Skoki hydrauliczne

UWAGA: W tym eksperymencie wykorzystano stosunkowo mocną pompę głębinową. Pompę należy podłączać wyłącznie do gniazdka GFCI, aby zminimalizować ryzyko elektryczne. Upewnij się, że w pobliżu eksperymentu nie działają żadne inne urządzenia zasilane klimatyzacją.

1. Wykonanie urządzenia przepływowego i zbiornika w otwartym kanale (patrz schemat i zdjęcie, rys. 3)

1. Cięte odcinki o grubości ~6,0 mm × przezroczystym arkuszu akrylowym o szerokości 9,5 cm o długościach: 2×15 cm, 2×25 cm, 1×34 cm, 1×41 cm (rys. 3a). Zaleca się użycie piły stołowej lub wycinarki laserowej, aby upewnić się, że krawędzie są stosunkowo płaskie, a arkusze mają równą grubość.
2. Wytnij otwory w prawych dolnych rogach dwóch arkuszy akrylowych o długości 60 × 45 cm, aby zamontować przepływomierz (rys. 3a). Wytnij otwór w prawym górnym rogu przedniego arkusza, aby zainstalować zawór sterujący przepływem.
3. Użyj cementu akrylowego (e.g., SCIGRIP 16) do sklejenia paneli akrylowych, jak pokazano na rys. 3a. Zapewnij odpowiednią wentylację i noś rękawice podczas pracy z cementem akrylowym. Pomocne jest nakładanie cementu za pomocą strzykawki z igłą i użycie taśmy maskującej do ustawiania paneli podczas utwardzania. Pozostaw cement do utwardzenia przez 24 - 48 godzin.
4. Zamontuj przepływomierz na panelu przednim i przymocuj za pomocą dostarczonych śrub. Zamontuj złączki redukcyjne od 1 NPT do 1/2 NPT na portach wlotowych i wylotowych przepływomierza. Zainstaluj 1/2 NPT na 0,5 cala. adaptery do złączek kolczastych o średnicy wewnętrznej do tych łączników.
5. Zainstaluj 0,5 cala. Identyfikator i 0,75 cala. Złączka kolczasta ID na zasuwie (regulacja natężenia przepływu). Podłącz złączkę kolczastą do pompy głębinowej za pomocą rurki o długości ~20 cm tak, aby uchwyt zaworu pokrywał się z otworem w prawym górnym rogu akrylowej obudowy (rys. 3b-c).
6. Włóż pompę do dolnego zbiornika i zamontuj zawór tak, aby trzpień zaworu przechodził przez otwór montażowy, a uchwyt znajdował się na zewnątrz obudowy (rys. 3c).
7. Włóż pionowy panel akrylowy w pobliżu części wlotowej urządzenia przepływowego, tak aby pod nim znajdował się otwór o średnicy około 5.0 mm (rys. 3b-c). Komponent ten będzie działał jak wrót śluzy i może być podnoszony i opuszczany, aby kontrolować przepływ z górnego zbiornika do kanału.
8. Napełnij luźno górny zbiornik druciakiem z wełny ze stali nierdzewnej. Pomaga to w równomiernym rozprowadzeniu przepływu wody wlotowej w kanale.
9. Podłącz wylot zaworu do wlotu przepływomierza za pomocą odcinka miękkiej plastikowej rurki. Podłącz wylot przepływomierza do górnego zbiornika za pomocą plastikowej rurki. Upewnij się, że wlot rurki do górnego zbiornika jest dobrze zakotwiczony, aby nie wychylał się po włączeniu pompy.
10. Napełnij dolny zbiornik wodą.

2. Przeprowadzanie eksperymentu

1. Zmierz wysokość szczeliny pod bramą za pomocą linijki i oznacz wartość jako H₁.
2. Włącz pompę i dostosuj natężenie przepływu za pomocą zaworu do różnych natężeń przepływu (5 - 15 l min^-1). Użyj linijki, aby zmierzyć głębokość cieczy za bramką (H₂) dla każdego przypadku.
3. Jakościowo obserwuj kształty skoków hydraulicznych, które tworzą się przy różnych natężeniach przepływu. Zwróć uwagę na minimalne progowe natężenie przepływu dla powstania skoku hydraulicznego. Ostrzejsza, większa amplituda (H₂ -H₁), skoki powinny następować przy większych natężeniach przepływu.

3. Analiza danych

1. Dla każdego przypadku natężenia przepływu oblicz prędkość wlotową, V₁, na podstawie objętościowego natężenia przepływu. gdzie to natężenie przepływu, a W to szerokość kanału.
2. Oceń liczbę Froude'a na wlocie () i teoretyczną głębokość cieczy za wlotem dla każdego przypadku (równanie 4). Porównaj te wartości ze zmierzonymi głębokościami skoku w dół rzeki.

Rysunek 3: a. Schemat i wymiary konstrukcji obiektu. b. Schemat przepływu skoku hydraulicznego. c. Oznaczone zdjęcie obiektu doświadczalnego.