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孔口和管嘴出流实验.doc 8页
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孔口与管嘴出流实验
本实验通过通过对不同管嘴与孔口的流量系数测量分析，了解进口形状对出流能力的影响及相关水力要素对孔口出流能力的影响，并且掌握孔口与管嘴出流的流速系数、流量系数、侧收缩系数、局部阻力系数的量测技能。
管嘴和孔口的出流流体的形态,一直引起有关研究者的兴趣,文献[1～5]综述了这方面的工作。早在17世纪就有人开始研究,包括Bernouli,Reynolds,Barres等等许多人均在此领域有所建树,涉及流体形态特征、孔口与出流形态的影响,出流形态的显示方法等。到本世纪90年代,李文平等人[6]考察了垂直矩形薄壁孔射流轮廓的变化,指出射流的断面形状在流体的不同位置呈现不同的形态。射流轮廓由孔口处的规则矩形,随出流距离的增加发生有规律的收缩,到一定程度转换为一个近似的十字架形态,其长短轴分别为垂直取向和水平取向。在研究范围内,除了非完全收缩区外其它水面线均与孔口宽高比、模型尺寸无关。Hager[1]用摄像法记录扁矩形孔射流的出流形态,发现矩形长边垂直设置的孔口出流,流体上缘首先收缩,向侧面扩展,最后包覆流体的下部,呈现美丽的伞形;而水平设置的孔口出流的边缘,随出流距离的增加,持续发生横向收缩,其边缘增厚。槐文信等人[7]研究了双孔平面射流的吸附现象。根据两股流体间存在的相互吸附效应(Coanda效应),两股流体之间被卷吸的流体得不到补充或补充不足,则相互吸引汇成一股射流。研究指出,在两孔平面射流之间的补充流体小于其卷吸量,其内缘因此效应发生相互吸附,从而汇成一股射流。
本实验装置如图9.1所示。
测压管12和标尺11用于测量水箱水位、孔口管嘴的位置高程及直角进口管嘴2#的真空度。防溅板8用于管嘴的转换操作，当某一管嘴实验结束时，将旋板旋至进口截断水流，再用橡皮塞封口；当需开启时，先用旋板档水，再打开橡皮塞。这样可防止水花四溅。移动触头9位于射流收缩断面上，可水平向伸缩，当两个触块分别调节至射流两侧外缘时，将螺丝固定，然后用游标卡尺测量两触块的间距，即为射流收缩断面直径。本设备还能演示明槽水跃。
管嘴出流、孔口出流示意图
对O-O面，及C-C面列流束能量方程：
对于孔口出流：
对于管咀出流：
实验方法与步骤
1．记录实验常数，各孔口管嘴用橡皮塞塞紧。
2．打开调速器开关，使恒压水箱充水，至溢流后，再打开1#园角管嘴，待水面稳定后，测记水箱水面高程标尺读数，测定流量（要求重复测量三次，时间尽量长些，以求准确），测量完毕，先旋转水箱内的旋板，将1#管嘴进口盖好，再塞紧橡皮塞。
3．依照上法，打开2#管嘴，测记水箱水面高程标尺读数及流量，观察和量测直角管嘴出流时的真空情况。
4．依次打开3#园锥形管嘴，测定及。
5．打开4#孔口，观察孔口出流现象，测定及，并按下述的方法测记孔口收缩断面的直径（重复测量三次）。然后改变孔口出流的作用水头（可减少进口流量），观察孔口收缩断面直径随水头变化的情况。
6．关闭调速器开关，清理实验桌面及场地。
7．注意事项：
（1）实验次序先管嘴后孔口，每次塞橡皮塞前，先用旋板将进口盖掉，以免水花溅开；
（2）量测收缩断面直径，可用孔口两边的移动触头。首先松动螺丝，先移动一边触头将其与水股切向接触，并旋紧螺丝，再移动另一边触头，使之切向接触，并旋紧螺丝，再将旋板开关顺时针方向关上孔口，用卡尺测量触头间距，即为射流直径。实验时将旋板置于不工作的孔口（或管嘴）上，尽量减少旋板对工作孔口、管嘴的干扰；
（3）进行以上实验时，注意观察各出流的流股形态，并作好记录。
实验成果及要求
1．有关常数：
实验装置台号
圆角管嘴D1=14mm
方孔D2=13mm
圆锥管嘴D3=14mm 圆孔D4=11mm
出口高程读数Z1=Z2=19.1cm
出口高程读数Z3=Z4=7.0cm
2．整理记录及计算表格
考虑误差源的影响，计算出流速系数、流量系数、侧收缩系数、局部阻力系数的误差限。指出最应该注意的测量物理量是哪些。
最需要注意的是d引起的误差.
实验分析与讨论
(1).结合观测不同类型管嘴与孔口出流的流股特征，分析流量系数不同的原因及增大过流能力的途径。
由实验结果可知，流股形态及流量系数如下：
园角管嘴出流的流股呈光滑园柱形，u = 0.807；
直角管嘴出流的流股呈园柱形麻花状扭变，u =0.7835；
园锥管嘴出流的流股呈光滑园柱形，u = 0.9666；
孔口出流的流股在出口附近有侧收缩，呈光滑园柱形，u
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夫琅和费衍射3.2-1矩孔
备用原始图片3.2.2 夫琅和费矩形孔和圆孔衍射 （第二个有误w）1.夫琅和费矩形孔衍射夫琅和费矩孔衍射中光源、衍射屏和衍射图样的对应.备用3.2 夫朗和费衍射3.2.2 夫琅和费矩形孔和圆孔衍射1.夫琅和费矩形孔衍射 (图上注释是菲涅尔衍射)方孔菲涅耳衍射3.2 夫朗和费衍射3.2.1 夫朗和费衍射装置3.2 夫朗和费衍射3.2.1 夫朗和费衍射装置 如果考虑单色平行光垂直入射到开孔平面上的夫琅和费衍射， 装置如图所示。单色点光源S发出的光波经透镜L1准直后垂直投射到 孔径∑上; 孔径∑的夫琅和费衍射在透镜L2的后焦面上观察。若开孔面上有均匀的光场分布，可令： E x y ? A ? const ?? 1, 1 ?3.2 夫朗和费衍射3.2.1 夫朗和费衍射装置因透镜紧贴孔径，z1≈f。所以，后焦平面上的光场复振 幅可写为：~ E ( x, y ) ? C???e ?ik ( xx1 ? yy1 ) / f dx1 dy1 ,式中： (C ? ? iA ex2 ? y2 ik ( f ? ) 2f?f)3.2 夫朗和费衍射3.2.1 夫朗和费衍射装置I明暗条纹位置分布研究的问题条纹强度分布3.2 夫朗和费衍射3.2.1 夫朗和费衍射装置SS为与缝平行的线光源时SS为点光源时3.2 夫朗和费衍射3.2.1 夫朗和费衍射装置单缝夫琅和费衍射3.2 夫朗和费衍射3.2.1 夫朗和费衍射装置1. 明暗条纹位置分布P0中央明纹（中央极大）任意点 P （用半波带法） 抓住缝边缘两光线光程差,若：a sin ? ? 2Pa? 2 ? 2?2???P0将缝分成两部份(两个半波带)，? 相邻半波带对应子波光程差为 2?f在P 点叠加相消，故:P 处为第一暗纹。3.2 夫朗和费衍射3.2.1 夫朗和费衍射装置 再考虑另一点P ' ，若P'a sin ? ? 4?2? 2?将缝分成4个半波带， 可以判断出P’处 应 是第二级暗纹。 以此类推， K级暗纹（极小）：a? ? 2 2?? ? 2 2a sin ? ? ?k?a sin ? ? ?(2k ? 1)k ? 1,2,3,?（缝被分成偶数个半波带） K级明纹（极大）：k ? 1,2,3,? 2 （缝被分成奇数个半波带）2????0中央明纹3.2 夫朗和费衍射3.2.1 夫朗和费衍射装置a sin? ??k?k ? 1,2,? 暗纹（极小） （缝被分成偶数个半波带）?2? (2k ? 1)明纹（极大）k ? 1,2,?? ?0（缝被分成奇数个半波带） 中央明纹x讨论：A. ? ? 0 中央明纹又宽又亮（为其它明纹宽度的两倍） 暗纹 k ? 1 a sin ?1 ? ??1 ? sin ?1 ? ?aΔ?af?1 ?1x1 x1I3.2 夫朗和费衍射3.2.1 夫朗和费衍射装置 半角宽 中央明纹 角宽度2?1 ? 2?1 ? sin ?1 ? ?a?a中央明纹线宽度 2 x1 ? 2 ftg?1 ? 2 f?aB. a ?, 则?1 ? Δ? ?C. ? ?, 则?1 ? ?? ? 白光照出彩条。3.2 夫朗和费衍射3.2.1 夫朗和费衍射装置2. 单缝夫朗和费衍射的强度分布I03.2 夫朗和费衍射3.2.2 夫琅和费矩形孔和圆孔衍射1.夫琅和费矩形孔衍射夫琅和费矩孔衍射中光源、衍射屏和衍射图样的对应.3.2 夫朗和费衍射3.2.2 夫琅和费矩形孔和圆孔衍射1.夫琅和费矩形孔衍射图示是夫琅和费矩形孔衍射的光路图，透镜焦平面上P （x,y）点的光复振幅为~ ~ sin ? sin ? ?ik ( xx1 ? yy1 ) / f b/2 a/2 E ( x, y ) ? C ? ? b / 2 ? ? a / 2 e dx1 dy1 ? E0??3.2 夫朗和费衍射3.2.2 夫琅和费矩形孔和圆孔衍射1.夫琅和费矩形孔衍射式中： E 0 ? E 0 ?a, b? ? Cab 是观察屏中心点P0处的光场复振幅；a,b 分别是矩形孔沿x1,y1轴方向的宽度； α,β分别为： P点的光强度为：~2 ? sin ? ? ? sin ? I ( x, y ) ? E ? I 0 ? ? ? ? ? ? ? ? ?2~~??kax kby , ?? 2f 2f? ? ? ?2I0是P0点的强度，I0=|Cab|2。3.2 夫朗和费衍射3.2.2 夫琅和费矩形孔和圆孔衍射1.夫琅和费矩形孔衍射 ⑴衍射光强分布 对于沿x轴的光强度分布，因y=0，有? sin ? ? I ? I0 ? ? ? ? ?2在α＝0时（对应于P0点），有主极大，IM/I0=1； 在α＝mπ（m=±1，±2，…）处，有极小值，IM=0；2?f f? ?m 暗点的位置为 ka a 相邻两点之间的间隔为 ?x ? f? a x?m在相邻两个暗点之间有一个强度次极大，位置由下式决定：d d? ?? sin ? ? 2 ? ?? ? ? ? 0 ? tg? ? ? ? ? ? ?? ? ?3.2 夫朗和费衍射3.2.2 夫琅和费矩形孔和圆孔衍射1.夫琅和费矩形孔衍射⑴衍射光强分布3.2 夫朗和费衍射3.2.2 夫琅和费矩形孔和圆孔衍射1.夫琅和费矩形孔衍射⑴衍射光强分布 ? s in ? 夫琅和费矩形孔衍射在y轴上的光强度分布由 I ? I 0 ? ? ? ? 决定，其分布特性与x轴类似。⑵中央光斑 矩形孔衍射的光能量主要集中在中央亮斑处。 边缘在x,y轴上的位置是： x ? ? 中央亮斑面积为4 f 2 ?2 S0 ? ab? ? ? ?2f? f? ,y ?? a b特点：中央亮斑面积与矩形孔面积成反比，在相同波长和装 置下，衍射孔愈小，中央亮斑愈大，但是相应P0点光强愈小。3.2 夫朗和费衍射3.2.2 夫琅和费矩形孔和圆孔衍射1.夫琅和费矩形孔衍射⑶衍射图形状①当a=b，沿x,y方向有相同的衍射图样； ②当a≠b，沿x,y方向的线度不同、形状一样的衍射图样； ③当a&b时，衍射图样沿x轴亮斑宽度比沿y轴的亮斑宽度大。
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