動(dòng)量定律實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊?/strong>
1．驗(yàn)證不可壓縮流體定常流的動(dòng)量方程；
2．通過對(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)。活塞形心水深h_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。活塞中心設(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、窄槽部分開啟的位置上。過a流進(jìn)測(cè)管的水量和過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β 稱為動(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，

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：    h_c——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；
          β₁——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h_c，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)β₁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、結(jié)構(gòu)特征、作用性能，記錄有關(guān)常數(shù)。
2．開啟水泵：打開調(diào)速器開關(guān)，水泵啟動(dòng)2～3分鐘后，關(guān)閉2～3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：待恒壓水箱滿頂溢流后，松開測(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h_c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)要寫出實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)步驟。
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．實(shí)驗(yàn)參數(shù)記錄、計(jì)算表，并填入實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

測(cè)次重量
W 時(shí)間
T 活塞作用水頭
h_c 流量
Q 流速
V 動(dòng)量力
F 動(dòng)量修正系數(shù)
β₁

1

2

3

4．取某一流量，給出控制體圖，闡明分析計(jì)算的過程
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β= (1．02～1．05)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)分析射流沖擊無翼片的平板沿x方向的動(dòng)量方程有無影響?為什么?
3．通過細(xì)導(dǎo)水管的分流，其出流角度與v₂相同，對(duì)以上受力分析有無影響?

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