Гидравлические трамплины

ПРИМЕЧАНИЕ: В этом эксперименте используется относительно мощный погружной насос. Насос следует подключать только к розетке GFCI, чтобы свести к минимуму электрические риски. Убедитесь, что рядом с местом проведения эксперимента не работают другие устройства с питанием от кондиционера.

1. Изготовление проточного сооружения и резервуара в открытом канале (см. схему и фотографию, рис. 3)

1. Отрезаем прозрачный акриловый лист толщиной ~6,0 мм × шириной 9,5 см следующими длинами: 2×15 см, 2×25 см, 1×34 см, 1×41 см (рис. 3а). Рекомендуется использовать настольную пилу или лазерный резак для того, чтобы края были относительно ровными, а листы имели одинаковую толщину.
2. Вырежьте отверстия в правых нижних углах двух акриловых листов по 60 × 45 см для крепления расходомера (рис. 3а). Вырежьте отверстие в верхней правой части переднего листа для установки клапана регулирования потока.
3. Используйте акриловый цемент (, например, , SCIGRIP 16) для склеивания акриловых панелей, как показано на рисунке 3a. Обеспечьте достаточную вентиляцию и надевайте перчатки при работе с акриловым цементом. Полезно наносить цемент с помощью игольчатого шприца и использовать малярную ленту для позиционирования панелей во время отверждения. Дайте цементу застыть в течение 24 - 48 часов.
4. Установите расходомер на переднюю панель и закрепите прилагаемыми винтами. Установите редукционные фитинги от 1 NPT до 1/2 NPT на входных и выходных отверстиях расходомера. Установите 1/2 NPT до 0,5 дюйма. Адаптеры с зазубренными фитингами внутреннего диаметра к этим фитингам.
5. Установите 0,5 дюйма. ID и 0,75 дюйма. Штуцер с зазубринами внутреннего диаметра на задвижке (регулирование расхода). Подсоедините штуцер с зазубринами к погружному насосу с помощью трубки длиной ~20 см так, чтобы ручка клапана совпадала с отверстием в правом верхнем углу акрилового корпуса (рис. 3b-c).
6. Вставьте насос в нижний бачок, а клапан установите так, чтобы шток клапана проходил через монтажное отверстие, а ручка находилась снаружи корпуса (рис. 3c).
7. Вставьте вертикальную акриловую панель рядом с входной частью проточного устройства так, чтобы под ней было отверстие примерно 5,0 мм (рис. 3b-c). Этот компонент будет действовать как шлюзовой затвор, и может подниматься и опускаться для управления потоком из верхнего резервуара в канал.
8. Неплотно наполните верхний резервуар мочалкой из нержавеющей стали. Это помогает равномерно распределить входящий поток воды по каналу.
9. Соедините выходное отверстие клапана с входом расходомера с помощью мягкой пластиковой трубки. Подсоедините выходное отверстие расходомера к верхнему резервуару с помощью пластиковой трубки. Убедитесь, что вход трубки в верхний резервуар хорошо закреплен, чтобы он не раскачивался при включении насоса.
10. Наполните водой нижний резервуар.

2. Проведение эксперимента

1. Измерьте высоту зазора под воротами с помощью линейки и обозначьте значение как H₁.
2. Включите насос и отрегулируйте расход с помощью клапана до различных расходов (5 - 15 л мин^-1). Используйте линейку для измерения глубины жидкости ниже по течению от затвора (H₂) для каждого случая.
3. Качественно наблюдайте за формами гидравлических скачков, которые образуются при разных скоростях потока. Следите за минимальным пороговым расходом для формирования гидравлического скачка. Чем острее, тем больше амплитуда (H₂ -H₁), скачки должны происходить при более высоких скоростях потока.

3. Анализ данных

1. Для каждого случая скорости потока рассчитайте скорость на входе V₁, исходя из объемного расхода. , где - объемный расход, а W - ширина канала.
2. Оцените число Фруда на входе () и теоретическую глубину жидкости на выходе для каждого случая (уравнение 4). Сравните эти значения с измеренными глубинами прыжков вниз по течению.

Рисунок 3: а. Схема и размеры конструкции объекта. b. Технологическая схема гидравлического прыжкового сооружения. c. Фотография экспериментального объекта с подписью.