專利名稱：活塞式動量定律實驗儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于實驗量測儀器。
流體動量定律是流體力學(xué)、水力學(xué)的基本理論之一，動量定律的實驗是教學(xué)環(huán)節(jié)中不可缺少的內(nèi)容。動量定律實驗儀器有射流沖擊式和射流反作用式二類。前者是使射流直接沖擊在平板上并測定平板所承受的沖擊力，后者是測定水流自容器中射出時的反作用力。盡管形式不同，但目前國內(nèi)外的各種儀器在測量動量力的方式上，都是采用加重物的方法。例如目前國內(nèi)外使用最普遍的一種動量定律實驗儀，其方式是使射流向上沖擊在一塊水平倒置的平板上，平板在射流沖擊力作用下壓縮背后的彈簧，使其偏離平衡位置而產(chǎn)生向上的位移。然后，對平板施加重物壓回到原來的平衡位置上。這時所加的重物重量即為射流沖擊平板的動量力。這種測量儀器的缺點是由于射流的紊動和彈簧的彈性波動使平板上下串動，很不穩(wěn)定，測量精度只能達(dá)到0.1，甚至為0.3～0.5，因此實驗結(jié)果不能定量地驗證動量定律，更無法測定射流的動量修正系數(shù)。另外，操作麻煩，實驗費時，要求作用水頭高(5～10米以上)，需水量大，能耗高。
本發(fā)明的目的是設(shè)計一種動量定律實驗儀，利用水壓直接測定動量力及動量修正系數(shù)，測量精度高、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便。
本發(fā)明的主要結(jié)構(gòu)如圖1所示由動量管8、射流恒壓供水裝置1、4、集水器7、10所組成。動量管8是由一面裝有葉片15和導(dǎo)流板14另一面固定有活塞12的沖擊平板11、活塞套18、導(dǎo)流管13、泄水窄槽19、測壓管16及標(biāo)尺17組合而成。帶葉片的沖擊平板11應(yīng)與軸向的入口速度矢量
垂直，因而出口速度矢量
與入口速度矢量
成90°角?；钊诨钊變?nèi)能自由滑動，導(dǎo)水管設(shè)在活塞內(nèi)，一端進(jìn)水入口固定在沖擊平板的中央，另一端出口穿過活塞底面，泄水窄槽設(shè)在活塞套的壁面，活塞套與測壓管為一體或密封連結(jié)成一體，射流恒壓供水裝置是由恒壓供水箱1、孔口或管嘴式的射流噴頭4所組成;也可以由恒壓供水管5和射流噴頭4直接聯(lián)接而成。集水器由集水箱7和排水管10所組成，通過定位螺絲9將測壓管固定在集水箱上。
本發(fā)明的工作過程是恒定壓力作用下的水流經(jīng)射流噴頭4形成射流噴射到?jīng)_擊平板11上，再沿著葉片構(gòu)成的流道穿過導(dǎo)向板14與平板11之間的狹縫，然后與入射流成90°的方向離開沖擊平板11。平板在射流沖擊作用下推動活塞12向活塞套18內(nèi)滑動。當(dāng)活塞12被全部推進(jìn)活塞套18時，活塞處于極限位置，泄水窄槽19被活塞全部封閉。這時，在射流沖擊下，一小股水流經(jīng)導(dǎo)水管13和活塞套18流入測壓管，使測壓管中液位上升，測壓管中的液柱對活塞作用有與射流方向相反的壓力。當(dāng)測壓管中的水位超過一定高度時，活塞受到的水壓力便大于射流的動量力，且會推動活塞向外移動。于是，泄水窄槽被部分開啟，測壓管中的水通過泄水窄槽排泄掉，水位降落。若水位降落過多，射流動量力大于水壓力時，活塞又會向里移動，自動調(diào)節(jié)泄水量和水位，直至測壓管中的水柱對活塞的作用力與射流對平板的沖擊動量力相等，且自導(dǎo)水管13流進(jìn)的水量和自泄水窄槽19流出的水量相等、測壓管液柱高度穩(wěn)定不變?yōu)橹?。但由于活塞移動時有較大的摩擦阻力存在，精度不可能較高。為了克服這個摩擦阻力，在沖擊平板上設(shè)有葉片15，當(dāng)水流流過葉片時，帶葉片的平板受到轉(zhuǎn)動力矩的作用，就能帶動活塞一起不停地轉(zhuǎn)動，大大減少活塞移動時的摩擦力。實驗證明，活塞在轉(zhuǎn)動中沿軸向移動的摩擦力低于沖擊力的0.5%，可以忽略不計。這樣，只要測得活塞所受到的水壓力便可得知射流的動量力。集水箱7的作用一是防水花外濺，二是用以固定動量管，三是匯集水流，匯集后的水流最后經(jīng)排水管10排出，并在排水管的出口處測量射流流量。
本發(fā)明的實驗原理基于恒定總流的動量定律，其方程式為
以帶活塞的平板為受力體，取脫離體如附圖4所示。因摩擦阻力fx可忽略不計，在x方向上的動量方程為α01ρQV1X- (π)/4 γhD2＝0其中V1X＝4Q/πd2上三式中
-動量力矢量;
ρ-流體的密度;
Q-流體的流量;
α01、α02-分別為流入和流出脫離體的流體的動量修正系數(shù);
-分別為流入和流出脫離體的流體的平均速度矢;
V1X-沿x方向流入脫離體的流體平均速度;
γ-流體的重度;
h-作用在活塞底面圓心處的測壓管水柱高度;
D-活塞的直徑;
d-射流噴頭出口處的內(nèi)徑。
實驗中，在平衡狀態(tài)下，只要測量出Q、h、D、d值，便可驗證動量定律及測定射流的動量修正系數(shù)α01值。


圖1是活塞式動量定律實驗儀結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是動量管結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是圖2所示的沖擊平板A向視圖。
圖4是計算附圖。
諸圖中符號意義圖中1是射流恒壓供水箱，2是穩(wěn)壓孔板，3是溢流板，4是射流噴頭，5是進(jìn)水管，6是溢流管，7是集水箱，8是動量管，9是定位螺絲，10是排水管，11是沖擊平板，12是活塞，13是導(dǎo)水管，14是導(dǎo)向板，15是葉片，16是測壓管，17是標(biāo)尺，18是活塞套，19是泄水窄槽。
作為實施例，本發(fā)明已在我校實驗室內(nèi)試制成功。這一實施例的射流恒壓供水裝置為一恒壓水箱，射流噴頭為一管嘴，水箱長×寬×高＝35×18×40厘米3，管嘴d＝1.20厘米，供水箱的作用水頭H＝13～30厘米，最大射流量Qmax＝300厘米3/秒左右，活塞直徑D＝2.0厘米，平衡時活塞中心點上的測壓管高度為h＝12～25厘米。實際測量精度達(dá)到0.01以內(nèi)。完全滿足教學(xué)要求。本實施例所用的恒壓水箱、沖擊平板、活塞、活塞套、測壓管、集水箱等部件皆為透明有機玻璃制成，便于觀察，結(jié)構(gòu)輕便美觀。部分學(xué)生試做了實驗，反映教學(xué)效果很好。
本發(fā)明的優(yōu)點是測量方便、穩(wěn)定、精度高，不但能驗證動量定律，還能方便地測定射流的動量修正系數(shù)，且省水節(jié)能，應(yīng)用廣，社會效益顯著。
本發(fā)明突破了長期沿用的加重物測定動量力的傳統(tǒng)方法，代之以作用于活塞上的水壓力來抗衡射流對平板沖擊所產(chǎn)生的動量力，將動量力的測量轉(zhuǎn)換為流體內(nèi)點壓強的測量，且設(shè)置了導(dǎo)水管和泄水窄槽等能自動調(diào)整水壓力的結(jié)構(gòu)。有效地克服了加重法的動態(tài)波動和由人工配重來達(dá)到平衡所造成的煩鎖、費時、精度低等弊端。經(jīng)實施例的實驗表明，本發(fā)明達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需的時間，自射流沖擊平板開始僅需1分半鐘左右。因而可使動量定律實驗的時間由原來的50分鐘左右減少到20分鐘左右，又由于葉片能使活塞不停地旋轉(zhuǎn)而有效地克服了活塞沿軸向移動時的摩擦力，如本實施例的實驗中，測得平衡狀態(tài)下測壓管的高度h為20.5厘米，然后我們用吸管吸掉測壓管內(nèi)液體約0.1厘米左右，結(jié)果在活塞的自動調(diào)節(jié)下，水位又會很快回復(fù)到20.5厘米。相反，我們又向測壓管內(nèi)加入約0.1厘米的水，同樣能在活塞的自動調(diào)節(jié)下回復(fù)到20.5厘米，證明這種儀器具有很高的靈敏度。一般管嘴射流的動量修正系數(shù)α01為1.02～1.05左右，如儀器本身誤差已超過5%，儀器只能定性驗證動量定律而不能測量α01值，這就是以往任何一種動量定律實驗儀都無法測定動量修正系數(shù)的原因。由于本發(fā)明的測量精度可達(dá)0.01以內(nèi)，故可較準(zhǔn)確地測定α01值，這是前無僅有的創(chuàng)造。本實施例實測得圓孤進(jìn)口管嘴出流的動量修正系數(shù)為1.03。
本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于大學(xué)及中等專業(yè)技術(shù)學(xué)校有關(guān)機械、建筑、水利、環(huán)保、化工、冶金、交通、航空等專業(yè)的工程流體力學(xué)的教學(xué)實驗，是現(xiàn)有動量定律儀的更新?lián)Q代儀器。因此，具有很大的社會效益。
權(quán)利要求
1.活塞式動量定律實驗儀，是將水經(jīng)射流噴頭噴射到?jīng)_擊平板，通過測力機構(gòu)測定出動量力，本發(fā)明的特征是所述沖擊平板(11)的一面裝有葉片(15)和導(dǎo)流板(14)，另一面有活塞(12)，活塞能在同軸的活塞套(18)內(nèi)自由滑動，活塞套與測壓管(16)為一體或密封連結(jié)成一體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的實驗儀，其特征是帶葉片的沖擊平板(11)應(yīng)與軸向的入口速度矢
垂直。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的實驗儀，其特征是在活塞(12)內(nèi)裝有導(dǎo)水管(13)，其進(jìn)水口的一端固定在沖擊平板(11)的中央，出水口的一端則穿過活塞底面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的實驗儀，其特征是在活塞套(18)的壁面設(shè)有泄水窄槽(19)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的實驗儀，其特征是測壓管(16)由定位螺絲(9)固定在集水箱(7)上，測壓管的表面刻有標(biāo)尺(17)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的實驗儀，其特征是恒壓供水箱(1)、沖擊平板(11)、活塞(12)、活塞套(18)、測壓管(16)和集水箱(7)均為透明有機玻璃制成。
全文摘要
本活塞式動量定律實驗儀，改變了傳統(tǒng)加重物的測量方法，而代之以作用于活塞上的水壓力來抗衡射流對平板沖擊所產(chǎn)生的動量力，將動量力的測量轉(zhuǎn)換為流體內(nèi)點壓強的測量。它還具有能使水壓力自動與動量力相平衡以及能有效消除活塞滑動摩擦力的特殊結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的優(yōu)點是測量方便、穩(wěn)定、精度高、省水節(jié)能，既可驗證動量定律，又能測定射流的動量修正系數(shù)，是流體力學(xué)教學(xué)實驗的換代儀器。
文檔編號G09B23/12GK1052385SQ89109218
公開日1991年6月19日 申請日期1989年12月8日 優(yōu)先權(quán)日1989年12月8日
發(fā)明者毛根海 申請人:浙江大學(xué)