流体力学实验-水击实验

Goodisgood,butbettercarriesit.精益求精，善益求善。流体力学实验-水击实验（十二）水击实验（十二）水击实验PAGEPAGE10page10（十二）水击实验PAGE（四）水击实验一、实验目的要求：1、了解水击原理及水击产生的原因；2、了解水击清除的方法，水击的利用；二、实验装置：本实验仪器由恒压水箱、供水管、调压筒、水击室、压力室、气压表、扬水机出水管、水击发生阀、逆止阀、水泵、可控硅无级调速器、水泵过热保护器及集水箱等组成。其装置如下图所示。151412111091387654321图1水击装置图图中:1、恒压水箱2、扬水机出水管供水管3、气压表4、扬水机截止阀5、压力室6、调压筒7、水泵8、水泵吸水管9、供水管10、调压截止阀11、水击发生阀12、逆止阀13、水击室14、集水箱15、底座三、实验方法：1、打开供水开关；2、启动水击发生阀：启动阀11必须先向下推开，并使过水系统中的空气全部排出（打开调压筒截止阀可排出空气）。然后松手，阀11就会自动地往复上下运动，时开时闭而发生水击。3、测量水击压强：测量时，应全关闭阀10和4，且应关紧不漏水。4、水击扬水实验：应全开阀4，全关阀10。5、调压筒实验：应全关阀4，全开阀10。6、流量调节：可通过调控可控硅无级调速器旋钮，改变流量大小。7、其它注意事项：若供水管、压力室或阀10下部调压筒中的滞留空气未排净，或水质不洁等而导致逆止阀漏水，或集水箱水位偏低，都有可能使水击压强达不到额定值。此时应按前述过程重新操作，或更换水质增加集水箱水量.四、实验原理：1、水击的产生和传播：水泵能把集水箱14中的水送入恒压供水箱1中，水箱1设有溢流板和回水管，能使水箱中的水位保持恒定。工作水流自水箱1经供水管9和水击室13再通过水击发生阀11的阀孔流出，回到集水箱14。实验时，先全关阀10和4，触发起动阀11。当水流通过阀11时，水的冲击力使阀11上移关闭而快速截止水流，因而在供水管9的末端首先产生最大的水击升压。并事水击室13同时承受到这一水击压强。水击升压以水击波的形式迅速沿着压力管道向上游传播，到达进口以后，由进口反射回来一个减压波，使管9末端和水击室13内发生负的水击压强。本实验仪能通过阀11和12的动作过程观察到水击波的来回传播变化现象。即阀11关闭，产生水击升压，使逆止阀12克服压力室5的压力而瞬时开启，水也随即注入压力室内，并可看到压力表3随着产生的压力波动。然后，在进口传来的负水击作用下，水击室13的压强低于压力室5，使逆止阀12关闭。同时，负水击又使阀11下移而开启。这一动作过程既能观察到水击波的传播变化现象，又能使本实验仪保持往复的自动工作状态，即当阀11再次开启后，水流又经阀孔流出，回复到初始工作状态。这样周而复始，阀11不断地启闭，水击现象也就不断地重复发生。2、水击压强的定量观测：水击可在极短的时间内产生很大的压强，尢如重锤锤击管道一般，可造成管道的破坏。由于水击的作用时间短，升压大，通常需用复杂而昂贵的电测系统作瞬态测量，而本仪器用简便的方法可直接地量测出水击升压值。此法的测压系统是由逆止阀12、压力室5和气压表3组成。阀11每一开一关都能产生一次水击升压，由于作用水头、管道特性和阀的开度均相同，故每次水击升压值相同。每当水击波往返一次，都将向压力室5内注入一定水量，因而压力室内的压力随水量的增加而增大，一直到其值达到与最大水击压强相等时，逆止阀12才不打开，水流也不再注入压力室5，压力室内的压力也就不再增高。这时，可从连接与压力室空腔的压力表3测量压力室5中的压强，此压强即为阀11关闭时产生的最大水击压强，这一测量原理可用一个日常生活例子来加深理解：如一个人用气筒每次以3kg/cm2的压强向轮胎内打气，显然，只有反复多次打，轮胎内的压强方可达到且只能达到3kg/cm2。本实验仪工作水头为25cm左右，气压表显示的水击压强值最大可达300mm汞柱以上，即达到20倍左右的工作水头。表明水击有可能造成工程破坏。3、水击的利用—水击扬水原理：水击扬水机由图中的1、9、11、12、13、5、4、2等部件组成。水击发生阀11每关闭一次，在水击室13内就产生一次水击升压，逆止阀12随之被瞬时开启，部分高压水被注入压力室5，当阀4开启时，压力室的水便经出水管2流向高处。由于阀11的不断动作，水击连续多次发生，水流亦一次一次地不断注入压力室，因而便源源不断地把水提升到高处。这正是水击扬水机工作原理，本仪器扬水高度为37cm，即超过恒压供水箱的液面达1.5倍的作用水头。水击扬水虽然能使水流从低处流向高处，但它仍然遵循能量守恒定律。扬水提升的水量仅仅是流过供水管的一部分，另一部分水量通过阀11的阀孔流出了水击室。正是这后一部分水量把自身具有的势能（其值等于供水箱液面到阀11出口处的高度差）以动量传输的方式，提供给了扬水机扬水。由于水击的升压可达几十倍的作用水头，因而若提高扬水机出水管2的高度，水击扬水机的扬程也可相应提高，但出水量会随着高度的增加而减小。4、水击危害的消除—调压筒（井）工作原理：如上所述，水击有可利用的一面，但更多的是它对工程具有危害性的一面。例如，水击有可能使输水管爆裂。为了消除水击的危害，常在阀门附近设置减压阀或调压筒（井），气压室等设施。本仪器设有由阀10和调压筒6组成水击消减装置。实验时全关阀4，全开阀10，然后手动控制阀11的开与闭。由气压表3可见，此时，水击升压最大值约为100mm汞柱，其值仅为阀10关闭时的峰值的1/3。同时，该装置还能演示调压系统中的水位波动现象。当阀11开启时，调压筒中水位低于供水箱水位（以下称库水位），而当阀11突然关闭时，调压筒中水位很快涌高并且超过库水位，并出现和竖立U型水管中水体摆动现象性质相同的振荡，上下波动的幅度逐次衰减，直至静止。调压系统中的非定常流和水击的消减作用，在实验中可作如下说明：设置了调压筒，在阀11全开下的定常流时，调压筒中维持低于库水位的固定自由水面。当阀11突然关闭时，供水管9中的水流因惯性作用继续向下流动，流入调压筒，使其水位上升，一直上升到高出库水位的某一最大高度后才停止。这时全管流速等于零，流动处于暂时停止状态，由于调压筒水位高于库水位，故水体作反向流动，从调压筒流向水库。又由于惯性作用，调压筒中的水位逐渐下降，至低于库水位，直到反向流速等于零为止。此后供水管中的水流又开始流向调压筒，调压筒中的水位再次回升。这样，伴随着供水管中水流的往返运动，调压筒中水位也不断上下波动，这种波动由于供水管和调压筒的阻力作用而逐渐衰减，最后，调压筒水位稳定在正常水位。设置调压筒后，在过流量急剧改变时仍有水击发生，但调压筒的设置建立了一个边界条件，在相当大程度上限制或完全制止了水击向上游传播。同时水击波的传播距离因设置调压筒而大为缩短，这样既能避免直接水击的发生，又加快了减压波返回，因而使水击压强峰值大为降低，这就是利用调压筒消减水击危害的原理。