽(與來流方向呈90°角)射出，故υ1x＝υ1、υ2x＝υ2cos90°＝0，則x方向的動量定律方程可化為Fx＝ρQ(0-β1υ1)＝-ρQβ1υ1(3)以上3式中 ——動量力矢量；ρ——流體的密度；Q——流體的流量；β1、β2——分別為流入和流出沖擊平板的流體的動量修正因素； ——分別為流入和流出沖擊平板的流體的平均速度矢。
本實驗動量力可待恒壓水箱內(nèi)水頭穩(wěn)定之后，直接經(jīng)電測儀讀數(shù)讀?。蝗魷y得回水管道內(nèi)流量Q、出流管嘴管徑，再讀取相應(yīng)狀態(tài)下動量力數(shù)值，可計算得出該出流水體的動量修正因數(shù)。
實驗內(nèi)容(1)測量水流的動量力Fx。
啟動自循環(huán)供水器內(nèi)水泵，自循環(huán)供水器向恒壓水箱內(nèi)供水，待恒壓水箱內(nèi)水位恒定之后，出流管嘴內(nèi)射出均勻水流，直接沖擊沖擊平板，其沖擊力可由力傳感器感應(yīng)，傳遞到電測儀，電測儀表頭顯示數(shù)值即為水流的動量力Fx。
(2)設(shè)置出流導(dǎo)向裝置，消除垂直出流分量使υ2x＝0。動量方程Fx＝ρQ(β2υ2x-β1υ1x)中的υ2x，傳給實驗儀器，由于沒有導(dǎo)向裝置，υ2x往往不完全為零，本實驗裝置采用—帶導(dǎo)向板、導(dǎo)流槽的沖擊平板與射流的入射速度矢量 相垂直，射流沖擊平板后，通過平板上的導(dǎo)流槽，沿垂直于x軸方向離開沖擊平板，因此達(dá)到了嚴(yán)格控制速度矢量 與入口速度矢量 成90°角，使動量定律中υ2x＝0。
動量方程可簡化為
Fx＝ρQ(β2υ2x-β1υ1x)＝ρQ(0-β1υ1x)(3)測定水流的動量修正因數(shù)β。
本實驗裝置，經(jīng)上述實驗內(nèi)容(1)，測得該水流的動量力Fx，同時測得相應(yīng)狀態(tài)下回水管道內(nèi)流量Q以及出流管嘴的管徑d，由此可計算得出流速υ1x，運用動量方程Fx＝ρQ(β2υ2x-β1υ1x)可計算得出該出流水體的動量修正因數(shù)β。
(4)驗證υ2x≠0對Fx的影響。
以某次實驗為例，本實驗裝置，經(jīng)上述實驗內(nèi)容(1)，測得該水流的動量力Fx值為51.5克(即0.505牛頓)，更換平板，使水流沖擊到平板后，呈現(xiàn)出回流與x方向的有一夾角α＞90°(即υ2x≠0)的水力現(xiàn)象。調(diào)整好位置，使反射水流的回射角度—致。測得反射角α≈135°，力傳感器測得動量力Fx′值為76.0克(即0.746牛頓)。表明υ2x若不為零，對動量力影響甚大。因為υ2x不為零，則動量方程變?yōu)镕x＝ρQ(β2υ2x-β1υ1x)＝-ρQ[β1υ1x+β2υ2cos(180°-α)]就是說Fx′隨υ2及α遞增。
成果分析(1)測定本實驗裝置的精度。
根據(jù)動量方程F→=ρQ(β2υ→2-β1υ→1),]]>x方向的動量定律方程可簡化為Fx＝ρQ(0-β1υ1)＝-ρQβ1υ1故測得動量修正因素β精度受到Fx、Q、υ1三個因素的精度影響，動量力Fx精度與力傳感器的精度有關(guān)，Q、υ1精度與水流恒定有關(guān)。針對上述三個因素，本實驗裝置中，對相應(yīng)機構(gòu)有專門設(shè)計。對于測定Fx值的力傳感器，這類設(shè)備目前國內(nèi)技術(shù)已較成熟，在本裝置中，選用感量為0.5克的重量力傳感器，經(jīng)某次實驗測試，實測沖擊力為51.5克(即0.505牛頓)，且穩(wěn)定在51.5克(即0.505牛頓)，故其偏差率ϵ=±0.551.5×2×100%=±0.485<±0.5%.]]>在恒定水流方面，本裝置在恒壓水箱上做了多道恒壓措施首先在恒壓水箱側(cè)壁開設(shè)穩(wěn)壓孔，與大氣連通；其次在恒壓水箱內(nèi)設(shè)有變水頭溢流板，保證水箱內(nèi)有恒定水位，多余水量經(jīng)溢流板溢流，由回水管道流回供水箱內(nèi)；第三，在恒壓水箱還設(shè)置穩(wěn)水板。經(jīng)實驗測試，某次流量，經(jīng)體積法四次測量，每次測量時間均在20秒以上，測得流量分別為251.3ml/s、251.9ml/s、251.7ml/s、251.4ml/s，平均流量為251.6ml/s，故其最大偏差率ϵ=±(251.9-251.3)251.6×2×100%=±0.119%<±0.5%.]]>所以本實驗裝置的精度可以達(dá)到1％以上。因此，本實用新型使動量教學(xué)實驗儀第一次實現(xiàn)了用電測的方法高精度地測量到了動量力Fx，甚至動量修正因素β值。
(2)沖擊平板上設(shè)置導(dǎo)向板和導(dǎo)流槽的作用。
以往的動量實驗設(shè)備上，沖擊平板就是一塊單純的平板，水流在沖擊平板之后，沿平板，垂直于來流方向，向四周出流。這種沖擊方式，水流沖擊平板，看似平板只受到一個外力作用，其實不然，水流在沖擊平板之后，形成一個覆于平板表面的一個水層，由于彈性作用，水層有一個與原水流方向相反的初速度，但受水粘滯力影響，依舊貼附在平板表面，對平板形成一個與水沖擊力方向相反拉力，因此，由力傳感器測到的動量力，其實是兩個力的合力，而這個合力往往比真實的動量力要小很多。例如，我們做了一次實驗，當(dāng)水的動量力為46.5克(即0.456牛頓)時，通過該種平板，力傳感器感應(yīng)到的力只有41.0克(即0.402牛頓)。這也是以往許多動量實驗設(shè)備無法準(zhǔn)確測定動量力的一個原因之一，動量修正因素值就更無從測量啦。區(qū)別于以往的沖擊平板，在本動量發(fā)明實驗裝置里，沖擊平板上專門發(fā)明設(shè)置了導(dǎo)向板和導(dǎo)流槽，水流經(jīng)沖擊平板之后，垂直于來流方向，沿平板與導(dǎo)向板間的導(dǎo)流槽形成滿管流向四周出流。沖擊后的水流對平板的拉力，由導(dǎo)向板對該水流產(chǎn)生一個反作用力抵消，從而使拉力這個外力變成沖擊平板上的一個內(nèi)力，不影響力傳感器測定，力傳感器測到的數(shù)值，即真正的動量力數(shù)值。這也是發(fā)明本實驗裝置的一項重要內(nèi)容。
(3)管嘴出流的動量修正因素理論值分析演擬。
由實驗資料與管道進口段邊界層發(fā)展理論得知，喇叭型進口管嘴(l＝3d)出口處的流速分布，如圖3所示據(jù)動量修正因素定義有β0=∫Au2dAυ2A]]>(4)其中υ＝Q/A； umax=2gH0]]>(H0為管嘴作用水頭)。
為積分(4)式，令J＝Δr/RJ值計算如下Q＝Q1+Q2＝μπR2umax(5)而 (6)Q2=∫A2u2dA2=∫r1Ru1Δr(R-r)2πrdr]]> (7)聯(lián)立(5)、(6)、(7)式并化簡可得 解得 (8)又因β0=∫A1u12dA1+∫A2u22dA2υ2A]]> ∫A2u22dA2=∫R-ΔrR[u1Δr(R-r)]22πrdr]]> 所以得
根據(jù)畢托管實驗結(jié)果，主流區(qū)有＝0.993～0.996。
根據(jù)孔口管嘴實驗結(jié)果，對喇叭型進口管嘴有μ＝0.93～0.95。最后可得J＝0.04673～0.06543β0＝1.031～1.047因此，經(jīng)驗值β0＝1.02～1.05是可信的。
權(quán)利要求1.一種自循環(huán)電測動量定律實驗儀，其特征在于它具有自循環(huán)供水器(1)、在自循環(huán)供水器(1)內(nèi)設(shè)有水泵，自循環(huán)供水器(1)與恒壓水箱(3)下口通過上水管和下水管連接，恒壓水箱(3)與回水管道(19)相接，回水管道(19)尾部出口下設(shè)自循環(huán)回水裝置(11)，恒壓水箱(3)側(cè)壁開有穩(wěn)壓孔(2)，恒壓水箱(3)內(nèi)設(shè)有變水頭溢流板(4)、穩(wěn)水板(5)及工作板(6)，穩(wěn)水板(5)側(cè)向開有穩(wěn)水孔，工作板(6)上設(shè)置出流管嘴(7)，溢流板(4)、穩(wěn)水板(5)和工作板(6)將恒壓水箱內(nèi)劃分為溢流區(qū)(15)、穩(wěn)水區(qū)(16)、恒壓區(qū)(17)和回水區(qū)(18)，在出流管嘴(7)相對應(yīng)側(cè)恒壓水箱(3)側(cè)壁上裝載沖擊平板(8)，沖擊平板(8)依次連接力傳感器(9)、電測儀(10)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種自循環(huán)電測動量定律實驗儀，其特征在于，所述的沖擊平板(8)具有導(dǎo)向板(12)、受沖平板(14)，在導(dǎo)向板(12)、受沖平板(14)之間設(shè)有導(dǎo)流槽(13)。
專利摘要本實用新型公開了一種自循環(huán)電測動量定律實驗儀。它具有自循環(huán)供水器、在自循環(huán)供水器內(nèi)設(shè)有水泵，自循環(huán)供水器與恒壓水箱下口通過上水管和下水管連接，恒壓水箱與回水管道相接，回水管道尾部出口下設(shè)自循環(huán)回水裝置，恒壓水箱側(cè)壁開有穩(wěn)壓孔，恒壓水箱內(nèi)設(shè)有變水頭溢流板、穩(wěn)水板及工作板，穩(wěn)水板側(cè)向開有穩(wěn)水孔，工作板上設(shè)置出流管嘴，溢流板、穩(wěn)水板和工作板將恒壓水箱內(nèi)劃分為溢流區(qū)、穩(wěn)水區(qū)、恒壓區(qū)和回水區(qū)，在出流管嘴相對應(yīng)側(cè)恒壓水箱側(cè)壁上裝載沖擊平板，沖擊平板依次連接力傳感器、電測儀。本實用新型采用了獨立自循環(huán)恒壓供水系統(tǒng)，操作簡便直觀；首創(chuàng)力傳感器測動量力，精確直觀；專門設(shè)置出流定向?qū)Я餮b置，消除外力影響，數(shù)據(jù)更精確可靠。
文檔編號G09B23/08GK2870038SQ200620100459
公開日2007年2月14日 申請日期2006年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月18日
發(fā)明者毛根海, 楊元, 周武合, 魏曉東, 劉捷, 陳少慶, 胡衛(wèi)紅 申請人:浙江大學(xué)