静水压强量测实验

静水压强量测实验
一、实验目的要求、
1、掌握用测压管测量流体静压强的技能；
2、验证不可压缩流体静力学基本方程；
3、通过对诸多流体静力学现象的实验分析研讨，进一步提高解决静力学实际问题的能力。

4、巩固绝对压强、相对压强、真空度概念。

二、实验装置、
图1.1 静水压强实验装置图
1、测压管；
2、带标尺测压管；
3、连通管；
4、真空测压管；
5、U 型测压管；
6、通气阀；
7、加压打气球；
8、截止阀；
9、油柱；10、水柱；11、减压放水阀。

说明：
1、 所有测压管液面标高均以标尺（测压管2）零读数为基准；
2、 仪器铭牌所注B ∇、C ∇、D ∇系测点B 、C 、D 标高；若同时取标尺零点作为静力学基本方
程的基准点，则B ∇、C ∇、D ∇亦为B z 、C z 、D z ； 3、 本仪器所有阀门旋柄顺管轴线为开。

三、实验原理、
1、在重力作用下不可压缩流体静力学基本方程为：
z + γp
=const 或： h p p ⋅+=γ0 （1.1） 式中： z —— 被测点在基准面以上的位置高度；
p —— 被测点的静水压强，用相对压强表示，以下同； 0p —— 水箱中液面的表面压强；
γ —— 液体容重；
h —— 被测点的液体深度。

另对装有水油（图1.2及图1.3）U 型测管，应用等压面原理可得油的比重0s 有下列关系：
0s = ϖγγ0 = 211
h h h + （1.2）
据此可用仪器直接测得0s
四、实验方法与步骤、
1、搞清仪器组构及其用法，包括：
1）阀门开关；
2）加压方法 —— 关闭所有阀门（包括截止阀），然后用打气球充气； 3）减压方法 —— 开启筒底阀11放水；
4）检查仪器是否密封 —— 加压后检查测管1、2、5液面高程是否恒定。

若下降，表明漏气，应查明原因并加以处理。

2、记录仪器编号及各常数（记入表1.1）。

3、量测点静压强（各点压强用厘米水柱高表示）。

1）打开通气阀6（此时p 0=0），记录水箱液面标高0∇和测管2液面标高H ∇（此时0∇=H ∇）； 2）关闭通气阀6及截止阀8，加压使形成p 0＞0，测记0∇及H ∇；
3）打开放水阀11，使形成p 0＜0（要求其中一次γB
p ＜0，即H ∇＜B ∇），测记0∇及H ∇。

4、测出4# 测压管插入小水杯中的深度(现场)。

5、测定油比重0s 。

1）开启通气阀6，测记0∇；
2）关闭通气阀6，打气加压（p 0＞0），微调放气螺母使U 型管中水面与油水交界面齐平（图1.2），测记0∇及H ∇（此过程反复进行三次）；
3）打开通气阀，待液面稳定后，关闭所有阀门；然后开启放水阀11降压（p 0＜0），使U 型管中的水面与油面齐平（图1.3），测记0∇及H ∇（此过程亦反复进行三次）。

五、实验成果及要求、
1、记录有关常数 实验台号：No . 各测点标尺读数为：
B ∇= cm
C ∇= cm
D ∇= cm
w γ= 9.8×10-3 3/cm N
2、分别求出各次测量时A 、B 、C 、D 点的压强，并选择一基准面验证——同一静止液体内的
任意二点（C 、D ）的（
γp z +
）为常数。

3、求出油的容重。

γ0 = 0.0080 N /cm 3
六、实验分析与思考题、
1、实验分析：
1）若再备一根直尺，如何采用最简便的方法测定γ0 ？
最简单的方法是，用直尺分别测量水箱内通大气情况下，管5油水界面至水面和油水界面至油面的垂直高度
w h 和0h ，由式00h h w w γγ=求得0γ。

2）如测压管太细，对测压管液面的读数将有何影响 ？
设被测液体为水，如测压管太细，测压管液面因毛细现象而升高，会造成测量误差，毛细高度由下式计算：
式中，σ为表面张力系数；γ为液体容重；d 为测压管内径；h 为毛细升高。

常温（t =20℃）的水，σ=7.28mm dyn /，γ=0.98mm dyn /3。

水与玻璃的浸润角θ很小，可认为cos θ=1.0。

于是有
γd h 7
.29=
（h 、d 单位均为mm ）
一般来说，当玻璃测压管的内径大于10mm 时，毛细影响可忽略不计。

另外，当水质不洁时，σ减小，毛细高度也较静水小；当采用有机玻璃管作测压管时，浸润角θ较大，其h 较普通玻璃管小。

如果用一根测压管测量液体相对压差值，则毛细现象无任何影响。

因为测量高、低压强时均有毛细现象，但在计算压差时，互相抵消了。

3）过C 点作一水平面，相对管1、2、5及水箱中液体而言，这个水平面是否等压面？哪一部分液体是同一等压面？不全是等压面，他仅相对管1、2及水箱中的而言，这个水平面才是等压面。

因为只有全部具备下列5个条件的平面才是等压面：①重力液体；②静止；③连通；④连通介质为同一均质
液体；⑤同一水平面。

上述问题中，管5与水箱之间不符合条件④，因此，相对管5和水箱中的液体而言，该水平面不是等压面。

2、实验思考题：
1）同一静止液体内的测管水头线是一根什么线？
2）当p B ＜0时，试根据记录数据，确定真空度大小及所在区域。

量测实验七 动量方程验证实验
一、实验目的、
1、验证不可压缩流体恒定总流的动量方程；
2、通过对动量与流速、流量、出射角度、动量矩等因素间相关性的分析研究，进一步掌握流体动力学的动量守恒定理；
3、测定动量修正系数。

二、实验装置、
图1.1 动量方程实验装置图
1、自循环供水器；
2、实验台；
3、可控硅无级调速器；
4、水位调节阀；
5、恒压水箱；
6、管嘴；
7、集水箱；
8、带活塞的测压管；
9、带活塞和翼片的抗冲平板；10、上回水管。

三、实验内容与原理、
1、计算机CAI 实验教学模拟。

2、测量活塞中心点的静水压强来计算水流的冲力：利用自动反馈原理，使实验过程中达到需要测量的静水作用力与射流的冲击力自动平衡。

射流冲击在平板上的冲力全部作用在活塞体中，当活塞处于稳定位置时，只需测得活塞所受到的静水作用力，便可足够精确地得知射流的冲击力。

3、恒定总流动量方程为
ρ=F Q (1122v v
ββ-)
图 1.2 图 1.3
取隔离体如图1.3所示，因滑动摩擦阻力水平分力x f ＜ 0.5%X F ，可忽略不计，故x 方向的动量方程化为 ρ
π
γ=-=-=24
.D h A p F c
c x Q （x v 110β-）
即
ρβ1Q
.4
21=-
D h v c x γπ
式中： c h —— 作用在活塞形心处的水深；
D —— 活塞直径； Q —— 射流流量；
x v 1—— 射流速度； 1β—— 动量修正系数。

实验中，在平衡状态下，只要测得流量Q 和活塞形心水深c h ，由给定的管嘴直径d 和活塞直径D 代入上式，便可率定射流的动量修正系数1β值，并验证动量定律。

其中，测压管的标尺零点已固定在活塞的圆心处，因此液面标尺读数即为作用在活塞圆心处的水深。

4、测定本实验装置的灵敏度：
为验证本装置的灵敏度，只要在实验中的恒定流受力平衡状态下，人为地增、减测压管中的液位高度，可发现即使改变量不足总液柱高度的5‰(约0.5～l mm )，活塞在旋转下亦能有效地克服动摩擦力而作轴向位移，开大或减小窄槽c ，使过高的水位降低或过低的水位提高，恢复到原来的平衡状态。

这表明该装置的灵敏度高达0.5％，亦即活塞轴向动摩擦力不足总动量力的5‰。

四、实验方法与步骤、
1、准备——熟悉实验装置各部分名称、结构特征、作用性能，记录有关常数。

2、开启水泵——打开调速器开关。

调节调速器，使溢流量适中，待水头稳定后进行实验
3、确认测压管垂直已调整好。

如果测压管位置不垂直，待恒定水箱满顶溢流后，松开测压管固定螺丝，调整方位，要求测压管垂直、螺丝对准十字中心，使活塞转动松快，然后旋转螺丝固定好。

再不要随意松动
4、测读水位——标尺的零点已固定在活塞圆心的高程上。

当测压管内液面稳定后，记下测压管内液面的标尺读数，即c h 值。

5、测量流量——用体积法或重量法测流量时，每次时间要求大于3秒，若用电测仪器测量时，则需在仪器量程范围内。

重复测三次再取均值。

6、改变水头重复实验——逐次打开不同高度上的溢水孔盖，改变管嘴的作用水头。

7、使用SL 数据处理程序计算数据（体积值可将测得的流量用时间为1秒记入）
五、实验成果及要求、
1、记录有关常数： 实验台号No.
管嘴内径d = 1.198 cm ， 活塞直径D = 1.990 cm 2、编制实验参数记录、计算表格并填入实验参数（见表3.1）。

3、取某一流量，绘出隔离体图，阐明分析计算的过程（参见图3.2，3.3及表3.1）。

表1.1 测量记录表及计算表
测 次
体积 V
时间 T
管嘴作用水头 H 0
活塞作用水头 流量
Q 流速
v
动量力 F
动量修正系数
1 2 3 4 5 6
六、实验分析与讨论、
1、实测β 与公认值（β=1.02～1.05）符合与否？试分析原因。

实测β
=1.0342，与公认值符合良好。

（如不符合，其最大可能原因之一是翼轮不转所致。

为排除此故障，可用4B 铅笔芯涂抹活塞及活塞套表面）。

2、带翼片的平板在射流作用下获得力矩，这对分析射流冲击无翼片的平板沿x 方向的动量方程有无
影响？为什么？
无影响。

因带翼片的平板（图1.4）垂直于x 轴，作用在轴心上的力矩T 是由射流冲击平板时，沿 y z 平面通过翼片造成动量矩的差所致，即
ρ=T Q -222cos r v yz αρQ ρα=111cos r v yz Q 222cos r v yz α
式中
Q —— 射流的流量；
1yz v —— 入流速度在yz 平面上的分速；
2yz v —— 出流速度在yz 平面上的分速；
1α —— 入流速度与圆周切线方向的夹角，接近900；
2α —— 出流速度与圆周切线方向的夹角；
2.1r —— 分别为内、外圆直径。

图 1.4
该式表明力矩T 恒与x 方向垂直,动量矩仅与y z 平面上的流速分量有关。

也即是说平板上附加翼片后，尽管在射流作用下可获得力矩，但并不会产生x 方向的附加力，也不会影响x 方向的流速分量。

所以x 方向的动量方程与平板上设不设翼片无关。

3、通过细导水管的分流，其出流角度与2v 相同，试问对以上受力分析有无影响？
无影响。

当计及该分流影响时（图1.3），动量方程为 ∵ 032==x x v v ∴ x
c
v Q D h 112..4
.ρβπ
γ= 即
.4
.211=-
D h Qv c x γπ
ρβ
该式表明只要出流角度与1v 垂直，则x 方向的动量方程与设置导水管与否无关。

七、实验报告要求、
1、用16开纸书写，卷面整洁，计算表格、曲线、图形等正规化。

2、说明成果计算和整理过程、主要计算公式及常数的取值。

3、根据所学理论对实验中的现象、问题进行分析。

八、思考题、
1、通过细导水管的分流，其出流角度与v 2相同，试问对以上受力分析有无影响?
2、对管咀出流的动量修正系数理论值进行试分析。