Hydraulische sprongen

OPMERKING: Dit experiment maakt gebruik van een relatief krachtige onderwaterpomp. De pomp mag alleen op een GFCI-stopcontact worden aangesloten om elektrische risico's te minimaliseren. Zorg ervoor dat er geen andere A/C-apparaten in de buurt van het experiment werken.

1. Fabricage van open-kanaal stroomvoorziening en tank (zie diagram en foto, Fig. 3)

1. Snijd lengte van ~ 6,0 mm dik × 9,5 cm breed doorzichtig acrylplaat met de volgende lengtes: 2 × 15 cm, 2 × 25 cm, 1 × 34 cm, 1 × 41 cm (Fig. 3a). Het wordt aanbevolen om een tafelzaag of lasercutter te gebruiken om ervoor te zorgen dat de randen relatief vlak zijn en de platen een gelijke dikte hebben.
2. Snijd gaten in de onderste rechterhoeken van de twee 60 × 45 cm acrylplaten om de stroommeter te monteren (Fig. 3a). Snijd een gat in de bovenste rechterkant van de voorste plaat om de stroomregelklep te installeren.
3. Gebruik acrylcement (bijv. SCIGRIP 16) om de acrylpanelen te verbinden zoals aangegeven in Fig. 3a. Zorg voor voldoende ventilatie en draag handschoenen bij het hanteren van het acrylcement. Het is handig om cement met een naaldspuit aan te brengen en afdektape te gebruiken om panelen tijdens het uitharden te positioneren. Laat het cement 24 - 48 uur uitharden.
4. Installeer de stroommeter op het voorpaneel en bevestig deze met de meegeleverde schroeven. Installeer 1 NPT naar ½ NPT verminderende fittingen op de inlaat- en uitlaatpoorten van de stroommeter. Installeer ½ NPT naar 0,5 inch binnendiameter gebarste fittingadapters op die fittingen.
5. Installeer een 0,5 inch ID en een 0,75 inch ID gebarste fitting op de schuifafsluiter (stroomsnelheidsregeling). Verbind de gebarste fitting met de onderwaterpomp met een lengte van ~ 20 cm slang zodat de klephendel zich uitlijnt met het gat aan de bovenkant rechts van de acrylbehuizing (Fig. 3b-c).
6. Plaats de pomp in het onderste reservoir en installeer de klep zodat de klepsteel door het montagegat gaat en de hendel buiten de behuizing ligt (Fig. 3c).
7. Plaats een verticale acrylpaneel nabij het inlaatgedeelte van de stromingsvoorziening zodat er ongeveer een opening van 5,0 mm onder zit (Fig. 3b-c). Dit onderdeel zal fungeren als de sluispoort, en kan worden opgetild en neergelaten om de stroming van het bovenste reservoir naar het kanaal te regelen.
8. Vul het bovenste reservoir losjes met een pad van roestvrij staalwol. Dit helpt om de inlaatwaterstroming gelijkmatig over het kanaal te verdelen.
9. Verbind de klepuitlaat met de stroommeterinlaat met een lengte zachte plastic slang. Verbind de stroommeteruitlaat met het bovenste reservoir met plastic slang. Zorg ervoor dat de slanginlaat naar het bovenste reservoir goed verankerd is zodat deze niet uitzwaait wanneer de pomp wordt ingeschakeld.
10. Vul het onderste reservoir met water.

2. Uitvoeren van experiment

1. Meet de hoogte van de opening onder de poort met een liniaal en noteer de waarde als H₁.
2. Zet de pomp aan en pas de stroomsnelheid aan met de klep naar verschillende stromingssnelheden (5 - 15 l min^-1). Gebruik een liniaal om de vloeistofdichtheid stroomafwaarts van de poort (H₂) te meten voor elke geval.
3. Bekijk kwalitatief de vormen van de hydraulische sprongen die zich bij verschillende stromingssnelheden vormen. Kijk uit voor de minimale drempelstroomsnelheid voor het ontstaan van een hydraulische sprong. Scherpere, grotere amplitude (H₂ -H₁) sprongen moeten voorkomen bij hogere stromingssnelheden.

3. Gegevensanalyse

1. Bereken voor elke stroomsnelheidsgeval de inlaatsnelheid, V₁, van de volumetrische stroomsnelheid. waar het volumedebiet is en W de kanaalbreedte is.
2. Evalueer het inlaat Froude-nummer () en de theoretische stroomafwaartse vloeistofdichtheid voor elk geval (Eqn. 4). Vergelijk deze waarden met gemeten stroomafwaartse sprongdieptes.

Figuur 3: a. Schema en afmetingen van faciliteitsstructuur. b. Stroomdiagram van hydraulische sprongvoorziening. c. Gelabelde foto van experimentele faciliteit.