[发明专利]活塞式动量定律实验仪

说明书

本发明属于实验量测仪器。

流体动量定律是流体力学、水力学的基本理论之一，动量定律的实验是教学环节中不可缺少的内容。动量定律实验仪器有射流冲击式和射流反作用式二类。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。尽管形式不同，但目前国内外的各种仪器在测量动量力的方式上，都是采用加重物的方法。例如目前国内外使用最普遍的一种动量定律实验仪，其方式是使射流向上冲击在一块水平倒置的平板上，平板在射流冲击力作用下压缩背后的弹簧，使其偏离平衡位置而产生向上的位移。然后，对平板施加重物压回到原来的平衡位置上。这时所加的重物重量即为射流冲击平板的动量力。这种测量仪器的缺点是：由于射流的紊动和弹簧的弹性波动使平板上下串动，很不稳定，测量精度只能达到0.1，甚至为0.3～0.5，因此实验结果不能定量地验证动量定律，更无法测定射流的动量修正系数。另外，操作麻烦，实验费时，要求作用水头高（5～10米以上），需水量大，能耗高。

本发明的目的是设计一种动量定律实验仪，利用水压直接测定动量力及动量修正系数，测量精度高、结构简单、使用方便。

本发明的主要结构如图1所示：由动量管8、射流恒压供水装置1、4、集水器7、10所组成。动量管8是由一面装有叶片15和导流板14另一面固定有活塞12的冲击平板11、活塞套18、导流管13、泄水窄槽19、测压管16及标尺17组合而成。带叶片的冲击平板11应与轴向的入口速度矢量垂直，因而出口速度矢 量与入口速度矢量成90°角。活塞在活塞套内能自由滑动，导水管设在活塞内，一端进水入口固定在冲击平板的中央，另一端出口穿过活塞底面，泄水窄槽设在活塞套的壁面，活塞套与测压管为一体或密封连结成一体，射流恒压供水装置是由恒压供水箱1、孔口或管嘴式的射流喷头4所组成;也可以由恒压供水管5和射流喷头4直接联接而成。集水器由集水箱7和排水管10所组成，通过定位螺丝9将测压管固定在集水箱上。

本发明的工作过程是：恒定压力作用下的水流经射流喷头4形成射流喷射到冲击平板11上，再沿着叶片构成的流道穿过导向板14与平板11之间的狭缝，然后与入射流成90°的方向离开冲击平板11。平板在射流冲击作用下推动活塞12向活塞套18内滑动。当活塞12被全部推进活塞套18时，活塞处于极限位置，泄水窄槽19被活塞全部封闭。这时，在射流冲击下，一小股水流经导水管13和活塞套18流入测压管，使测压管中液位上升，测压管中的液柱对活塞作用有与射流方向相反的压力。当测压管中的水位超过一定高度时，活塞受到的水压力便大于射流的动量力，且会推动活塞向外移动。于是，泄水窄槽被部分开启，测压管中的水通过泄水窄槽排泄掉，水位降落。若水位降落过多，射流动量力大于水压力时，活塞又会向里移动，自动调节泄水量和水位，直至测压管中的水柱对活塞的作用力与射流对平板的冲击动量力相等，且自导水管13流进的水量和自泄水窄槽19流出的水量相等、测压管液柱高度稳定不变为止。但由于活塞移动时有较大的摩擦阻力存在，精度不可能较高。为了克服这个摩擦阻力，在冲击平板上设有叶片15，当水流流过叶片时，带叶片的平板受到转动力矩的作用，就能带动活塞一起不停地转动，大大减少活塞移动时的摩擦力。实验证明，活塞在转动中沿轴向移动的摩擦力 低于冲击力的0.5%，可以忽略不计。这样，只要测得活塞所受到的水压力便可得知射流的动量力。集水箱7的作用一是防水花外溅，二是用以固定动量管，三是汇集水流，汇集后的水流最后经排水管10排出，并在排水管的出口处测量射流流量。

本发明的实验原理基于恒定总流的动量定律，其方程式为：

＝ρQ（α₀₂-α₀₁）

以带活塞的平板为受力体，取脱离体如附图4所示。因摩擦阻力fx可忽略不计，在x方向上的动量方程为：

α₀₁ρQV_1X- (π)/4 γhD²＝0

其中：V_1X＝4Q/πd²

上三式中：

-动量力矢量;

ρ-流体的密度;

Q-流体的流量;

α₀₁、α₀₂-分别为流入和流出脱离体的流体的动量修正系数;

、-分别为流入和流出脱离体的流体的平均速度矢;

V_1X-沿x方向流入脱离体的流体平均速度;

γ-流体的重度;