專利名稱：帶移動(dòng)觸頭的孔口管嘴實(shí)驗(yàn)儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及實(shí)驗(yàn)量測(cè)儀器，尤其涉及一種帶移動(dòng)觸頭的孔口管嘴實(shí)驗(yàn)儀。
背景技術(shù)：
流體經(jīng)孔口流出的流動(dòng)現(xiàn)象叫孔口出流，其出流條件可以是定水頭下的出流或者變水頭下出流，可以是流入空氣中，也可以是流入同一介質(zhì)的流體中。在孔口的周界上安裝一個(gè)長(zhǎng)度約為孔口直徑3～4倍的短管，這樣的短管稱圓柱形外管嘴。管嘴按其形狀可分為流線型管嘴，柱形外管嘴，圓錐形管嘴。流體流經(jīng)該短管，并在出口斷面形成滿管流，這種流動(dòng)現(xiàn)象稱為管嘴出流。
孔口管嘴是一種用于量測(cè)流量的設(shè)備，同時(shí)也是工程上常見的水力設(shè)施。
孔口管嘴教學(xué)實(shí)驗(yàn)是(流體力學(xué)重要教學(xué))內(nèi)容之一。然而長(zhǎng)期以來，傳統(tǒng)的孔口管嘴實(shí)驗(yàn)儀在結(jié)構(gòu)布置以及教學(xué)手段上存在一定弊端其一，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀結(jié)構(gòu)龐雜，有大型水箱，較大的供、回水設(shè)施和稱量設(shè)備，這樣占地多、能耗大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜；其二，為測(cè)量孔口射流的側(cè)收縮直徑，人們?cè)帽M心計(jì)，卻始終沒有一種高精度的簡(jiǎn)便方法可行。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是提供一種帶移動(dòng)觸頭的孔口管嘴實(shí)驗(yàn)儀。
它具有自循環(huán)供水器、在自循環(huán)供水器內(nèi)設(shè)有水泵，水泵由可控硅無級(jí)調(diào)速器控制，自循環(huán)供水器與恒壓水箱、回水槽相接，恒壓水箱內(nèi)設(shè)有溢流板和穩(wěn)水孔板，恒壓水箱與自循環(huán)供水器通過上水管和下水管連接，，恒壓水箱面向回水槽的壁面上設(shè)有孔口管嘴、切換板、標(biāo)尺和測(cè)壓管，回水槽出水口設(shè)自循環(huán)回水裝置。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)1)一改以往結(jié)構(gòu)龐大的作法，將其整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)縮小簡(jiǎn)化，采用了獨(dú)立自循環(huán)恒壓供水系統(tǒng)，操作簡(jiǎn)便直觀，且適合于現(xiàn)代教學(xué)要求，同時(shí)也節(jié)省了實(shí)驗(yàn)布置場(chǎng)地；2)在各孔口及管嘴之間設(shè)置了切換板，可在滿水位狀態(tài)下自由切換測(cè)量管嘴，而不會(huì)因此造成在切斷或開啟時(shí)水花回濺現(xiàn)象；
3)在薄壁孔口處精巧地設(shè)置了活動(dòng)觸頭，利用游標(biāo)卡尺即能精確測(cè)量孔口射流的收縮直徑，精度達(dá)0.01mm，在直角進(jìn)口圓柱管嘴處設(shè)有測(cè)量局部真空的裝置，簡(jiǎn)便、直觀。


附圖是帶移動(dòng)觸頭的孔口管嘴實(shí)驗(yàn)儀結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
帶移動(dòng)觸頭的孔口管嘴實(shí)驗(yàn)儀具有自循環(huán)供水器1、在自循環(huán)供水器內(nèi)設(shè)有水泵，水泵由可控硅無級(jí)調(diào)速器3控制，自循環(huán)供水器與恒壓水箱4、回水槽10相接，恒壓水箱4內(nèi)設(shè)有溢流板5和穩(wěn)水孔板6，恒壓水箱4與自循環(huán)供水器1通過上水管和下水管連接，，恒壓水箱4面向回水槽10的壁面上設(shè)有孔口管嘴7、切換板8、標(biāo)尺11和測(cè)壓管12，回水槽10出水口設(shè)自循環(huán)回水裝置?？卓诠茏?分別為喇叭進(jìn)口管嘴、直角進(jìn)口管嘴、錐形管嘴、孔口。
本實(shí)用新型的工作過程是實(shí)驗(yàn)原理在恒壓水頭下發(fā)生自由出流時(shí)孔口管嘴的有關(guān)公式為流量計(jì)算 流量系數(shù)μ=QA2gH0---(2)]]>收縮系數(shù)ϵ=AcA=dc2d2---(3)]]>流速系數(shù) 阻力系數(shù) 實(shí)驗(yàn)測(cè)得上游恒壓水位及各孔口、管嘴的過流量，利用以上5個(gè)公式，從而得出不同形狀斷面的孔口、管嘴在恒壓、自由出流狀態(tài)下的各水力系數(shù)。
實(shí)驗(yàn)內(nèi)容(1)觀察孔口及各管嘴出流水柱的流股形態(tài)。
打開各孔口管嘴，使其出流，觀察各孔口及管嘴水流的流股形態(tài)，因各種孔口、管嘴的形狀不同，過流阻力也不同，從而導(dǎo)致了各孔口管嘴出流的流股形態(tài)也不同圓角管嘴出流水柱為光滑圓柱，直角管嘴為圓柱形麻花狀扭變，圓錐管嘴為光滑圓柱，孔口則為具有側(cè)收縮的光滑圓柱。
(2)觀察孔口出流在d/H＞0.1時(shí)與在d/H＜0.1時(shí)側(cè)收縮情況。
開大流量，使上游水位升高，使d/H＜0.1，測(cè)量相應(yīng)狀況下收縮斷面直徑dc；再關(guān)小流量，上游水頭降低，使d/H＞0.1，測(cè)量此時(shí)的收縮斷面直徑dc′的值，可發(fā)現(xiàn)當(dāng)d/H＞0.1時(shí)dc′增大，并接近于孔徑d，這叫作不完全收縮，此時(shí)由實(shí)驗(yàn)測(cè)知，μ也增大，可達(dá)0.7左右。
(3)觀測(cè)直角管嘴處的局部真空度。
打開直角進(jìn)口管嘴射流，即可觀測(cè)到，測(cè)管處水柱迅速降低，h真＝(0.6～0.7)H0。說明直角進(jìn)口管嘴在進(jìn)口處產(chǎn)生較大真空。但與經(jīng)驗(yàn)值0.75H0相比，真空度偏小，其原因主要是有機(jī)玻璃材料的直角進(jìn)口銳緣難以達(dá)到象金屬材料那樣的強(qiáng)度。
成果分析(1)結(jié)合觀測(cè)不同類型管嘴與孔口出流的流股特征，分析流量系數(shù)不同的原因及增大過流能力的途徑。
以本室2#孔口與管嘴實(shí)驗(yàn)儀某次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為例，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，流股形態(tài)及流量系數(shù)如下圓角管嘴出流的流股呈光滑圓柱形，μ＝0.935；直角管嘴出流的流股呈圓柱麻花狀扭變，μ＝0.816；園錐管嘴出流的流股呈光滑圓柱形，μ＝0.934；孔口出流的流股在出口附近有側(cè)收縮，呈光滑圓柱形，μ＝0.611。
影響流量系數(shù)大小的原因有(α)出口附近流股直徑，孔口為dc＝0.962cm，d＝1.21cm，則dc/d＝0.8，其余同管嘴的出口內(nèi)徑，dc/d＝1。
(b)直角進(jìn)口管嘴出流，μ大于孔口μc，是因?yàn)榍罢哌M(jìn)口段后由于分離，使流股側(cè)收縮而引起局部真空(本實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)局部真空度為16cmH2O)，產(chǎn)生抽吸作用從而加大過流能力。后者孔口出流流股側(cè)面均為大氣壓，無抽吸力存在。
(c)直角進(jìn)口管嘴的流股呈扭變，說明橫向脈速大，紊動(dòng)度大，這是因?yàn)樵趥?cè)收縮斷面附近形成漩渦之故。而圓角進(jìn)口管嘴的流股為光滑圓柱形，橫向脈速微弱，這是因?yàn)檫M(jìn)口近乎流線形，不易產(chǎn)生漩渦之故，所以直角管嘴比圓角管嘴出流損失大，μ值小。
(d)圓錐管嘴雖亦屬直角進(jìn)口，但因進(jìn)口直徑漸小，不易產(chǎn)生分離，其側(cè)收縮斷面面積接近出口面積(μ值以出口面積計(jì))，故側(cè)收縮并不明顯影響過流能力。另外，從流股形態(tài)看，橫向脈動(dòng)亦不明顯，說明漸縮管對(duì)流態(tài)有穩(wěn)定作用(工程或?qū)嶒?yàn)中，為了提高工作段水流的穩(wěn)定性，往往在工作段前加一漸縮段，正是利用漸縮的這一水力特性)。能量損失小，因此其μ值與圓角管嘴相近。
從以上分析可知，為了加大管嘴的過流能力，進(jìn)口形狀應(yīng)力求流線形化，只要將進(jìn)口修圓，提高μ的效果就十分顯著?？卓诩爸苯枪茏斓牧髁肯禂?shù)的實(shí)驗(yàn)值有時(shí)比經(jīng)驗(yàn)值偏大，其主要原因亦與制作工藝上或使用上不小心將孔口、管嘴的進(jìn)口棱角磨損了有關(guān)。
(2)分析完善收縮的銳緣薄壁孔口出流的流量系數(shù)μQ有下列關(guān)系μQ=f(dH,Re,We)]]>其中We為韋伯?dāng)?shù)。根據(jù)這一關(guān)系，并結(jié)合其他因素分析本實(shí)驗(yàn)的流量系數(shù)偏離理論值(μQ＝0.611)的原因。
薄壁孔口在完善收縮條件下(孔口距相鄰壁面距離L＞3d)，影響孔口出流流速ν的因素有作用水頭H，孔徑d，流體的密度ρ，重力加速度g，粘滯系數(shù)μ及表面張力系數(shù)σ，即F(ν、d、H、ρ、g、μ、σ)＝0 (6)現(xiàn)利用π律分析流量Q與各物理量間的相關(guān)關(guān)系，然后推求與流量系數(shù)相關(guān)的水力要素。
因ν、H、ρ三個(gè)量綱獨(dú)立的物理量，只有[H]＝[L1T0M0]，[ν]＝[L1T-1M0]，[ρ]＝[L-3T0M1]。
根據(jù)π理得π1=dυa1Hb1ρc1---(7)]]>π2=gυa2Hb2ρc2---(8)]]>π3=μυa3Hb3ρc3---(9)]]>π4=συa4Hb4ρc4---(10)]]>根據(jù)量綱和諧原理，(7)式的量綱應(yīng)為[L]＝[LT-1]a1[L]b1[ML-3]c1
故有L:1=a1+b1-3c1T:0=-a1M:0=c1]]>可解得a1＝0，b1＝1，c1＝0。
即π1=dH]]>同理，求得π2=gHυ2]]>π3=μρυH]]>π4=σρHυ2]]>將各π值代入(6)式，有F(dH,gHυ2,μρυH,σρHυ2)=0]]>或υ=gH·f1(dH,μ/ρυH,σ/ρυ2H)]]>又因Q＝Aν，則Q=A2gH·f2(dH,μ/ρυH,σ/ρυ2H)]]>對(duì)照流量計(jì)算公式Q=μQA2gH]]>則流量系數(shù)μQ應(yīng)有μQ=f(dH,μ/ρυH,σ/ρυ2H)]]>或μQ=f(dH,Re,We)]]>表明影響流量系數(shù)有三方面因素?，F(xiàn)結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果和已有資料分析對(duì)本實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。
(a)dH<0.1]]>時(shí)，水流在銳緣孔口前后收縮完全， 對(duì)μQ無影響；反之dH>0.1]]>時(shí)，收縮不完全，μQ增大。本實(shí)驗(yàn)d/H＝1.21/31.5＝0.038＜0.1，故無影響。
(b)以特征長(zhǎng)度d替代H時(shí)，Re=υdv,]]>Re很小時(shí)，(例Re＜104～5)，因粘滯性影響，使μQ降低。本實(shí)驗(yàn)Re≈2×104，表明略有影響，使μQ值偏小。
(c)We＝ρν2d/σ(韋伯?dāng)?shù))，代表表面張力影響。這只有當(dāng)孔口小，流股細(xì)，流動(dòng)慢時(shí)，表面張力影響可使μQ降低。本實(shí)驗(yàn)d＝1.21cm，表面張力的影響很小，可略。
根據(jù)上述分析，實(shí)測(cè)μQ值比理論值偏小，說明是合理的，不然，可能存在其他影響因素。如上問題(1)所述“銳緣薄壁孔口”的銳緣遭磨損，那么μQ值就會(huì)顯著增大。
權(quán)利要求1.一種帶移動(dòng)觸頭的孔口管嘴實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于它具有自循環(huán)供水器(1)、在自循環(huán)供水器內(nèi)設(shè)有水泵，水泵由可控硅無級(jí)調(diào)速器(3)控制，自循環(huán)供水器(1)與恒壓水箱(4)、回水槽(10)相接，恒壓水箱(4)內(nèi)設(shè)有溢流板(5)和穩(wěn)水孔板(6)，恒壓水箱(4)與自循環(huán)供水器(1)通過上水管和下水管連接，恒壓水箱(4)面向回水槽(10)的壁面上設(shè)有孔口管嘴(7)、切換板(8)、標(biāo)尺(11)和測(cè)壓管(12)，回水槽(10)出水口設(shè)自循環(huán)回水裝置(2)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種帶移動(dòng)觸頭的孔口管嘴實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于所說的孔口管嘴(7)分別為喇叭進(jìn)口管嘴、直角進(jìn)口管嘴、錐形管嘴、孔口。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種帶移動(dòng)觸頭的孔口管嘴實(shí)驗(yàn)儀。它具有自循環(huán)供水器、在自循環(huán)供水器內(nèi)設(shè)有水泵，水泵由可控硅無級(jí)調(diào)速器控制，自循環(huán)供水器與恒壓水箱、回水槽相接，恒壓水箱內(nèi)設(shè)有溢流板和穩(wěn)水孔板，恒壓水箱與自循環(huán)供水器通過上水管和下水管連接，恒壓水箱面向回水槽的壁面上設(shè)有孔口管嘴、切換板、標(biāo)尺和測(cè)壓管，回水槽出水口設(shè)自循環(huán)回水裝置。本實(shí)用新型采用了獨(dú)立自循環(huán)恒壓供水系統(tǒng)，操作簡(jiǎn)便直觀，且適合于現(xiàn)代教學(xué)要求，同時(shí)也節(jié)省了實(shí)驗(yàn)布置場(chǎng)地；在薄壁孔口處精巧地設(shè)置了活動(dòng)觸頭，利用游標(biāo)卡尺即能精確測(cè)量孔口射流的收縮直徑，精度達(dá)0.01mm，在直角進(jìn)口圓柱管嘴處設(shè)有測(cè)量局部真空的裝置，簡(jiǎn)便、直觀。
文檔編號(hào)G01M10/00GK2783299SQ200420037220
公開日2006年5月24日 申請(qǐng)日期2004年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月2日
發(fā)明者毛根海, 胡衛(wèi)紅, 陳少慶, 章軍軍, 楊敏麗 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)