工程流体力学实验报告（3代学生样版）

2-5 动量定律综合型实验

一、 实验目的和要求

1．通过定性分析实验，加深动量与流速、流量、出射角度、动量矩等因素间相关关系的了解；

2．通过定量测量实验，进一步掌握流体动力学的动量守恒定理，验证不可压缩流体恒定总流的动量方程，测定管嘴射流的动量修正因数；

3．了解活塞式动量定律实验仪原理、构造，启发创新思维。 二、 实验装置

1．实验装置简图

实验装置及各部分名称如图1所示。

45678910131211321 图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. 水泵电源开关

4. 水位调节阀

5. 恒压水箱 6. 喇叭型进口管嘴 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 11. 内置式稳压筒 12.传感器 13. 智能化数显流量仪

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2．装置结构与工作原理 （1）智能化数显流量仪。

配置最新发明的水头式瞬时智能化数显流量仪，测量精度一级。

使用方法：先调零，将水泵关闭，确保传感器联通大气时，将显示值调零。水泵开启后，流量将随水箱水位淹没管嘴的高度而变，此时流量仪显示的数值即为管嘴出流的瞬时流量值。

（2）测力机构。测力机构由带活塞套并附有标尺的测压管8和带活塞及翼片的抗冲平板9组成。分部件示意图如图2(a)所示。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，活塞套上设有泄水窄槽c。

泄水窄槽c抗冲平板9翼片b细导水管av2fx测压管8ypDqVv1v3活塞活塞套v2x

(a) (b)

图2 活塞构造与受力分析

（2）工作原理。为了精确测量动量修正因数?，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。工作时，活塞置于活塞套内，沿轴向可以自由滑移。在射流冲击力作用下，水流经导水管a向测压管8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8水位升高，活塞所受的水压力增大。反之，活塞外移，窄槽开大，水流外溢增多，测压管8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后，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，测压管中的液位达到稳定。此时，射流对平板的冲击力和测压管中水柱对活塞的压力处于平衡状态，如图2(b)所示。活塞形心处水深hc可由测压管8的标尺测得，由此可求得活塞的水压力，此力即为射流冲击平板的动量力F。

由于在平衡过程中，活塞需要做轴向移动，为此平板上设有翼片b。翼片在水

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流冲击下带动活塞旋转，因而克服了活塞在沿轴向滑移时的静摩擦力，提高了测力机构的灵敏度。本装置还采用了双平板狭缝出流方式，精确地引导射流的出流方向垂直于来流方向，以确保v2x＝0。

3．基本操作方法

(1)测压管定位。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。

(2)恒压水箱水位调节。旋转水位调节阀4，可打开不同高度上的溢水孔盖，调节恒压水箱5水位，管嘴的作用水头改变。调节调速器，使溢流量适中，待水头稳定后，即可进行实验。

(3)活塞形心处水深hc测量。标尺的零点已固定在活塞园心的高程上。当测压管内液面稳定后，记下测压管内液面的标尺读数，即为作用在活塞形心处的水深hc值。

(4)管嘴作用水头测量。管嘴作用水头是指水箱液面至管嘴中心的垂直深度。在水箱的侧面上刻有管嘴中心线，用直尺测读水箱液面及中心线的值，其差值即为管嘴作用水头值。

(5)测量流量。记录智能化数显流量仪的流量值。 三、 实验原理

恒定总流动量方程为

F??qV(?2v2??v 1)1取控制体如图2(b)，因滑动摩擦阻力水平分力 Ff < 0.5%Fx，可忽略不计，故x方向的动量方程可化为

Fx??pcA???ghcπ2D??qV(0??1v1x) 4即 ?1?qVv1x?π?ghcD2?0 4式中：hc—— 作用在活塞形心处的水深；

D —— 活塞的直径；

qV—— 射流的流量；

v1x—— 射流的速度；

?1 —— 动量修正因数。

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实验中，在平衡状态下，只要测得流量qV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，便可验证动量方程，并测定射流的动量修正因数 ?1值。

四、 实验内容与方法

1．定性分析实验

(1)观察、分析本实验装置中测力机构的结构创新点。

测射流冲击力的方法很多，装置各不相同，相比之下，本装置的测力机构测量方法简便，精度最高。本装置曾获国家发明专利，主要创新点有：

1） 将射流冲击力转变为活塞所受的静水总压力，用测压管进行测量。 2） 用双平板狭缝方式精确导流，确保v2x＝0。

3） 采用动摩擦减阻减少活塞轴向位移的摩擦阻力。带翼片的平板在射流作用

下获得力矩，使活塞在旋转中作轴向位移，到达平衡位置。活塞采用石墨润滑。

4） 利用导水管a和窄槽c的自动反馈功能，自动调节受力平衡状态下的测压

管水位。

5） 利用大口径测压管内设置阻尼孔板的方法，减小测压管液位的振荡。 (2) 测定本实验装置的灵敏度。

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柱高度的 5‰（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%（此量值越小，灵敏度越高），亦即活塞轴向动摩擦力不足总动量力的5‰。

(3) 验证v2x? 0对Fx 的影响。

取下平板活塞9，使水流冲击到活塞套内，便可呈现出回流与x方向的夹角

? >90?（即v2x ? 0）的水力现象[参图3(a)]。调整好位置，使反射水流的回射角度一致。以某动量实验台为例，某次实验测得作用于活塞套园心处的水深hc ?＝292mm，管嘴作用水头H0＝293.5 mm，而相应水流条件下，在取下带翼轮的活塞前，v2x＝0，hc＝196mm。表明v2x若不为零，对动量力影响甚大。因为v 2x不为零，

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