测定小孔出流中孔径、形状与流量关系实验

《测定小孔出流中孔径、形状与流量关系实验》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、本科生流体力学综合设计实验No:2007-02测定小孔出流中孔径、形状与流量关系实验学生：孙梁雅专业：2004级应用气象指导教师：赵亮副教授中国海洋大学海洋学国家基础科学人才培养基地2007测定小孔出流中孔径、形状与流量关系实验2004级应用气象孙梁雅一．实验目的1.加深对伯努力方程的理解；2.验证课本中提到的小孔出流现象,探索孔的形状和直径的大小对出水速度的影响。二．实验原理理想正压流体在有势质量力作用下，其运动方程在定常及无旋两特殊情形下可以积分出来，运动方程的这两个第一积分分别为伯努利积分和拉格朗日积分。伯努利积分：12pv++ρh=恒量2是能量守恒

2、的数学表达。左边各项分别代表单位质量内的压力能，动能，势能。由此式推出：单位质量内的总能量，即压力能，动能，势能的总和在流线上守恒。应用伯努利积分的原理，现有一个很大的容器盛满着水，在容器侧面距水面h的器壁上开一小孔，水从小孔流入大气，求小孔射流的流速v。如果我们从出口B处追溯容器中的流线，就会发现它们都通过自由面A。当水外泄时自由面就慢慢下降。如果自由面的面积SA比小孔的面积SB大得多，那么根据不可压缩流体的连续方程，VA1比VB要小得很多，可以近似的认为VA=0，液面A静止不动（注意：VA，VB都是平均速度）。这样，不同时刻容器内水流的状况应该是一样的

3、，也就是说运动是定常的。对图中（图1）某一流线应用伯努利积分，并考虑到自由面A处和射流出口B处的压力都是大气压，则有：小孔处流速与质点自液面A自由下落到达小孔时的速度相同。当然，这是按理想流体计算的，在实际流体中由于粘性阻力，射流的速度要小一些。如果管嘴是圆形的，则射流速度为理想流体射流速度的0.98左右。图1小孔出流示意图当水箱体积相同，小孔的位置也相同，小孔的直径变化时，如逐渐减小，出水量会有什么变化？小孔的形状对出水量会有影响吗？法国数学家和工程师彭赛列(Jean-VictorPoncelet,1788年~1867年)和洛斯布罗斯(Losbros)于

4、1827年~1835年，美国矿业工程师和流体力学家史密斯（HamittonSmith,1840年~1900年）于1885年，以及其他人在不同的时间都作了这样的实验。他们的实验目的是要测定小孔的放水系数。当小孔成为方形孔时，小孔出水的流量Q为2Q=CA=0.6A式中，C或0.61为放水系数，它是从开孔面积与其理想流速中计算而得的放水量和实际放水量之比值；A是小孔面积，H为水箱内水面高度。实验发现，当小孔直径小于2.54cm（1英寸）时，放水系数会随孔径的减小而稍有增加；当两箱的h与A相同时，孔口形状与孔缘的锐利程度也会影响放水系数，而且放水系数随以下几种孔口

5、形状而依次增大；圆形、正方形、三角形、矩形。这就是说，矩形小孔的放水系数最大，当先将水箱内的水放完。三．实验仪器带有小孔的水箱1个，其上同一高度的不同位置处有6个不同规格的小孔，分别为直径是10mm,8mm,6mm,4mm,2mm的圆形孔，以及一个边长为10mm的正方形孔。该正方形孔的面积与直径为8mm的圆形孔面积相同。秒表（测时间）；直尺（测量自由面高度）；纸，笔（做记录）；水桶（盛水箱中流出的水；电子称(称重)。图2小孔实验水箱3四．实验内容1．测定不同大小的圆形孔对出水速度的影响。(1)向水箱中注入一定量的水，擦干水箱外侧，检查水箱是否漏水；(2)选

6、择一个出水孔开始放水，同时保证上层水面高度不变；(3)将水桶倒空，称重，然后用水桶在出水孔处接水，同时开始记时；(4)一段时间后移开水桶，并结束计时，记录放水完成时间，记录水和水桶的总质量；(5)重复(3)~(4)至少三次，取平均值；(6)重复(2)~(5)，做3组不同孔径的实验进行对比；(7)处理数据，并从实验中得出结论，分析原因，整理仪器。2．比较面积相同的圆形孔和正方形孔对出水速度的影响(1)向水箱中注入一定量的水，擦干水箱外侧，检查水箱是否漏水；(2)选择一个直径为8mm的圆形孔开始放水，同时保证上层水面高度不变；(3)将水桶倒空，称重，然后用水桶

7、在出水孔处接水，同时开始记时；(4)一段时间后移开水桶，并结束计时，记录放水完成时间，记录水和水桶的总质量；(5)重复(3)~(4)至少三次，取平均值；(6)重复(2)~(5)，在(2)中选择方形孔开始放水；(7)处理数据，并从实验中得出结论，分析原因，整理仪器。4五．注意事项1．由于水箱是人工制作完成且体积过大，在未加内隔板时出现过鼓胀现象，长边与底面连接处的中部渗水现象明显。加入内隔板后虽然鼓胀现象消失，但仍不能保证该水箱可以完全密封，所以在使用过程中要密切注意其渗水现象。实验过程中应保证水箱外壁干燥，如有发现漏水，渗水现象要及时用玻璃胶封堵，以减少误

8、差。2．实验过程中对于孔的封堵的要求较高，目前发现用透明胶封堵的效