4.3 实验装置和测量仪器

实验装置有两种形式。第一种为活塞式动量方程实验装置，如图4.2所示。该实验装置由供水箱、水泵、开关、稳水箱、管嘴、带活塞和翼片的抗冲平板、溢流调节板和调节杆、退水道、接水盒和回水管等组成。测量仪器有两种，一种是传统的测量方法，仪器为量筒、测压管、有机玻璃标尺和秒表；测量测压管水头的有机玻璃标尺的零点已固定在活塞的圆心处，因此，只要测出液面标尺读数，即为作用在活塞形心处的水深；另一种为自动测量方法，仪器由导水抽屉、盛水容器、限位开关、差压传感器（固定在活塞形心处）、称重传感器、排水泵及差压流量测量仪组成。差压流量测量仪可显示重量、时间、差压。

图4.2 活塞式动量方程实验装置

图4.3是浙江大学研制的带活塞和翼片的抗冲平板的活塞退出活塞套的示意图。由图中可以看出，活塞中心设有一细导水管，进口段位于平板中心，出口方向与轴向垂直。在平板上设有翼片，活塞套上设有窄槽。当水流从管嘴射出时，在射流冲击力的作用下，水流经导水管向测压管内加水。为了自动调节测压管内的水位，以使活塞的平板受力平衡并减小摩擦阻力对活塞的影响，本实验装置应用了自动控制的反馈原理和动摩擦减阻技术。当射流冲击力大于测压管内水柱对活塞的压力时，活塞内移，窄槽关小，水流外溢减小，使测压管内水位升高，水压力增大；反之，活塞外移，窄槽开大，水流外溢增多，测管内水位降低，水压力减小。在恒定射流冲击下，经短时间的自动调整，即可达到射流冲击力和水压力的平衡状态。这时活塞处在半进半出、窄槽部分开启的位置上，由导水管流进测压管的水量和由窄槽外溢的水量相等。由于平板上设有翼片，在水流冲击下，平板带动活塞旋转，因而克服了活塞在沿轴向滑移时的静摩擦力。

图4.3 活塞退出活塞套 的示意图

第二种为杠杆式动量方程实验装置，如图4.4所示。可以看出，该实验装置由供水箱、水泵、开关、稳水箱、溢流调节板、调节杆、管嘴、集水箱、退水道、接水盒和回水管组成。测量系统由冲击平板或凹面板和杠杆组成，杠杆上面设支点和两个砝码。

图4.4 杠杆式动量方程实验装置

设支点o左侧杠杆自重为W₁，力中心距支点的距离为L₁，支点右侧的自重为W₂，力中心距支点的距离为L₂，砝码1的重量为G₁，距支点的距离为L₃，由平衡条件可得

当水流冲击板面时，设水流冲击力为R，这时杠杆的平衡被打破，必须用砝码2来平衡。设砝码2的重量为G₂，距支点的距离为L₄，由力的平衡原理得

将式（4.4）与式（4.5）相减得 RL=G₂L₄-G₁L₃

(4.6)

如果m₂=m₁=m，则

对于平板

对于凹面板

式中：Q为喷嘴的出流量；v为喷嘴出口流速；ρ为液体的密度；α为射流沿曲面板的转折角。