一种验证水力学动量定律的实验装置的制作方法

1.本发明专利涉及一种利用液体压强验证水力学动量定律的实验装置，涉及水力学和流体力学实验技术。


背景技术：

2.流体的水力学动量定律是水力学的基本理论之一，水力学动量定律的验证实验也是教学环节中不可缺少的内容。目前普遍使用的测量装置有两类，射流冲击式或射流反作用式实验仪和活塞式动量实验仪。
3.射流冲击式或射流反作用式实验仪，前者是使射流直接冲击在平板上并测定平板所承受的冲击力，后者是测定水流自容器中射出时的反作用力，都是使用重物抵消水射流作用在挡板上的冲击力。活塞式动量实验仪，使用时水射流对平板产生冲击力，平板推动活塞，最终活塞另一侧的液体压强与水射流产生的冲击力平衡，是使用液体压强抵消水射流作用在活塞上的冲击力。
4.另外，对于目前水力学教学中采用的杠杆定理测量流体流动冲击力的实验装置来说，由于平衡时的杠杆属于介稳体系,而处于紊态的流体的冲击力发生微小扰动就会导致杠杆出现晃动，会极大地影响读数的准确性，产生较大的实验误差。


技术实现要素：

5.装置作用：本发明专利提供了一种利用液体压强验证水力学动量定律的实验装置，并且减少实验误差的实验装置。
6.工作原理：蓄水箱中的水自流体出口流出，在楔形体处沿上出水管改变水流方向，水流对楔形体产生水平轴向冲击力r，与测压管中对活塞的液体压强p达到平衡。通过右侧两阀门的控制可分别测得上出水管1流量q1，液体流速v1，动量修正系数β1；上出水管2流量q2，液体流速v2，动量修正系数β2；总流量为q1 q2，初始速度v，动量修正系数β0。楔形体上边界与水平轴线夹角为α1，下边界与水平轴线夹角为α2。由流体的动量定理可得水流在水平方向的冲击力r＝ρq(β1v1cosα1 β2v2cosα
2-β0v)。测压管中读数(液面距活塞形心距离)为h，当地重力加速度为g，液体密度为ρ，活塞面积为a0，可得液体对活塞压力p＝ρgha。水流在水平方向的冲击力与液体压强在活塞处平衡，即q(β1v1cosα1 β2v2cosα
2-β0v)＝gha。
7.在实验中，只需测量出v1、v2、h、v，即可验证水力学动量定律，改变流速后进行多组实验，即可测定射流的动量修正系数β1、β2和β0的值。
8.为解决上述问技术问题，本发明专利采用的技术方案为：
9.一种验证水力学动量定律的实验装置，其特征是，包括实验装置和循环装置，所述实验装置为方形容器，放置在实验桌上，所述实验装置包括做蓄水箱、溢流板、水容器、测压管、管嘴、活塞以及楔形体，所述蓄水箱、溢流板为一体成型，相互连接，所述循环装置包括水箱、水泵、输水管、阀门1、阀门2、上出水管1、上出水管2、下出水管以及过渡装置，所述实验装置与循环装置通过流体入口与流体出口连接。
10.所述测压管标有标准刻度，以活塞形心高度为零刻度，向上向下标注液体高度。
11.所述流体出口设在距箱底10—15cm处，流体出口中心与活塞形心在同一水平线上，液体通过流体出口可以沿水平方向至楔形体处。
12.所述测压管与水容器为一体成型，相互连接，测压管底部有小孔，可以通过细小的水流。
13.所述楔形体与活塞组装在一起，楔形体末端与活塞形心处在形同水平位置，楔形体末端长度与管嘴长度相同。
14.所述楔形体上边界与水平轴线夹角为α1，下边界与水平轴线夹角为α2，α1≠α2，
15.所述过渡装置是有遮挡的平台，与下出水管连通，在测量液体流量时可以将容器放在平台上。
16.所述阀门均可以控制水流的大小，设置在上出水管处。
17.所述水箱放置在实验桌下方，与输水管相连，水泵放置在输水管处。
18.与现有技术相比，本发明专利的有益效果是：本发明专利将普遍使用的杠杆定理测量流体流动冲击力的实验装置代以使用液体压强测量流体流动冲击力，改善了由于杠杆受到紊态流体的冲击力而发生微小扰动，影响实验精度的现象。
附图说明：
19.图1是本发明专利的结构示意图；
具体实施方式
20.下面结合附图对本发明专利作进一步描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明专利的技术方案，而不能以此来限制本发明专利的保护范围。
21.实施例1：
22.开启水泵(10)，待液体流入蓄水箱(1)，在上出水管(18)(19)中形成稳定的水流后，打开阀门1(12)与阀门2(13)，并调节至合适大小。对测压管(4)读数，记为h。当水流流经楔形体(7)时，楔形体(7)与活塞(6)为一个整体，楔形体(7)受到水流的水平轴向冲击力，活塞(6)右侧受到测压管(4)中液体的压力，由于测压管(4)底部有小孔可以进行液体交换，所以测压管(4)内液体高度可以根据水流对楔形体(7)的冲击力自动调节。同时，在过渡装置(15)处放置量杯并计时，得到上出水管1(18)处时间t1内流经的液体体积v1，上出水管2(19)处时间t2内流经的液体体积v2。第一组实验完成，控制阀门1(12)与阀门2(13)大小，改变水流速度并重复上述操作可完成第二，三组实验。
23.实验结束后进行数据处理，已知实验器材的数据有流体出口(17)的截面面积a，上出水管1(18)截面面积a1，上出水管2(19)截面面积a2，活塞(6)面积a0，楔形体(7)上边界与水平轴线夹角为α1，下边界与水平轴线夹角为α2。
24.验证流体动量定理：液体对活塞压力p＝ρgha0。上出水口1处水流平均速度上出水口1处水流平均速度流体出口处水流平均速度带
入前文推导公式水流在水平方向的冲击力：
25.r＝ρq(β1v1cosα1 β2v2cosα
2-β0v)
26.带入实验数据，有：
[0027][0028]
液体对活塞压力与水流在水平方向的冲击力相等，有公式：
[0029][0030]
令β1＝β2＝β0∈(1.02，1.05)，即可验证水力学动量定律。
[0031]
在多次实验的基础上，以β1、β2、β0为未知数，建立三元一次方程组，即可计算验证动量修正系数的值。
[0032]
以上所述仅是本发明专利的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明专利技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明专利的保护范围。


技术特征：
1.一种验证水力学动量定律的实验装置，其特征是，包括实验装置和循环装置，所述实验装置为方形容器，放置在实验桌上，所述实验装置包括做蓄水箱(1)、溢流板(2)、水容器(3)、测压管(4)、管嘴(5)、活塞(6)以及楔形体(7)，所述蓄水箱(1)、溢流板(2)为一体成型，相互连接，所述循环装置包括水箱(9)、水泵(10)、输水管(11)、阀门1(12)、阀门2(13)、上出水管1(18)、上出水管2(19)、下出水管(14)以及过渡装置(15)，所述实验装置与循环装置通过流体入口(16)与流体出口(17)连接。2.根据权利要求1所述的一种验证水力学动量定律的实验装置，其特征是，所述测压管(4)标有标准刻度，以活塞(6)形心高度为零刻度，向上向下标注液体高度。3.根据权利要求2所述的一种验证水力学动量定律的实验装置，其特征是，所述流体出口(17)设在距箱底10—15cm处，流体出口(17)中心与活塞(6)形心在同一水平线上，液体通过流体出口(17)可以沿水平方向至楔形体(7)处。4.根据权利要求3所述的一种验证水力学动量定律的实验装置，其特征是，所述测压管(4)与水容器(3)为一体成型，相互连接，测压管(4)底部有小孔，可以通过细小的水流。5.根据权利要求4所述的一种验证水力学动量定律的实验装置，其特征是，所述楔形体(7)与活塞(6)组装在一起，楔形体(7)末端与活塞(6)形心处在形同水平位置，楔形体(7)末端长度与管嘴(5)长度相同。6.根据权利要求5所述的一种验证水力学动量定律的实验装置，其特征是，所述楔形体(7)上边界与水平轴线夹角为α1，下边界与水平轴线夹角为α2，α1≠α2，7.根据权利要求8所述的一种验证水力学动量定律的实验装置，其特征是，所述过渡装置(15)是有遮挡的平台，与下出水管(14)连通，在测量液体流量时可以将容器放在平台上。8.根据权利要求7所述的一种验证水力学动量定律的实验装置，其特征是，所述阀门(12)(13)均可以控制水流的大小，设置在上出水管(18)(19)处。9.根据权利要求8所述的一种验证水力学动量定律的实验装置，其特征是，所述水箱(9)放置在实验桌(8)下方，与输水管(11)相连，水泵(10)放置在输水管(11)处。

技术总结
本发明专利公开了一种验证水力学动量定律的实验装置，包括实验装置和循环装置，所述实验装置为方形容器，放置在实验桌上，所述实验装置包括做蓄水箱、溢流板、水容器、测压管、管嘴、活塞以及楔形体，所述蓄水箱、溢流板为一体成型，相互连接，所述循环装置包括水箱、水泵、输水管、阀门1、阀门2、上出水管1、上出水管2、下出水管以及过渡装置，所述实验装置与循环装置通过流体入口与流体出口连接。本发明专利利用液体压强验证水力学动量定律，可以减少实验误差。验误差。验误差。


技术研发人员：许诺 孙洪广
受保护的技术使用者：孙洪广
技术研发日：2022.08.10
技术公布日：2022/11/18