流体静压强的测量液柱式测压计

流动参数的测量
一、静压强的测量抽搐症
流体力学实验中,压强是描述流体状态和运动的主要参数之一。设S ∆为流体中任意小的面积,P ∆为与S ∆相邻的流体微团作用在该微团上的力,当S ∆无限缩小并趋于一点时,其上的压力由数学表示为
lim
S P
P S
∆→∞∆=∆
通过测量压强还可以求得流体速度、流量等许多力学量。因此在流体力学实验中,压强的测量是最基本和最重要的测量。由于压强测量都是以差值的方式出现,即压强值都是相对某个基准而言的。常用的基准有绝对压强和计示压强,绝对压强是以完全真空为基准计量的压强;计示压强是以当地大气压强为基准计量的压强。
压强分静压强、动压强和总压强,总压强=动压强+静压强
1)静压强:流场中某一点得静压强指的是该点三个方向法向压强的平均值现代veracruz
1122331
()3
P σσσ=-++,对管流来说,就是对管壁的法向压强,该压强不会引起流线变化
火地人或者可以理解为一个与流体同样的运动速度的物体所受到的压强,一般采用管壁上引出或采用有侧孔的探头测量。
2)总压:又称驻点压强。流体受到滞止,在没有任何能量损失的情况下速度降至零时的驻点压强,一般采用有迎流矢方向测孔的探头测量。
3)动压强:引起流体运动的压强,用总压强减静压强所得。
测量压强的仪表称为测压计。根据测量方式的不同,测压计分为三类:第一类液柱式测压计,它们是根据流体静力学基本方程式利用液柱高度直接测出压强的。它们测量准确,可测微压,不适用于高压的测量,下面将作详细阐述。第二类金属式测压计,它们是利用金属的弹性变形并经过放大来测出压强的,是间接测量法。图1中用椭圆断面的金属弯管来感受压强的波登管测压计和b 中用金属膜片来感受压强的膜片式测压计都是这种测压计。它们可
测较高的压强,不适于微压的测量。长期使用,金属的弹性变形会有变异,需要定期标定。第三类电测试测压计,它们是利用感受元件受力时产生压电效应、压阻效应等的电讯号来测量压强的,是间接测量法。图2为压电晶体式传感器的结构示意图,常用的还有应变片式传感器等。它们测量准确、灵敏,可测动态压强,且可小型化,特别适用于自动化测量。
图1
它们受环境的影响较大,反复使用也会产生变异,使用前要进行标定。
下面介绍几种常见的液柱式测压计。
1、 测压管
如图3,测压管是结构最简单的液柱式测压计,采用直径均匀的玻璃管制造,测量时将其直接连接到测量压强的容器上。为了减小毛细现象的影响,玻璃管的直径一般不小于10mm 。图3(a )为被测流体的压强高于大气压强的情况。被测点的绝对压强和计示压强分别为:
a p p gh ρ=+
e a p p p gh ρ=-=mgmb
(b )为被测流体的压强低于大气压强的情况。被测点的绝对压强和真空分别为
a p p gh ρ=-      v p g h
ρ=
2、 U 形管测压计
图4所示为U 形管测压计。为减小毛细现象影响对管径的要求同上,它的测压量程比测压管大。U 形管中的工作液体一般为水、酒精或水银,假设其密度为2ρ,被测流体的密度为1ρ,图中(a )为被测流体的压强高
于大气压强的情况,由于点1和点2在同一流体的水平线-等压面上,故12p p =,由
111p p gh ρ=+    222a p p g h ρ=+
故有
2211a p p gh gh ρρ=+-  2211e a p p p gh gh ρρ=-=-
图4(b )为被测流体的压强低于大气压强的情况。按照同样的方法可得
图2
图3
2211a p p gh gh ρρ=--  2211v a p p p gh gh ρρ=-=+
若被测流体为气体,由于气体的密度很小,11gh ρ可以忽略不计。
化石的资料
U 形管测压计还可以用来测量二容器中流体的压强差。图5所示二容器中流体的密度均为
1ρ,U 形管中工作液体的密度为 2ρ,由于1、
2两点在同一等压面上, 故12p p =,有
11122A B p gh p gh gh ρρρ+=++
A 、
B 两点的压强差为
1221121()A B p p p gh gh gh gh ρρρρρ∆=-=+-=-
若被测流体为气体,由于气体的密度很小,11gh ρ可以忽略不计。  3、 倾斜式微压计
图6为倾斜式微压计的构造简图。截面积2A 的宽广容器与截面积1A  倾斜角α可调的带有刻度的斜管相连通,容器中充以密度为ρ的工作液体(通常用3810/kg m ρ=的酒精)。当微压计为感受压强差时,容器和斜管中的液面齐平,如图中0-0所示。当微压计感受压强差时,比如21p p >,容器中的液体下降2h ,斜管中的液面上升1sin h l α=。由于容器中液体下降的体积和斜管中液体上升的体积相等,有
1
22A h l
A = 。故二液面的高度差为
1
122(sin )
A h h h l A α=+=+
所测的压强差为  1
212
(sin )A p p p gh g l kl A ρρα∆=-==+=
式中 1
2(sin )
A k g A ρα=+七五期间
为微压计系数,为了测量结果计算的方便,国产Y -61型倾
斜式微压计在支架上刻有不同倾斜角的k 值:0.2、0.3、0.4、0.6、0.8。在设定k
值的情况
图5
图6
下,在斜管上读出l 值,由上式便可算出压强差。若被测气体的压强高于大气压强,被测气体接容器,斜管开口通大气,测得的是被测气体的计示压强;若被测气体的压强低于大气压强,被测气体接斜管,容器开口通大气,测得的是被测气体的真空。可见,测压时总是高压接容器,低压接斜管,否则便无法测量。它用于测量气体的压强,测量精度要高,可测较微小的压强、压强差。由于工作液体蒸发、斜管污染等,需定期清污标定。  4、 补偿式微压计
图7为补偿式微压计的结构简图。盛有液体的环形水匣1通过软管5和观测筒2相连、水匣在长螺杆4上的位置可以调节,观测筒内有水准头3.测压前调节水匣的位置,使水准头与液面在同一水平线上,如图a 所示,当被测压强p 作用于观测筒内的液面上时,液面下降(或上升)。向上(或下降)调节水匣的位置,观测筒内的液面跟着上升(或下降),直至水准头又与液面在同一水
平线上。图b 所示为水匣上升的情况。根据上升(或下降)的高度h ∆即可求得被测压强
a p p g h ρ=±∆  e p g h ρ=±∆
被测压强高于大气压强的,用式中的正号,低于大气压强的用式中的负号。补偿式微压计的螺杆螺距为1mm ,螺杆上端安装有100分格的分度盘,它的最小分辨率为1%mm 2H O 即0.0980665Pa 。它用
于测量气体的压强,测量精度很高,可测很微小的压强,常用于要求精确的实验测定以及倾斜式微压计等的标定。
图7
二、流速的测量
流速是描写流体运动的重要参数。由于速度是矢量,因此,速度的测量应包括其方向和大小。流速与流向测量经典方法主要是通过某绕流物理表面的压强测量来实现的。其基本理论依据是质量守恒定律和能量守恒定律,其流体力学的基本方程就是连续性方程和伯努力方程。
(一)、毕托管方法:其构造原理下图所示。
(a)毕托管的构造原理示意图(b)实际应用的毕托管示意图
图8
计算公式:
在A、B处列方程:
因A、B较近,故,且管口处速度,故有:
可见,动能在B处转换方程静压强,故A.B压强,可由毕托管测得

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