旋转水射流冲击压强的实验分析
液体压强演示实验教案及反思
液体压强演示实验教案及反思教案标题：液体压强演示实验教案及反思教案目标：1. 通过液体压强演示实验，让学生理解液体压强的概念和原理。
2. 培养学生观察、实验设计和数据分析的能力。
3. 培养学生合作和团队合作的能力。
教学资源：1. 实验室设备：透明容器、水、不同形状的物体（如塑料球、木块等）、刻度尺。
2. 实验记录表格。
3. 教学投影仪。
教学步骤：引入（5分钟）：1. 利用教学投影仪展示一些与液体压强相关的图片，引起学生对该主题的兴趣。
2. 提问学生：你们知道什么是液体压强吗？请简单解释一下。
实验设计（10分钟）：1. 向学生解释实验的目的和步骤。
2. 分组让学生合作设计实验，以探究液体压强与物体形状、液体深度和液体密度之间的关系。
3. 指导学生记录实验设计和所需材料。
实验操作（20分钟）：1. 按照学生设计的实验步骤，进行实验操作。
2. 学生观察和记录实验结果。
数据分析（10分钟）：1. 学生根据实验结果，整理数据并绘制图表。
2. 引导学生分析图表，讨论液体压强与物体形状、液体深度和液体密度之间的关系。
实验总结（10分钟）：1. 学生分享实验结果和分析。
2. 教师总结实验内容，强调液体压强的概念和原理。
3. 提问学生：你们在实验中遇到了哪些困难？你们对实验结果有什么疑问或发现？反思：1. 教师反思：实验设计是否合理？学生是否理解液体压强的概念和原理？是否需要进一步加强实验操作和数据分析的指导？2. 学生反思：你们在实验中是否遇到了困难？你们对实验结果有什么疑问或发现？扩展活动：1. 鼓励学生进行更多的实验探究，如改变液体的种类、温度等因素，观察液体压强的变化。
2. 提供相关的练习题，巩固学生对液体压强的理解。
教案反思：在教案撰写过程中，我充分考虑了学生的实验设计和数据分析能力的培养，以及合作和团队合作的重要性。
通过引入、实验设计、实验操作、数据分析和实验总结等环节，学生能够全面理解液体压强的概念和原理，并培养他们的实验技能和思维能力。
流体漩涡演示实验报告
一、实验目的1. 了解流体漩涡的形成机理和影响因素。
2. 通过实验观察漩涡的产生、发展和消散过程。
3. 掌握实验操作技能，提高实验观察和分析能力。
二、实验原理流体漩涡是流体在运动过程中，由于流线弯曲、压力变化等因素，使流体产生旋转运动的一种现象。
当流体流经弯曲管道或遇到突变的边界时，容易产生漩涡。
本实验通过观察水流在圆形管道中流动产生的漩涡，分析漩涡的形成机理和影响因素。
三、实验器材1. 圆形管道（直径约10cm，长度约50cm）2. 水龙头3. 水槽4. 实验台5. 摄像机6. 计时器四、实验步骤1. 将圆形管道水平放置在实验台上，一端连接水龙头，另一端连接水槽。
2. 打开水龙头，调节水流速度，使水流在圆形管道中稳定流动。
3. 观察并记录水流在圆形管道中的流动状态，特别注意观察漩涡的产生、发展和消散过程。
4. 使用摄像机记录漩涡现象，以便后续分析。
5. 改变实验条件，如改变水流速度、管道直径等，观察漩涡现象的变化。
五、实验结果与分析1. 实验观察结果表明，当水流在圆形管道中流动时，由于管道的弯曲，水流会产生旋转运动，形成漩涡。
2. 漩涡的形成与水流速度、管道直径等因素有关。
水流速度越大，漩涡越明显；管道直径越小，漩涡越容易形成。
3. 漩涡的发展过程包括形成、增长、稳定和消散四个阶段。
在漩涡形成阶段，漩涡中心区域的流速较大，边缘区域的流速较小；在漩涡增长阶段，漩涡的直径逐渐增大；在漩涡稳定阶段，漩涡的直径保持不变；在漩涡消散阶段，漩涡逐渐缩小直至消失。
4. 实验中，当改变水流速度或管道直径时，漩涡现象也随之发生变化。
如水流速度增大，漩涡更加明显；管道直径减小，漩涡更容易形成。
六、实验结论1. 流体漩涡是流体在运动过程中产生的一种旋转运动现象，其形成与水流速度、管道直径等因素有关。
2. 漩涡的发展过程包括形成、增长、稳定和消散四个阶段。
3. 通过观察和分析漩涡现象，可以了解流体运动的基本规律，为实际工程应用提供理论依据。
观察水流旋涡实验报告
一、实验目的1. 了解水流旋涡的形成原理。
2. 观察水流旋涡的形态和运动规律。
3. 分析水流旋涡对水流速度和方向的影响。
二、实验原理水流旋涡是流体运动中的一种常见现象，其形成原理主要与流体力学中的伯努利方程和流体动力学原理有关。
当流体通过一个障碍物或进入一个收缩区域时，流速会增大，压力会降低，从而产生旋涡。
旋涡的形成会导致流体速度和方向的变化，进而影响整个流场的分布。
三、实验材料1. 实验装置：水槽、水泵、阀门、管道、旋涡发生器等。
2. 实验工具：秒表、量筒、温度计、流速计等。
四、实验步骤1. 准备实验装置，将水槽、水泵、阀门、管道和旋涡发生器连接好。
2. 打开阀门，使水流从水泵进入水槽，调节阀门使水流速度适中。
3. 将旋涡发生器放置在水槽中，观察水流旋涡的形成过程。
4. 使用秒表记录旋涡的形成时间，使用流速计测量旋涡中心处的流速。
5. 改变旋涡发生器的位置和角度，观察水流旋涡的变化情况。
6. 记录实验数据，分析旋涡对水流速度和方向的影响。
五、实验结果与分析1. 观察到水流旋涡的形成过程，发现旋涡中心处的流速较大，边缘处的流速较小。
2. 通过实验数据，计算出旋涡中心处的流速约为2.5m/s，边缘处的流速约为1.5m/s。
3. 当旋涡发生器位置改变时，旋涡的形态和运动规律也随之改变。
例如，将旋涡发生器向右移动，旋涡向右旋转；将旋涡发生器向左移动，旋涡向左旋转。
4. 当旋涡发生器角度改变时，旋涡的旋转速度和方向也会发生变化。
例如，将旋涡发生器角度调整为45°，旋涡的旋转速度会变慢，方向偏向45°。
5. 分析实验数据，发现旋涡对水流速度和方向的影响较大。
当旋涡中心处的流速较大时，水流速度会增大；当旋涡向某一方向旋转时，水流方向也会偏向该方向。
六、实验结论1. 水流旋涡是流体运动中的一种常见现象，其形成原理与流体力学原理有关。
2. 旋涡中心处的流速较大，边缘处的流速较小，旋涡对水流速度和方向有较大影响。
水流冲击超声速气体射流实验研究
水流冲击超声速气体射流实验研究引言水流冲击超声速气体射流实验是研究流体力学和超音速流动的重要实验方法，可以深入探究流体流动中的物理规律和现象。
本文将对水流冲击超声速气体射流实验进行全面、详细、完整和深入地探讨。
背景水流冲击超声速气体射流实验是通过将超音速气体射流注入水流中，观察并研究其对水流的冲击效应以及相应的物理现象。
该实验可用于研究超声速流动的条件、流动模式和射流辐散等特性。
实验方法1.实验装置和材料–实验装置包括水槽、超声波发生器、压缩空气源、流速测量仪器等。
–材料包括水和气体（如氮气或氧气）。
2.实验步骤1.在水槽中注入适量的水，并保持水流处于稳定状态。
2.启动超声波发生器，产生适当频率的超声波。
3.将超声波传入水槽中，形成超声波场。
4.启动压缩空气源，将超声速气体射流注入水流中。
5.观察并记录射流冲击水流的效果。
实验结果分析1.射流冲击效应分析–射流冲击水流后，水流发生明显波动，产生激波和压力变化。
–冲击效应与超声波的频率、射流速度和水流速度等因素有关。
2.射流辐散特性分析–射流在冲击水流后会发生辐散。
–辐散过程中，射流的速度、密度和温度等参数发生变化。
3.超声波场与射流相互作用分析–超声波场对射流的辐散和压力分布具有重要影响。
–射流对超声波场的传播速度和传播模式也起到一定影响。
4.实验参数优化–通过调节超声波频率、射流速度和水流速度等参数，可优化实验效果。
–针对不同的研究目的，制定相应的参数优化策略。
实验应用1.流体力学研究–通过水流冲击超声速气体射流实验，可以深入研究流体力学中的压力变化、激波传播和流动模式等现象。
–可应用于飞行器气动性能研究、火箭发动机喷管设计等领域。
2.超音速流动研究–通过射流冲击水流的实验方法，可以更好地理解超音速流动中的各种现象和规律。
–可用于超音速飞行器设计、空气动力学研究等方面。
结论水流冲击超声速气体射流实验是一种重要的研究流体流动和超音速流动的实验方法。
水射流冲击平板问题分析
１ 物理描 述
ｌ Ｑ ｌ ＝ ￣ Ｑ ｏ （ １ ＋ Ｃ Ｏ Ｓ ） 最终可得： ｛
ｌ Ｑ ２ ＝ 寺 （ １ 一 ｃ ｏ ｓ ０ ） 本文考虑二维情况下的水射流冲击平板问题 ， 并对其进行了分析。 二维模型如 图 １ 所示 ， 一股速度为 ， 体积流量为 的水射流从管道入射 ， 冲击在一倾斜角为 的平板上 ，其后在平板上分为两股流体 ，体积流量 ３ 数值计算 分别 为 和 ，根据理论 分析可得到平 板所受冲击 力以及平板上流 量的 ３ １ 数 值 计 算 方 法 分配情况 。 考虑空气 中水射流 冲击平 板问题 ，水流的流动必然 引起周 围空气 的流动 ，故为气液两相流 问题 ，计算中采用 “ 流体体积 （ Ｖ ｏ ｌ ｕ ｍ ｅ ｏ ｆ Ｆ ｌ ｕ ｉ ｄ — ＶＯＦ ）方法求解。 Ｖ Ｏ Ｆ 方法作为一种解决两相流 问题的方法 ，是通过体积函数来追 踪相 间界面 ，具 有物理概念清晰、容易实现 、计算量小 以及精 度较高 的优点 。 追踪各相流体的体积分数可 以通过连续性方程来求解 ，例如第 相 流体 的体积分数可 以通过如下的连续性方程求解 ：
由 动 量 方 程 得 ： ∑ ， ： Ｉ Ｊ ｐ Ｖ ｄ ｖ Ｊ ＋ ∑ （ ） 一 ∑ （ ｇ ）
在定常流动 的情况下 ，上式右边第一项为零 。因此其分量式为 ：
∑ ＝ ∑（ ） 一 ∑（ ）
∑ ＝ ∑（ ） 一 ∑ ）
由图 １ 所示可知其具体表达式分别为 ：
去 Ｉ 昙 （ ＋ ｖ ． ａ ｋ Ｐ ｋ ） ＝ Ｓ ｋ ＋ ｎ （ ｍ ） ｌ
图 １ 水射流 冲击平板 问题示 意图
式中 ：巳 ｋ 是第 ｋ相流体 的密度 ；Ｉ Ｔ １ ： 是第 ｋ相流体 流入 第 Ｚ相流 体 中的质量 ；ｒ ｎ 是第 Ｚ相流体流入第 ｋ相流体 中的质量 ； Ｓ 为源项 ， 如果多相流体 间没有特殊的质量输运 ，该项一般取 ０ 。 ３ ２ 计算 区域及边界条件 建立如 图 ２ 所示流动 区域进行模拟 ，其 中 Ｂ Ｃ ，Ａ Ｄ 为水流入射管
液体射流对结构冲击响应的实验研究
液体射流对结构冲击响应的实验研究引言：
液体射流可在工业和实验领域中产生高速液体流动，其具有强大的冲击能力。
在结构设计和材料研究中，了解液体射流对结构的冲击响应至关重要。
因此，本实验旨在通过实验研究，探究液体射流对结构的冲击响应。
1. 实验装置
本实验采用如下装置：
- 液体喷射器：用于产生高速液体射流。
- 结构模型：用于承受射流冲击并记录相关数据。
2. 实验步骤
2.1 准备工作
在进行实验前，应确认液体喷射器和结构模型的工作状态正常。
确保实验环境安全并提前校准所需的测试仪器。
2.2 实验设定
根据实验需求，设置液体喷射器的射流速度、射流角度以及喷射时间等参数。
这些参数应根据实际情况进行调整，以模拟不同类型的冲击情况。
2.3 实验记录
开始实验时，以适当的时间间隔记录液体喷射器喷射液体的速度、喷射角度等相关数据，并随时记录结构模型的冲击响应情况。
3. 结果分析
通过对实验记录的数据进行分析，可以得出如下结论：
- 液体射流的速度和角度对结构的冲击程度产生直接影响。
较高的射流速度和射流角度会导致更强烈的冲击效果。
- 结构型号和材料的差异也会对冲击响应产生影响。
不同的结构和材料对液体射流的冲击响应程度不同。
4. 结论
综上所述，液体射流对结构的冲击响应是具有挑战性的问题。
通过实验研究，我们可以深入了解液体射流对结构的冲击效应，并为结构设计和材料研究提供重要参考。
水击综合实验
水击综合实验指导书流体力学实验室2005年水击综合实验一、实验目的1．观察管道水击现象的发生、传播与消失过程，增强对水击现象的感性认识。
2．量测水击引起的压强增量，加深对水击影响的定量认识。
3．了解水击的利用—水击扬水原理。
4．通过调压室水位振荡现象的演示，以及使用调压室前、后水击压强增量的变化情况，了解调压室消减水击压强的作用。
二、实验装置水击实验装置由集水箱、吸水管、水泵、恒压水箱、供水管、水击室、水击发生阀、调压筒、压力室、扬水机出水管、气压表等组成。
实验装置如下图所示。
水击实验装置图1．恒压水箱2．扬水机出水管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．调压筒截止阀11．水击发生阀12．逆止阀13．水击室14．集水箱15．底座16．回水管水泵把集水箱中的水送入恒压供水箱中，水箱内设有溢流板和回水管，能使水箱中的水位保持恒定。
工作水流自水箱经供水管和水击室，再通过水击发生阀的阀孔流出，回到集水箱。
三、实验原理1．水击的产生和传播在有压管路中流动的液体，当考虑流体的压缩性和管壁的变形时，由于某种外界原因(如阀门突然关闭、水泵或水轮机组突然停车等)，使得液体流速发生突然变化，并由于液体的惯性作用，引起压强急剧升高和降低的交替变体，即水击。
升压和降压交替进行时，对于管壁和阀门的作用如同锤击一样，因此水击也称为水锤。
实验时，先全关闭调压筒截止阀10和扬水机截止阀4，触发起动水击发生阀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，并使水击室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，使供水管9末端和水击室13内产生负的水击压强。
水击实验仪通过阀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随着产生压力波动。
旋转水实验报告
一、实验目的1. 通过旋转水实验，观察并分析旋转液体表面的形状变化。
2. 探究旋转液体表面的形状与重力加速度、旋转角速度之间的关系。
3. 了解旋转液体在科学研究和实际应用中的重要性。
二、实验原理当圆柱形容器中的液体绕其圆柱面的对称轴匀速转动时，液体表面会形成一个抛物面。
这是因为液体受到向心力（惯性离心力）的作用，导致液体表面各点向旋转轴方向偏离。
抛物面的形状与重力加速度、旋转角速度等因素有关。
三、实验器材1. 圆柱形容器2. 水泵3. 计时器4. 刻度尺5. 数据记录表四、实验步骤1. 将圆柱形容器装满水，确保水面与容器边缘相平。
2. 使用水泵将容器内的水抽出，使其旋转。
3. 观察并记录旋转水表面的形状，用刻度尺测量抛物面的参数。
4. 改变旋转速度，重复步骤3，观察并记录不同旋转速度下抛物面的形状。
5. 根据实验数据，分析旋转液体表面的形状与重力加速度、旋转角速度之间的关系。
五、实验结果与分析1. 观察结果显示，旋转水表面呈抛物面形状。
随着旋转速度的增加，抛物面的开口角度减小，形状更加扁平。
2. 通过计算，得到旋转液体表面的抛物线方程为：y = (gR^2ω^2/2) x^2，其中y为抛物面高度，x为抛物面水平距离，g为重力加速度，R为圆柱形容器半径，ω为旋转角速度。
3. 分析结果表明，旋转液体表面的形状与重力加速度、旋转角速度之间存在以下关系：- 重力加速度越大，抛物面的开口角度越小，形状更加扁平。
- 旋转角速度越大，抛物面的开口角度越小，形状更加扁平。
六、实验结论1. 旋转液体表面呈抛物面形状，其形状与重力加速度、旋转角速度有关。
2. 通过旋转液体实验，可以测量重力加速度和旋转角速度，为科学研究提供数据支持。
3. 旋转液体在科学研究和实际应用中具有重要意义，如液体镜头、分离机等。
七、实验拓展1. 探究不同密度液体的旋转液体实验，观察并分析其表面形状变化。
2. 研究旋转液体在不同温度下的性质变化，如表面张力、粘度等。
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第16卷第1期2007年1月长江流域资源与环境Resources and Environment in the Yangtze BasinVol.16No.1J an.2007 文章编号:100428227(2007)0120042206旋转水射流冲击压强的实验分析胡鹤鸣,陈永灿,李 玲,曾成杰(清华大学水利水电工程系,北京100084)摘 要:利用测压排摄像自动读数法,测量了水垫式旋转磨料射流喷嘴所产生旋转射流的冲击压强。
该方法对测压排内水面标志物进行连续摄像,然后利用计算机程序对所摄图像自动读数,可以用较低的成本较好地实现非恒定压强的测量。
实验结果表明,对于水垫式旋转磨料射流喷嘴产生的旋转射流,切向入流与轴向入流流量之比(流量比)及之和(总流量)是其冲击压强的控制性因素,前者控制其分布和大小,后者只对其大小有影响;各股切向入流的流量不均匀性对射流冲击压强时均值的影响很小;冲击压强脉动强度随着作用位置到射流中心距离的增大而减小。
关键词:旋转射流;冲击压强;压强测量;水垫式旋转磨料射流喷嘴文献标识码:A 射流作用在固体壁面上的冲击压强问题在很多工程领域都会遇到,如大坝泄洪冲击水垫塘底板、水射流切割物料等。
对于射流的冲击破坏作用,一般认为不仅与冲击压强的时均值有关,而且和冲击压强的脉动特性也有很大关系[1]。
以往的研究主要集中在平面射流及普通圆射流上[2～4],旋转射流的冲击压强研究则很少见到。
本文介绍了水垫式旋转磨料射流喷嘴产生的旋转射流冲击固体壁面的冲击压强时均值及其脉动特性的实验研究成果。
在压强的测量方法上,并未采用传统的测压管直接读数法或者价格昂贵的压力传感器法,而是采用了一种新的测压排摄像自动读数法:实验时对测压排进行实时摄像采样,然后进行后期图像处理自动读数,可以得到测点压强的随时变化过程。
1 实验系统实验在清华大学水力学实验室内进行。
整个实验系统可以分为以下4个部分:喷嘴、供水系统、流量测量及控制系统、压强测量及处理分析系统。
喷嘴模型如图1所示,称之为水垫式旋转磨料射流喷嘴[5],采用切向引入式加旋方式,主要为了解决当前旋转磨料射流喷嘴的两个问题:使用寿命短,射流中心区破岩能力低。
喷嘴具有1个轴向入口和4个切向入口,切向入口流道按收缩曲线设计。
实验喷嘴模型采用有机玻璃制作,放大为4倍于实际尺寸。
图1 喷嘴模型Fig.1 Nozzle Model 实验采用自循环系统供水,供水系统由上游水箱、下游水箱、连通软管、潜水泵、供水管等组成。
上下游水箱连通作为储水箱,实验时下游水箱的水由潜水泵抽入供水管,流经流量控制阀门、文透里管流量计进入喷嘴,并由喷嘴射入下方的冲击腔,再由冲击腔侧壁的4根软管流入上游水箱。
4根软管在进入水箱之前合四为一,由一围压控制阀门控制,此阀门是为了制造喷嘴的淹没条件,不同的开度对应不同的淹没深度,即不同的围压。
本文测量了水垫式旋转磨料射流喷嘴所产生的收稿日期:2006209230;修回日期:2006212210基金项目:国家自然科学基金项目(50379018)资助.作者简介:胡鹤鸣(1980～ ),男,河北省衡水人,博士研究生,主要从事流体力学研究.旋转射流对冲击腔底板的冲击压强。
冲击腔为内径145mm ,长度150mm 的圆筒,冲击腔底板上均匀布置了17个测点,可以得到5个不同径向位置处的压强及其分布。
各测点按其与底板中心距离分组,中心测点编号为1,距离30mm 者为22A 、22B 、22C 、22D ,距离42mm 者为32A 、32B 、32C 、32D ,距离60mm 者为42A 、42B 、42C 、42D ,距离85mm 者为52A 、52B 、52C 、52D 。
实验中,切向入流和轴向入流总流量为1.5～3.5L/s ,对应的喷嘴出口流速在2.1～5.0m/s 范围内,喷嘴出口雷诺数为6.35×104～1.48×105。
2 压强测量方法以往的压强测量一般采用两种方法,测压管直接读数法和压力传感器测压法。
前者可以直观监测到测点的水头变化,但只能读取一定时间内的最大值和最小值,用于分析平均值,不仅读数十分困难,而且只能测量水头恒定的情况;后者可以获得测点压强的脉动过程,可以进行统计分析,但传感器成本很高。
本文采用了测压排摄像自动读数法。
事先在测压管中放入醒目的轻质漂浮物用于标志水面位置,并在背景板上按实际长度标明刻度,本实验使用了黑色的轻质塑料小球,直径约2mm ,在白色背景板上非常显眼,而且与水面位置变化的跟随性很好。
实验时,每个工况对测压排进行一定时间的摄像采样;实验完毕后,取各工况得到的视频片断,利用自动读数分析程序逐帧图像进行处理,进行水面位置的自动识别,可以得到各工况各测点的压强随时变化过程。
2.1 压力测量自动读数分析程序压力测量自动读数分析程序采用Matlab 编制,依托其中的图像处理工具箱和高效的矩阵运算,实现了以下功能:将水面标志小球从背景中准确地分离出来,并通过其像素位置计算刻度位置;可对多工况、多测点、长时间测量结果进行批量化处理,令后期处理简单高效。
程序基于二值化特征提取方法,首先将R G B 图片转化为黑白二值图,在各测压管判读区内搜索水面标志小球(即特征亮点)的像素位置,并按照刻度尺寸和像素尺寸的比例还原得到水面刻度值。
摄像采样时使用镜头的长焦段,测压排刻度位置在图像上的不均匀性可以忽略,于是水面的刻度值可以用下式计算:h s =h s 1-h s 2h p 1-h p 2h p +h s 2 其中,h s 1、h s 2为所取判读区上下缘的刻度位置,h p 1、h p 2为其上下缘的像素位置,h p 为水面标志物在所取判读区内的像素位置,由程序自动获得。
图2给出了程序的算法流程,主要包括3个嵌套的循环,如图中虚线框所示。
从用户使用方便出发,并非在第一工况循环完成后才对第二工况进行首帧图像预处理,而是在所有工况的首帧图像预处理完成后,将预处理信息保存在一个文件中,后台程序在逐工况处理过程中随时调用。
由于标志小球色深存在差异,程序中对各测压管判读区分别进行二图2 测压排自动判读程序流程图Fig.2 Flowchart of the Piezometer πs Data Processing Software34 第1期 胡鹤鸣等:旋转水射流冲击压强的实验分析值化,在参考阈值的基础上微调,将亮点数控制在9个以内,且距离最远不超过3像素,不同时满足此二条件者,该时刻无数据。
2.2 测量精度分析这种方法的优点在于可以测量非恒定压强的随时变化过程,直观准确,信息量大,使用普通的数码摄像机即可实现,实验成本较低;不足之处在于只能响应压强低频脉动而且有所滞后,这是因为一方面测点到测压管之间的连接管路相当于低通滤波,另一方面普通摄像机的采样频率一般只有25fp s 。
若想提高脉动压强的测量精度,可从以下两个方面入手:测点与测压管之间用尽量短的硬管(如铜管)连接;使用高速摄像机进行摄像采样。
本实验使用松下NV -GS400GC 数码摄像机进行摄像采样,分辨率为720×576,拍摄画幅实际高度1.5m ,正好覆盖测压排的量程,这样理论上的测量精度为2mm 水柱。
另外,由于轻质塑料小球在水中的浸没深度稍有差别,以及色深不均匀造成的程序读数误差,测量精度可以控制在5mm 水柱以内。
3 实验结果及讨论3.1 入流总流量及流量比的影响入流流量是射流冲击压强的直接影响因素。
对于水垫式旋转磨料射流喷嘴产生的旋转射流,入流流量条件可分为流量比i (切向入流总流量与轴向入流流量之比)和总流量Q (切向入流总流量和轴向入流流量之和)两个方面,前者控制射流的旋转程度,后者控制射流规模,两者都与射流冲击压强有直接关系。
下面通过表1中各工况的冲击压强测量结果分析入流流量比及总流量的影响。
表1给出了各工况下底板中心点的冲击压强时均值,该点为冲击底面上压强最大的点。
可以看到,随着流量比i 的增加,中心点压强逐渐减小,在测量的流量比范围内,大致呈现线性递减规律;随着总流量的增加,中心点压强逐渐增大,增加速度随总流量变化而变化。
图3和图4给出了底板冲击压强径向分布随流量比、总流量的变化,其中径向位置以底板半径为1进行归一化,冲击压强以中心点压强为1进行归一化。
从图3可以看到,随着流量比i 的增大,压强分布呈现逐渐坦化,冲击半径(冲击压强为零处的半径)逐渐增大,冲击压强平均水平逐渐降低,说明旋表1 入流流量比及总流量影响实测工况Tab.1 Experimental Conditions of Different Flow RateRatios and Total Flow Rates工况总流量(L/s )轴向流量(L/s )切向总流量(L/s )流量比中心点压强(cm 水柱)i =0.002.002.000.000.0048.6i =0.112.011.810.200.1144.0i =0.301.991.530.460.3037.3i =0.582.011.270.740.5822.9i =1.012.011.001.011.006.9Q =1.50 1.50 1.150.350.3013.6Q =2.00 2.00 1.530.470.3025.6Q =2.50 2.50 1.920.580.3046.8Q =2.99 2.99 2.300.690.3090.6Q =3.503.502.680.820.30102.7图3 不同流量比时冲击压强的径向分布Fig.3 Radial Distribution of Impact Pressurewith Different Flow Rate Ratios图4 总流量不同情况下冲击压强径向分布Fig.4 Radial Distribution of Impact Pressurewith Different Total Flow Rates转消耗了射流的部分能量。
从图4可以看到,总流量Q 的变化对冲击压强分布影响不大。
因此,入流条件中流量比是控制冲击压强分布的主要因素,而44 长江流域资源与环境 第16卷 流量比和总流量两者均对射流冲击压强的大小有直接影响。
3.2 切向入流不均匀性的影响由于供水系统比较复杂,四股切向入流很难调节到流量完全相等的状态,特别是低流量时差别较大。
实验针对四股切向入流的不均匀性是否会引起底板冲击压强的不对称性进行了多组次测量,选取了3种典型切向不均匀入流工况和切向均匀入流工况进行对比,入流条件如表2所示。
图5给出了切向不均匀入流工况(b 、c 、d )下的冲击压强等值线,与切向均匀入流工况(a )进行对比。
四者均呈现为以中心点为圆心的同心圆,且疏密程度基本一致,冲击面积(零等值线所包围的面积)基本相等,看不到切向入流不均匀性的影响,说明水流进入喷嘴后得到了较好的调整,在喷嘴出口形成了较为稳定的旋转射流。