动量定律-中国石油大学(华东)流体力学实验报告

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、实验装置本实验的装置如图5-1所示。12345678910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，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ch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，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，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。xyfx2v2vpDQv1v3abc图5-2图5-3三、实验原理恒定总流动量方程为2211FQvv取脱离体如图4-3所示，因滑动摩擦阻力水平分力0.5%fxFF，可忽略不计，故x方向的动量方程为211(0)4ccxFpAhDQv式中ch——作用在活塞形心处的水深；D——活塞的直径；Q——射流流量；xv1——射流的速度；1——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ch，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1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、实验要求1．记录有关常数。实验装置编号No.2管嘴内径：d1.205-210m；活塞直径：D2.005-210m2．编制实验参数记录、计算表格，并填入实测数据（见表5-1）。表5-1动量定律实验测量记录及计算表测次体积V-63/(10m)时间/st管嘴作用水头0H-2/(10m)活塞作用水头ch-2/(10m)流量Q-63/(10m)/s流速v-2/(10m/s)动量力F-5/(10N)动量修正系数11509420.2628.2018.50251.4314220.473057357242.221.0326222444720.3321.6014.00218.7408191.807584343318.431.0324693396920.9816.0010.50189.1802165.886727532488.831.0352543．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：663509410251.431410/20.2VQmst流速：62122244251.431410220.47305710/(1.20510)xQvmsd动量力：225980018.502.0051057242.21044ccFpAhDN动量修正系数：2611980018.502.00510==1.03262441000251.4314220.473057cxhDQv五、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ch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．验证02xv对xF的影响取下平板活塞，使水流冲击到活塞套内，调整好位置，使反射水流的回射角度一致，记录回射角度的目估值、测压管作用水深ch和管嘴作用水头0H。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(＝1.02～1.05)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？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。222111222coscoscosyzyzyzTQvrQvrQvr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。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不设翼片无关。3．若通过细导水管的分流，其出流角度与2v相同，试问对以上受力分析有无影响？无影响。在x方向上，根据动量定律，2222333111(+)4cxxxFhDQvQvQv，其中2xv、3xv均为0，最终211(0)4cxFhDQv，因此对受力分析无影响。4．滑动摩擦力xf为什么可以忽略不计？试用实验来分析验证的xf大小，记录观察结果。(提示：平衡时，向测压管内加入或取出lmm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0.5%fxFF，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。5．xv2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。如果2xv若不为零，则22112211)(cos)4cxxxFhvvQvv，根据上式，越大则对应的ch越大；反之，越小则对应的ch越小。