專利名稱：力矩平衡動量定律實驗儀的制作方法
技術領域：
本發明涉及實驗量測儀器，尤其涉及一種力矩平衡動量實驗儀。
背景技術：
動量定律是流體力學、水力學的基本理論之一，其動量方程是理論力學中的動量
定律在流體力學、水力學中數學表達式。它反映了流體運動的動量變化與作用力之間的關 系，其特點在于不必知道流動范圍內部的流動過程，而只需要知道其邊界上的流動情況即 可，因而它可用來方便解決急變流中流體與邊界面之間的相互作用力問題。因此，動量定律 的實驗是教學環節中不可缺少的內容。 由于流體的流速u在過流斷面上的分布一般難以確定，為簡化研究起見，在工程 實際中通常用斷面平均流速v代替u計算總流動量，但按v計算的動量與實際動量存有差 異，所造成的誤差以動量修正因數P來修正。動量修正因數是表示單位時間內通過端面的 實際動量與單位時間內以相應的斷面平均流速通過的動量的比值。 目前，基于流體力學專業的動量定律實驗教學，不論是在國內還是國際上，其實驗 裝置相對較少，且部分實驗裝置存在著不盡合理之處，尤其是采用人工或機械測力方法之 類的實驗裝置，其弊端一，方法不夠直觀，且實驗操作煩瑣、費時，裝置調校煩瑣而難以準 確，對動量守恒概念的理解無多大直接幫助；二，有些靠手工配重或機械平衡的裝置，平衡 時間長，極難穩定，精度受人為因數干擾極大；三，采用機械測力的裝置，機械傳力機構間不 可避免地存在著摩擦，長時間機構受到磨損，或其他外力影響，影響實驗精度，絕大部分實 驗設備既不能定量地驗證動量定律，更無法測定射流的動量修正因數P值。因此，如何設 計一個既能形象直觀顯示動量力，便于學生理解，同時又能精確測定其實驗數據的動量實 驗裝置，對流體力學專業的動量定律實驗教學尤為重要。

發明內容
本發明的目的是克服現有技術的不足，提供一種力矩平衡動量實驗儀。 力矩平衡動量實驗儀具有蓄水箱，在蓄水箱上方設有工作水箱；工作水箱底部開
口與蓄水箱連通，工作水箱一側壁上設有噴嘴，蓄水箱內設有可調速水泵，可調速水泵出口
端通過輸水管道與噴嘴連接，輸水管道上設有流量計；工作水箱上方設有支點，L形杠桿置
于支點上，L形杠桿拐角端伸入工作水箱內，L形杠桿拐角端頭部設有與噴嘴相對應的沖擊
板，L形杠桿另一端通過可調螺母與支撐桿一端連接，L形杠桿上設置水準泡，支撐桿另一
端壓在電子秤上。 所述的沖擊板形狀為與噴嘴管軸線成30。 、45° 、60° 、90°角度的平板。所述的 沖擊板形狀為以噴嘴管軸線為軸對稱線的紡錘殼體。所述的沖擊板形狀為以噴嘴管軸線為 軸對稱線的半球殼體。 本發明與現有技術相比具有的有益效果 1)獨立的自循環供水系統，無須專門實驗場地建設，并采用220V二相市電，功率小，節約資源； 2)精簡實驗裝置，運用大家所熟知的杠桿原理，突出各個實驗環節，實驗運行思路 形象直觀、一 目了然，裝置調校、操作簡便； 3)無任何中間傳力機構，避免了不必要的誤差產生； 4)同時利用現代量測手段，擯棄了守舊的人工配重方法，消除人為因數對實驗造 成的影響，實驗更精確可靠，適合于現代教學要求。


圖1是力矩平衡動量定律實驗儀結構示意圖；
圖2力矩平衡受力示意圖； 圖中工作水箱1、噴嘴2、沖擊板3、流量計4、輸水管道5、蓄水箱6、可調速水泵7、 支點8、 L形杠桿9、水準泡10、可調螺母11、支撐桿12、電子秤13。
具體實施例方式
如圖1所示，力矩平衡動量實驗儀具有蓄水箱6，在蓄水箱6上方設有工作水箱1 ; 工作水箱1底部開口與蓄水箱6連通，工作水箱1 一側壁上設有噴嘴2，蓄水箱6內設有可 調速水泵7，可調速水泵7出口端通過輸水管道5與噴嘴2連接，輸水管道5上設有流量計 4 ;工作水箱)上方設有支點8， L形杠桿9置于支點8上，L形杠桿9拐角端伸入工作水箱 1內，L形杠桿9拐角端頭部設有與噴嘴2相對應的沖擊板3， L形杠桿9另一端通過可調螺 母11與支撐桿12 —端連接，L形杠桿9上設置水準泡IO，支撐桿12另一端壓在電子秤13 上。 所述的沖擊板3形狀為與噴嘴2管軸線成30。 、45° 、60° 、90°角度的平板。或 以噴嘴2管軸線為軸對稱線的紡錘殼體。或以噴嘴2管軸線為軸對稱線的半球殼體。
通電啟動水泵，蓄水箱內水體經水泵提壓穩壓后經輸水管道，從噴嘴射出，沖擊到 沖擊板，水體落入工作水箱內，最后由工作水箱底部開口處流回蓄水箱內。水體流量由輸水 管道上流量計測得，水體沖擊沖擊板的力經杠桿傳力在電子秤上反映。由此可測定沖擊板 所收動量力及動量修正因數。
—、動量力 本發明的實驗裝置，受力機構其工作原理，是基于力矩平衡方程(見圖2)，其方程 式為 FxXl,PXl2 (1) 式中FX——沖擊板受到的動量力； P——支撐桿的反作用力，有電子秤直接測讀； lp 12——分別為動量力和反作用力的力臂。 二、動量修正因數 本發明的實驗，將沖擊板選裝90。沖擊平板，其工作原理，是基于恒定總流的動量 定律，其方程式為 <formula>formula see original document page 4</formula> (2) 若定義水流的來流方向為x方向，則x方向的動量定律方程為
Fx= pQ(e2u2xUlx) (3) 由于水流在沖擊平板之后，與來流方向呈90。角射出，故ulx= h、 u2x =
u2cOS90° = O，則x方向的動量定律方程可化為 Fx = P Q(O-P ! u》=-p ! ^ (4) 以上3式中,——動量力矢量； p——流體的密度； Q——流體的流量； |3 p |3 2——分別為流入和流出沖擊平板的流體的動量修正因素；
&、 &—分別為流入和流出沖擊平板的流體的平均速度矢。 本實驗動量力參照上述"動量力"方法測定；噴嘴的流體的流量Q可通過流量計測
定、再測得噴嘴管徑，可計算得出該出流水體的動量修正因數。 實驗內容 (1)測量水流的動量力Fx。 啟動蓄水箱內水泵，蓄水箱內水體經出噴嘴內射出，直接沖擊沖擊板，沖擊板所受
沖擊力與支撐桿形成的反作用力達到力矩平衡，測定12力臂，再經電子秤得到反作用力
P，即可計算動量力Fx。
(2)測定水流的動量修正因數13 設置出流沖擊板，消除垂直出流分量使v2x = 0。 動量方程 Fx = p Q ( P 2 u 2x- P ! u lx) 中的.w傳給實驗儀器，由于沒有導向裝置，v2x往往不完全為零，本實驗裝置可選 用沖擊平板與射流的入射速度矢量A相垂直，射流沖擊平板后，沿垂直于x軸方向離開沖擊 平板，因此達到了嚴格控制速度矢量&與入口速度矢量A成90.角，使動量定律中v2x = 0。
動量方程可簡化為 Fx= pQ(e2u2x-PlUlx) = pQ(0-^uJ 本實驗裝置，經上述實驗內容(l)，測得該水流的動量力F,，同時測得相應狀態下 回水管道內流量Q以及出流管嘴的管徑d，由此可計算得出流速vlx，運用動量方程Fx = pQ(P2u2x-|3lUlx)可計算得出該出流水體的動量修正因數13。 [OO49] (3)驗證2x 0對動量力Fx的影響。 以某次實驗為例，本發明實驗裝置，經上述實驗內容(l)，測得該水流的動量力Fx 值為77. 3克(即0. 758牛頓)，更換平板，使水流沖擊到平板后，呈現出回流與x方向的有 一夾角〉90(即v^0)的水力現象。調整好位置，使反射水流的回射角度一致。測得反射角 135，力傳感器測得動量力Fx'值為114.0克(即1.117牛頓)。表明V2x若不為零，對動量
力影響甚大。因為v^不為零，則動量方程變為 Fx = pQ(P2u2x-PlUlx) = — P Q[P ! u lx+P2 u2cos(180° —a)] 就是說F/隨^及遞增。 成果分析 測定本實驗裝置的精度。
本發明實驗裝置，根據動量方程# = / ( (-^2 - ，x方向的動量定律方程可簡 化為
<formula>formula see original document page 6</formula> 故測得動量修正因素13精度受到F,、Q、^三個因素的精度影響，動量力F,精度與 電子秤的精度有關，Q、^精度與水流恒定有關。針對上述三個因素，本發明實驗裝置在設計 過程中中，對相應機構作專門選型。對于測定F,值的電子秤，這類設備目前國內技術已較成 熟，在本裝置中，選用感量為0. 1克的電子秤，經某次實驗測試，實測沖擊力為77. 3克(即 0. 758牛頓)，且基本穩定在77. 3克(即0. 758牛頓)，故其偏差率為±0. 06%《±0. 1 % 。 在測量流量方面，本裝置選用0. 4級流量計，經實驗測試，某次流量，經四次測量，測得流量 分別為321. 3ml/s、322. 3ml/s、320. lml/s、321. 9ml/s，平均流量為321. 4ml/s，故其最大偏 差率為±0.2%《±0.4%。所以本實驗裝置的精度可以達到1%以上。因此，本發明使動 量教學實驗儀實現了用力矩平衡的方法第一次形象而且高精度地測量到了動量力F,，甚至 動量修正因素P值。
權利要求
一種力矩平衡動量實驗儀，其特征在于它具有蓄水箱(6)，在蓄水箱(6)上方設有工作水箱(1)；工作水箱(1)底部開口與蓄水箱(6)連通，工作水箱(1)一側壁上設有噴嘴(2)，蓄水箱(6)內設有可調速水泵(7)，可調速水泵(7)出口端通過輸水管道(5)與噴嘴(2)連接，輸水管道(5)上設有流量計(4)；工作水箱(1)上方設有支點(8)，L形杠桿(9)置于支點(8)上，L形杠桿(9)拐角端伸入工作水箱(1)內，L形杠桿(9)拐角端頭部設有與噴嘴(2)相對應的沖擊板(3)，L形杠桿(9)另一端通過可調螺母(11)與支撐桿(12)一端連接，L形杠桿(9)上設置水準泡(10)，支撐桿(12)另一端壓在電子秤(13)上。
2. 根據權利要求l所述的一種力矩平衡動量實驗儀，其特征在于，所述的沖擊板(3)形 狀為與噴嘴(2)管軸線成30° 、45° 、60° 、90°角度的平板。
3. 根據權利要求l所述的一種力矩平衡動量實驗儀，其特征在于，所述的沖擊板(3)形 狀為以噴嘴(2)管軸線為軸對稱線的紡錘殼體。
4. 根據權利要求l所述的一種力矩平衡動量實驗儀，其特征在于，所述的沖擊板(3)形 狀為以噴嘴(2)管軸線為軸對稱線的半球殼體。
全文摘要
本發明公開了一種力矩平衡動量實驗儀。它具有蓄水箱，在蓄水箱上方設有工作水箱；工作水箱底部開口與蓄水箱連通，工作水箱側壁上設有噴嘴，蓄水箱內設可調速水泵，可調速水泵出口端通過輸水管道與噴嘴連接，輸水管道上設有流量計；工作水箱上方設支點，L形杠桿置于支點上，L形杠桿拐角端伸入工作水箱內，L形杠桿拐角端頭部設有與噴嘴相對應的沖擊板，L形杠桿另一端通過可調螺母與支撐桿一端連接，L形杠桿上設置水準泡，支撐桿另一端壓在電子秤上，沖擊板為平板或紡錘殼體或半球殼體。本發明采用自循環供水系統；首創利用杠桿力矩平衡的方法，并首創采用高精度電子秤直接測定動量力，形象直觀；便于教學，無外力影響，數據更加真實可靠。
文檔編號G09B23/12GK101739874SQ20101010616
公開日2010年6月16日 申請日期2010年2月2日 優先權日2010年2月2日
發明者萬五一, 毛根海, 毛欣煒, 程偉平, 胡云進 申請人:浙江大學