第七节 恒定总流动量方程验证实验

一、实验目的和要求

（1）实测射流对平面板或者曲面板施加的作用力，并与由理论公式计算出的作用力相比较，验证恒定总流动量方程。

（2）学习用天平测力和用体积法测流量的实验技能。

二、实验原理

（1）对恒定总流运用动量守恒原理，可以得到动量方程

式中：ρ为水的密度；Q为水的体积流量；v₁与v₂分别为所隔离体的入流和出流两个断面的平均流速；∑F为作用在该隔离体上所有外力的向量和，其中的α₀为动量修正系数（对一般渐变流动，通常取1.0）。

公式（2-7-1）表明总流中，过流断面上游断面1-1和下游断面2-2之间控制体内流体所受外力之矢量和等于单位时间经两断面流出控制体的动量，过流断面如图2-7-1所示。利用动量方程可以求出所需的作用力。包括边界对流体的作用力或者其反作用力。

图2-7-1 过流断面

（2）水流从圆形喷嘴射出，如图2-7-2所示，垂直冲击在距离很近的一块平面板上，随即在平面板上向四周散开，流速方向转了90°，取射流转向前的断面1-1和水流完全转向后的断面2-2（是一个圆筒面，它应截取全部散射的水流）之间的水流区域为控制体，运用动量方程可求出平面板对水流的作用力R′。

控制面中除了水流和平面板的交界面外压强都为零。不考虑水流扩散、板面和空气阻力，由能量方程可得

若射流方向水平，重力沿射流方向无分量，沿射流方向的动量方程投影式为

取动量修正系数α₀₁=1.0，则

（3）若射流冲击一块凹面板，如图2-7-3所示，则沿射流方向的动量方程投影式为

取动量修正系数α₀₁=α₀₂=1.0，v₁=v₂=v，则

（4）实验装置设计的射流方向是铅垂向上的，如图2-7-4所示，重力沿射流方向有分量，考虑到重力的减速作用，射流冲击到实验板上的速度小于喷嘴出口流速。

图2-7-2 平面板

图2-7-3 凹面板

图2-7-4 铅垂向上

故将实验板受力公式改为

式中：z为射流喷射高程（喷射出口到实验板的距离）。

三、实验设备

实验设备如图2-7-5所示，由储水箱、水泵、调压阀和稳压箱等组成的系统，提供一股恒定的水射流由喷嘴射出冲击平面板或者曲面板，射流对实验板的冲击力用天平量测，射流的流量用体积法量测。

四、实验步骤

（1）调节天平，将微调砝码拨到零位，配重放到A盘，使天平处于平衡状态。调节天平位置，使喷嘴中心与实验板中心在同一轴线上，然后用定位件将天平固定。在天平B盘放入砝码，实验板为平面板时放60g砝码，曲面板时放100g砝码。

（2）开启稳压箱调压阀，关闭进水调节阀，将量水箱存水放空后，关闭量水箱放空阀。启动水泵，待稳压箱内的气体全部排除后关小调压阀，慢慢开启进水调节阀，由喷嘴喷出射流冲击实验板，当实验板受到的冲击力与砝码的重量相等时，天平重新处于平衡状态，停止调节阀门。也可以用微调砝码调天平。此时压力表读数在1.5格左右。

图2-7-5 动量实验仪

（3）在天平B盘再加入10g砝码，拨微调砝码到零位，慢慢开启进水调节阀，使天平再次平衡，观察压力表读数，若有改变则调节调压阀使其保持恒定。

（4）重复实验步骤，测出8组数据，每次均增加10g砝码。射流冲击力的测量值与计算值的偏差以小于10%为合格，实验结果至少应有5组数据合格。

五、实验数据记录

仪器编号：____

有关常数：喷嘴直径d=____cm，喷射出口到实验板的距离z=____cm，量水箱面积F=____cm²，角度_β=____

六、注意事项

（1）实验必须在水流稳定后方可进行。

（2）喷嘴与实验板中心定位要准确。

（3）开启阀门时一定要慢，不能使水冲到实验板上面。

七、思考题

（1）在相同的实验条件下，平面板与凹面板哪种所受到的冲击力较大？为什么？

（2）在该实验中，设置挡水板的作用是什么？挡水板下方为何还要设置排水槽？

（3）喷嘴与实验板中心位置没有对准会对实验结果产生什么影响？

八、讨论分析题

（1）通过实验测出的实验板所受射流冲击力的实际值与计算出的理论值有怎样的差别？试分析产生这种差别的原因。

（2）试分析讨论，实验仪器还有哪些改进的可能。