空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)：不可壓縮流體定常流動(dòng)量定律實(shí)驗(yàn)

不可壓縮流體定常流動(dòng)量定律實(shí)驗(yàn)姓 名班 級(jí)學(xué) 號(hào) 實(shí)驗(yàn)日期 同組姓名 北京航空航天大學(xué)流體所 不可壓縮流體定常流動(dòng)量定律實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊?1驗(yàn)證不可壓縮流體定常流的動(dòng)量方程； 2通過(guò)對(duì)動(dòng)量與流速、流量、出射角度、動(dòng)量矩等因素間相關(guān)性的分析研討，進(jìn)一步掌握流體動(dòng)力學(xué)的動(dòng)量守恒定理； 3了解活塞式動(dòng)量定律實(shí)驗(yàn)儀原理、構(gòu)造，進(jìn)一步啟發(fā)與培養(yǎng)創(chuàng)造性思維的能力。二、實(shí)驗(yàn)裝置 本實(shí)驗(yàn)裝置如下圖所示： 動(dòng)量定律實(shí)驗(yàn)裝置圖 1 自循環(huán)供水器 2 實(shí)驗(yàn)臺(tái) 3 可控硅無(wú)級(jí)調(diào)速器 4 水位調(diào)節(jié)閥 5 恒壓水箱 6 管嘴 7 集水箱 8 帶活塞的測(cè)壓管 9 帶活塞和翼片的抗沖平板 10 上回水管 自循環(huán)供水裝置1由離心式水泵和蓄水箱組合而成。水泵的開(kāi)啟、流量大小的調(diào)節(jié)均由調(diào)速器3控制。水流經(jīng)供水管供給恒壓水箱5，溢流水經(jīng)回水管流回蓄水箱。流經(jīng)管嘴6的水流形成射流，沖擊帶活塞和翼片的抗沖平板9，并以與入射角成90°的方向離開(kāi)抗沖平板?？箾_平板在射流沖力和測(cè)壓管8中的水壓力作用下處于平衡狀態(tài)?；钊涡乃頷c可由測(cè)壓管8測(cè)得。由此可求得射流的沖力，即動(dòng)量力F。沖擊后的棄水經(jīng)集水箱7匯集后，再經(jīng)上回水管10流出，最后經(jīng)漏斗和下回水管流回蓄水箱。 為了自動(dòng)調(diào)節(jié)測(cè)壓管內(nèi)的水位，以使帶活塞的平板受力平衡并減小摩擦阻力對(duì)活塞的影響，實(shí)驗(yàn)裝置應(yīng)用了自動(dòng)控制的反饋原理和動(dòng)摩擦減阻技術(shù)。其構(gòu)造如下： 帶活塞和翼片的抗沖平板9和帶活塞套的測(cè)壓管8如下左圖所示。該圖是活塞退出活塞套時(shí)的分部件示意圖?；钊行脑O(shè)有一細(xì)導(dǎo)水管a，進(jìn)口端位于平板中心，出口端伸出活塞頭部，出口方向與軸向垂直。在平板上設(shè)有翼片b，活塞套上設(shè)有窄槽c。 工作時(shí)，在射流沖擊力作用下，水流經(jīng)導(dǎo)水管a向測(cè)壓管內(nèi)加水。當(dāng)射流沖擊力大于測(cè)壓管內(nèi)水柱對(duì)活塞的壓力時(shí)，活塞內(nèi)移，窄槽c關(guān)小，水流外溢減少，使測(cè)壓管內(nèi)水位升高，水壓力增大。反之，活塞外移，窄槽開(kāi)大，水流外濫增多，測(cè)管內(nèi)水位降低，水壓力減小。在定常射流沖擊下，經(jīng)短時(shí)段的自動(dòng)調(diào)整，即可達(dá)到射流沖擊力和水壓力的平衡狀態(tài)。這時(shí)活塞處在半進(jìn)半出、窄槽部分開(kāi)啟的位置上。過(guò)a流進(jìn)測(cè)管的水量和過(guò)c外溢的水量相等。由于平板上設(shè)有翼片b，在水流沖擊下，平板帶動(dòng)活塞旋轉(zhuǎn)，因而克服了活塞在沿軸向滑移時(shí)的靜摩擦力。三、實(shí)驗(yàn)原理 定常流動(dòng)量方程為 其中 稱(chēng)為動(dòng)量修正系數(shù)，是考慮到管道流速非均勻時(shí)，用一維流的動(dòng)量流量來(lái)表達(dá)實(shí)際非均勻流的動(dòng)量流量而引入的一個(gè)修正系數(shù)。 取控制體如下圖所示，設(shè)平板對(duì)控制體的作用力為，方向向左如圖，F(xiàn)xv1v2v2xy由x方向動(dòng)量方程：或射流作用在平板上的力大小與此相等，方向向右。射流產(chǎn)生的沖擊力與測(cè)壓管產(chǎn)生的壓力相平衡，考慮到軸套之間的滑動(dòng)摩擦阻力水平分力 < 0.5 %，可忽略不計(jì)，故即 式中： hc作用在活塞形心處的水深； D活塞的直徑； Q射流流量； 1射流的速度； 1動(dòng)量修正系數(shù)。 實(shí)驗(yàn)中，在平衡狀態(tài)下，只要測(cè)得流量Q和活塞形心水深hc，由給定的管嘴直徑d和活塞直徑D，代入上式，便可測(cè)定射流的動(dòng)量修正系數(shù)1值，并驗(yàn)證動(dòng)量定律。其中，測(cè)壓管的標(biāo)尺零點(diǎn)已固定在活塞的圓心處，因此液面標(biāo)尺讀數(shù)，即為作用在活塞形心處的水探。 四、實(shí)驗(yàn)方法與步驟 1準(zhǔn)備：熟悉實(shí)驗(yàn)裝置各部分名稱(chēng)、結(jié)構(gòu)特征、作用性能，記錄有關(guān)常數(shù)。 2開(kāi)啟水泵：打開(kāi)調(diào)速器開(kāi)關(guān)，水泵啟動(dòng)23分鐘后，關(guān)閉23秒鐘，以利用回水排除離心式水泵內(nèi)滯留的空氣。 3調(diào)整測(cè)壓管位置：待恒壓水箱滿(mǎn)頂溢流后，松開(kāi)測(cè)壓管固定螺絲，調(diào)整方位。要求測(cè)壓管垂直、螺絲對(duì)準(zhǔn)十字中心，使活塞轉(zhuǎn)動(dòng)松快，然后旋轉(zhuǎn)螺絲固定好。 4測(cè)讀水位：標(biāo)尺的零點(diǎn)已固定在活塞圓心的位置上。當(dāng)測(cè)壓管內(nèi)液面穩(wěn)定后，記下測(cè)壓管內(nèi)液面的標(biāo)尺讀數(shù)，即hc值。 5測(cè)量流量：用體積法或重量法測(cè)流量時(shí)，每次時(shí)間要求大于10秒均需重復(fù)測(cè)三次再取均值。 6改變水頭重復(fù)實(shí)驗(yàn)：逐次打開(kāi)不同高度上的溢水孔蓋，改變管嘴的作用水頭。調(diào)節(jié)調(diào)速器，使溢流量適中，待水頭穩(wěn)定后，按3-5步驟重復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。 7收拾實(shí)驗(yàn)臺(tái)，整理數(shù)據(jù)。 五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1 簡(jiǎn)要寫(xiě)出實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)步驟，畫(huà)出實(shí)驗(yàn)裝置。2 記錄有關(guān)常數(shù)。 實(shí)驗(yàn)裝置臺(tái)號(hào)No _ ； 管嘴內(nèi)徑（cm）d _ ； 活塞直徑（cm）D = _ ；3 記錄實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)并計(jì)算。4 取某一流量，給出控制體圖，闡明分析計(jì)算的過(guò)程。測(cè)次重量W時(shí)間T活塞作用水頭hc流量Q流速V動(dòng)量力F動(dòng)量修正系數(shù)1123六、實(shí)驗(yàn)分析與討論 1實(shí)測(cè)(平均動(dòng)量修正系數(shù))與公認(rèn)值= (102105)符合與否?如不符合，試分析原因 2帶翼片的平板在射流作用下獲得力矩這對(duì)分析射流沖擊無(wú)翼片的平板沿x方向的動(dòng)量方程有無(wú)影響?為什么? 3通過(guò)細(xì)導(dǎo)水管的分流，其出流角度與v2相同，對(duì)以上受力分析有無(wú)影響? 5