Salti idraulici

NOTA: questo esperimento utilizza una pompa sommergibile relativamente potente. La pompa deve essere collegata solo a una presa GFCI per ridurre al minimo i rischi elettrici. Assicurarsi che nessun altro dispositivo alimentato a corrente condizionata sia in funzione vicino all'esperimento.

1. Fabbricazione dell'impianto di flusso a canale aperto e del serbatoio (vedi diagramma e fotografia, Fig. 3)

1. Lunghezze di taglio di ~ 6,0 mm di spessore × foglio acrilico trasparente largo 9,5 cm con le seguenti lunghezze: 2×15 cm, 2×25 cm, 1×34 cm, 1×41 cm (Fig. 3a). Si consiglia di utilizzare una sega da tavolo o una fresa laser per garantire che i bordi siano relativamente piatti e che i fogli abbiano lo stesso spessore.
2. Tagliare fori negli angoli in basso a destra dei due fogli acrilici da 60 × 45 cm per montare il flussometro (Fig. 3a). Tagliare un foro nella parte superiore destra del foglio frontale per installare la valvola di controllo del flusso.
3. Utilizzare cemento acrilico(ad esempio,SCIGRIP 16) per incollare i pannelli acrilici come indicato in Fig. 3a. Garantire un'adeguata ventilazione e indossare guanti quando si maneggia il cemento acrilico. È utile applicare il cemento con una siringa ad ago e utilizzare del nastro adesivo per posizionare i pannelli durante la polimerizzazione. Lasciare polimerizzare il cemento per 24 - 48 ore.
4. Installare il flussometro sul pannello frontale e fissare con le viti fornite. Installare 1 raccordi riducenti da NPT a 1/2 NPT sulle porte di ingresso e uscita del flussometro. Installare adattatori per raccordi spinati da 1/2 NPT a 0,5 pollici di diametro interno a tali raccordi.
5. Installare un 0.5 in. ID e un 0.75 in. Raccordo spinato ID sulla valvola a saracinesca (controllo della portata). Collegare il raccordo spinato alla pompa sommergibile con un tubo di lunghezza di circa 20 cm in modo che la maniglia della valvola si alllinei con il foro in alto a destra dell'involucro acrilico (Fig. 3b-c).
6. Inserire la pompa nel serbatoio inferiore e installare la valvola in modo che lo stelo della valvola passi attraverso il foro di montaggio e la maniglia sia all'esterno dell'involucro (Fig. 3c).
7. Inserire un pannello acrilico verticale vicino alla porzione di ingresso dell'impianto di flusso in modo che vi sia un'apertura di circa 5,0 mm sotto di esso (Fig. 3b-c). Questo componente fungerà da paratoiae può essere sollevato e abbassato per controllare il flusso dal serbatoio superiore al canale.
8. Riempire liberamente il serbatoio superiore con un tampone abrasivo in lana di acciaio inossidabile. Questo aiuta a distribuire uniformemente il flusso dell'acqua in ingresso attraverso il canale.
9. Collegare l'uscita della valvola all'ingresso del flussometro con una lunghezza di tubo di plastica morbida. Collegare l'uscita del flussometro al serbatoio superiore con tubi di plastica. Assicurarsi che l'ingresso del tubo al serbatoio superiore sia ben ancorato in modo che non oscilli quando la pompa è accesa.
10. Riempire il serbatoio inferiore con acqua.

2. Esecuzione dell'esperimento

1. Misurare l'altezza dello spazio sotto il cancello utilizzando un righello e indicare il valore come H₁.
2. Accendere la pompa e regolare la portata utilizzando la valvola a varie portate (5 - 15 l min^-1). Utilizzare un righello per misurare la profondità del liquido a valle del cancello (H₂) per ciascun caso.
3. Osservare qualitativamente le forme dei salti idraulici che si formano a diverse portate. Guarda la portata minima di soglia per la formazione di un salto idraulico. Più nitidi, maggiore ampiezza (H₂ -H₁), i salti dovrebbero verificarsi a portate più elevate.

3. Analisi dei dati

1. Per ogni caso di portata, calcolare la velocità di ingresso, V₁, dalla portata volumetrica. dove è la portata volumetrica e W è la larghezza del canale.
2. Valutare il numero di Froude in ingresso ( ) e la profondità teorica del liquido a valle per ciascun caso (Eqn. 4). Confronta questi valori con le profondità di salto a valle misurate.

Figura 3: a. Schema e dimensioni della struttura dell'impianto.b. Diagramma di flusso dell'impianto di salto idraulico.c. Fotografia etichettata dell'impianto sperimentale.