流体力学动量定律综合性实验一、实验目的与要求测定射流对平板的冲击力，验证不可压缩流体恒定流的动量方程；了解动量与流速、流量、出射角 度、动量矩等概念，测定动量修正系数；了解活塞式动量定律实验仪原理、构造及其使用方法，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6.1所示图6.1动量定律综合型实验装置图1. 自循环供水器 2.实验台 3.可控硅无极调速器 4.水位调节阀 5.恒压水箱 6.管嘴 7.集水 箱 8.带活塞的测压管 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，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可由测压管8测得，由此可求得射流的冲 c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少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平板9和带活塞套的测压管8如图3.4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，测压管内水位降低，水压力减少。在恒定射流冲击下，经短时 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。为验证本装置的灵敏度，只要在实验中的恒定流受力平恒状态下，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土5%。（约0.5-lmm），活塞在旋转下亦能有效地克服动摩擦 力而作轴向位移，开大或减少窄槽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%。图6.3图6.2三、实验原理恒定总流动量方程为取脱离体如图3.5所示，因滑动摩擦阻力水平分力/ 0.5%F，可忽略不计，故x方向的动量方程化xX为B u )1 1xpA = - Yh D2= pQ(0cc 4B pQu -n y hD2 = 01 1x 4 c式中：h作用在活塞形心处的水深；D活塞的直径；Q射流流量；u 射流的流速;c1xB 动量修正系数。实验中，在平衡状态下，只要测的流量Q和活塞形心水深h,由给定的管嘴直径d和活塞直径D,c代入上式，便可率定射流的动量修正系数B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，以利用回水排出离心式水 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，则需 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u H0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，使反射水流的 2x X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H。CO五、实验成果及要求1. 记录有关常数实验装置台号No管嘴内经d =cm活塞直径D二cm。2. 设计实验参数记录、计算表，并填入实验数据。3. 取某一流量，绘出脱离体图，阐明分析计算的过程。六、实验分析与讨论1. 实测B （平均动量修正系数）与公认值（B = 1.02 1.05 ）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若通过细导水管的分流，其出流角度与u相同，对以上受力分析有无影响？24滑动摩擦力/为什么可以忽略不计？使用实验来分析验证/的大小，记录观察结果。（提示：平xx衡时，向测压管内加入或取出1 mm左右深的水量，观察活塞及液位的变化）。5. u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