动量定律实验

不可压缩流体定常流动量定律实验班级学号姓名实验日期指导教师北京航空航天大学流体所1不可压缩流体定常流动量定律实验一、实验目的要求1．验证不可压缩流体定常流的动量方程；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、实验装置本实验装置如下图所示：动量定律实验装置图1自循环供水器2实验台3可控硅无级调速器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2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hc可由测压管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，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如下左图所示。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，水流外滥增多，3测管内水位降低，水压力减小。在定常射流冲击下，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。三、实验原理定常流动量方程为)(1122vvQF其中β称为动量修正系数，是考虑到管道流速非均匀时，用一维流的动量流量来表达实际非均匀流的动量流量而引入的一个修正系数。取控制体如下图所示，设平板对控制体的作用力为xF，方向向左如图，由x方向动量方程：或射流作用在平板上的力大小与此相等，方向向右。射流产生的冲击力与测压管产生的压力相平衡，考虑到轴套之间的滑动摩擦阻力水平分力xf0.5%xF，可忽略不计，故24DhApFccx即)0(11xxvQFxxvQF11xcQvDh11244式中：hc——作用在活塞形心处的水深；D——活塞的直径；Q——射流流量；v1——射流的速度；β1——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hc，由给定的管嘴直径d和活塞直径D，代入上式，便可测定射流的动量修正系数β1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，即为作用在活塞形心处的水探。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2～3分钟后，关闭2～3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位置上。当测压管内液面稳定后，记下测压管内液面的标尺读数，即hc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10秒．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3-5步骤重复进行实验。7．收拾实验台，整理数据。五、实验报告要求1．简要写出实验原理和实验步骤。2．记录有关常数实验装置台号No2；管嘴内径（cm）d＝1.1855活塞直径（cm）D=1.9853．实验参数记录、计算表，并填入实测数据测次重量W/kg时间T/s活塞作用水头hc/cm流量Qcm3/s流速Vcm/s动量力F/N动量修正系数β1/cm2/s413.43413.5319.50253.806230.1320.5913781.012523.10913.7215.50226.603205.4660.4700691.009632.66713.707.80194.672176.5130.2365510.68844．取某一流量，给出控制体图，阐明分析计算的过程。解：取第一次测量数据进行分析计算：流333.434253.806/1/13.53WkgQcmsTgcms流速31222253.806/230.132/1.18544QcmsVcmsdcm由11xFQV及24xccFpAghD故2241141.0125/cghDcmsQV六、实验分析与讨论1．实测(平均动量修正系数)与公认值β=(1．02～1．05)符合与否?如不符合，试分析原因．答：实测1231()0.90353，与公认值β=(1．02～1．05)不符合。由三次实验数据可知，1，2与公认值β较接近，3误差较大。其可能原因是（1）第三次测量时流量过小，测量时间较短，因而误差较大；（2）第三次测量时，水未充满水管，管中出现大量大气泡，流速极不稳定，因而影响测量。62．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?答：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，是由射流冲击平板是，沿yz平面通过翼片造成动量矩的差所致。即222111222coscoscosyzyzyzTQvrQvrQvr，式中Q——射流的流量；1yzv——入流速度在yz平面上的分速；2yzv——出流速度在yz平面上的分速；1——入流速度与圆周切线方向的夹角，接近90°；2——出流速度与圆周切线方向的夹角；12,rr——分别为内、外圆半径。该式表明力矩T恒与x方向垂直，动量矩仅与yz平面上的流速分量有关。也就是说平板上附加翼片后，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，也不会影响x方向的流速分量。所以x方向的动量方程与平板上设不设翼片无关。3．通过细导水管的分流，其出流角度与v2相同，对以上受力分析有无影响?答：无影响。当计及该分流影响时，动量方程为即该式表明只要出流角度与v1垂直，则x方向的动量方程与设置细导水管与否无关。