流體力學試驗實驗6噴流撞擊試驗

流力試驗實驗六

噴射撞擊試驗

作者：吳伯翰、林祐陞、戴憲勝

系級：水利三甲

學號：D9356904、D9357111、D9357078

開課老師：許少華

課程名稱：流體力學試驗

開課系所：水利系

開課學年：95 學年度 第一學期

摘要

當水流沖擊物體表面時，是會產生衝擊力的，而衝擊力大小的測量是本次實 驗的主要課題。 當相同的水流沖擊不同形狀的物體時，物體表面受到的衝擊力是相同的嗎？ 我們對此深感疑惑，於是調查這件事，也是這次實驗的課題之ㄧ。 那要如何測量衝擊力呢？對於這點我們使用槓桿原理，利用法碼和力矩來測 量打擊在物體上的衝擊力。 那麼我們要如何知道得知水流沖擊在不同的物體上的差異性呢？關於這 點，我們使用兩種模型板（有平版型和半球杯型），只要用相同的水流看看他們 受衝擊的狀況，便能得知其差異。 最後我們得知，半球形被衝擊較平板明顯。

關鍵字

噴射撞擊、平板、半球形版

目錄

一、實驗原理 P4-P6

二、實驗過程 P7

三、實驗流程 P8-P13

四、注意事項 P14

五、實驗表格 P14

六、問題討論 P15-P17

七、結論 P17

八、心得 P18-P19

一、實驗原理

由實驗可得知要改變噴射流體的流向需要相當的作用力，如圖三所示，流 體撞擊到固體界面上，被迫改變其原有之流向，而對該固體邊界面施以作用力， 此可由流體之動量方程式予以解析。 下列為公式推導的過程，摘自【1】、【3】：因為葉板中心至之點的距離為 0.15m， 而砝碼重為 600g，故 0.15F=0.6gy，即 F=4gy （1） 射流於管嘴噴出速度：u （m/sec） ₀ Q Q A Q u 12739 ) 10 5 . 78 ( × 6 = = = ₋ （2） 作用於葉板之速度：u₁(m/sec) 686 . 0 2 2 2 2 0 =u − gs=u − u 　 （3） 水流作用力

(

)

∑

F_x = ρQ u₁cosβ −u₀ （4） 葉板所受反作用力

(

)

∑

Fx = ρQ u0 −u1cosβ 　 （5） 平板時 o 90 = β ； cosβ =0 ； F_p = ρQu₀ （6） 半球杯時 o 180 = β ； cosβ =−1 ； Fc =ρQ

(

u0 +u1

)

（7） 若壓力之變化及高程可忽略，則u₁之最大值為u （無能量損失時）₀ ；故作 用於葉板之力 0 2 Qu F_c = ρ （8）

圖一. 噴流撞擊儀器裝置示意圖 【註】試驗儀器之有關資料及符號說明： 噴嘴直徑：10mm 噴嘴斷面積： 2 5 . 78 mm 葉板中心至支點距離：150mm 噴嘴至葉板距離 S：35mm 砝碼離零點距離：Y（m） 砝碼 彈簧支撐桿 支撐桿 刻畫線 半球杯 透明圓柱 噴嘴 進水處 儲水槽

圖二. 噴流撞擊原理 【註】u 為射流於管嘴噴出之速度； ₀ 1 u 為作用於葉板後離開時之速度； F 為作用於葉板上之力； β 為水柱撞擊後的角度。

二、實驗過程

1. 儀器定平。 2. 裝平板型葉板。 3. 儀器歸零。 4. 打開水閥，測流量。 5. 移動法碼，使桿臂水平，記錄移動距離。 6. 測其他流量，重複步驟 4.5.。 7. 改裝半球形葉板，重複步驟 3.~6.。

圖三.本次試驗操作的儀器。

圖五.平版型衝撞版。

圖七.控制水量大小的閥門。

圖九.實驗一開始使桿臂歸零用的調整螺絲。

圖十一.準備沖擊平板時的樣子。

四、注意事項

1. 儀器使用前一定要先定平。 2. 水流衝擊時一定要正中中心，這樣才不會有角度θ的問題出現。 3. 水流不要太大或太小，太大或太小均不太準確。

五、實驗表格

表一.平版型葉板 平板 理論值 實際值 進水量時間(流量(m^3 法碼距離(m 出口流速撞擊流速撞擊動量率作用葉板力 900 10.2 8.81E-05 0.002 1.12293 0.75781 0.06679966 0.07848 580 5.31 0.000109 0.004 1.39145 1.11779 0.1220933 0.15696 810 5.29 0.000153 0.0095 1.95058 1.76581 0.27037894 0.37278 1340 5.3 0.000253 0.018 3.2208 3.11237 0.78690231 0.70632 1380 4.38 0.000315 0.031 4.01366 3.92718 1.23733085 1.21644 1740 4.2 0.000414 0.052 5.27759 5.21212 2.1593075 2.04048 1700 3.43 0.000496 0.071 6.31379 6.25917 3.10221397 2.78604 1220 2.34 0.000521 0.088 6.6417 6.5898 3.43570873 3.45312 1560 2.39 0.000653 0.117 8.315 8.2736 5.40034136 _4.59108 表二.半球形葉板 平板 理論值 實際值 進水量時間(流量(m^3 法碼距離(m 出口流速撞擊流速 撞擊動量率作用葉板力 550 5.3 0.000104 0.001 1.32197 1.030004 0.1068873 0.03924 630 4.52 0.000139 0.0055 1.77557 1.570332 0.2188738 0.21582 940 4.53 0.000208 0.012 2.64341 2.510166 0.5208732 0.47088 1115 4.33 0.000258 0.0295 3.28037 3.173972 0.8173162 1.15758 1480 4.34 0.000341 0.05 4.34418 4.264406 1.4542214 1.962 1640 4.38 0.000374 0.071 4.76985 4.697319 1.7588135 2.78604 1400 3.36 0.000417 0.082 5.30792 5.242831 2.184513 3.21768 1100 2.36 0.000466 0.113 5.93767 5.879559 2.7404726 _4.43412

六、問題討論

1.繪出平板與半球杯作用力之理論值(橫座標)與實測值(縱座標)關係圖，並說明其 斜率之意義。 ANS： 0 2 4 6 idea l 0 1 2 3 4 5 tr u e ta bu la r vane ideal-true Linear Y = 0.87 26 617 25 4 * X + 0.10 35 58 785 9 圖十三.平版型葉板作用力之理論值(橫座標)與實測值(縱座標)關係圖 斜率CP =0.872661754

0 1 2 3 4 5 idea l 0 2 4 6 tr u e

he misph erical van e ide al-tru e Lin ear Y = 1.6 601 52 65 7 * X - 0 .2 45 777 51 97 圖十四.半球杯型葉板作用力之理論值(橫座標)與實測值(縱座標)關係圖 斜率C_C =1.660152657 斜率C_P C 為理論值與實測值得比值，不同葉版比值不同，可是為形狀對作_C 用力的影響因素。平板C_P為 1 上下；半球杯型C 為 2 上下。 _C

2.說明當流體離開平板時，β不剛好為 90°而傾斜 1°，對本實驗有何影響？ ANS： 有所謂的θ值影響，在公式(5)中，可見θ的影響。

(

)

∑

F_x =ρQu₀ −u₁cosθ 所以對平版型葉版而言θ不為 90°時，就會需要考慮離開時的衝撞速u₁。 3.實驗時如果流量太大，可能產生什麼現象，為什麼？ ANS： 流量太大時，出水會不穩定，桿臂的震盪會更明顯。

七、結論

本次的實驗是噴射衝撞試驗，我們做了平版型葉板和半球杯型葉板。 我們在實驗過程中，可發現，在相同流量下衝撞半球杯型葉板時出現的力 明顯比平版型葉板大。所以，形狀是會影響衝擊力的大小。

八、心得

水利三甲 吳伯翰 這實驗是目前做下來最輕鬆的，不到 1 小時就做完了。 我個人覺得，這實驗的設備不是很妥當，光是目測桿臂是否為水平的那個 小刻度，想要看清楚對眼睛而言還真的不是普通的吃力，加上隨著水流加大，抖 動的情況越是嚴重，想要真的靠手靠眼微調，仔細想想，人為誤差應該非常多吧。 也許是實驗輕鬆的關係，報告打起來也格外順手，一除製作上一份報告的 陰霾，這應該是好事吧。 在製作數據演算時有幾件事讓我覺得蠻納悶的。 有一點是關於噴嘴流速，我們噴嘴流速是由出水口的流量求出的，但是這 是不是應該要用入水口的流量來求會較為恰當？雖說理論上入水口流量會等於 出水口流量，但這畢竟是現實而非理論，看到那些卡在管壁上的小水滴時總是會 讓我想說這會不會又是個誤差。 另一點就是撞擊動量率的單位問題，這個東西不管怎麼想單位都不會是 N 啊，可是如果不是 N 那還真的看不懂結論是在比什麼耶。有種少了什麼東西的 感覺。 2006/10/16 吳伯翰

八、心得

水利三甲 林祐陞 這實驗是在牛頓第三運動定律作用力及反作用力的基礎下完成，由於平板 與半球杯的形狀不一樣所以得到的作用力不一樣，這可以說明作用力的大小可隨 不同形狀的葉片而改變；實驗的過程中，在流量太大時會發生一個問題，桿臂沒 辦法維持在水平不動狀態，會上下起伏震動，使得實驗數據不能輕易讀取。在安 裝平板及半球杯需要注意是否準確的始液體作用力在中心點上，如果沒有就須重 新安裝以免實驗產生誤差。 2006/11/19 林祐陞

八、心得

水利三甲 戴憲勝 這次實驗跟前幾個比起來，真是意想不到的輕鬆無比，實驗起來當然相當 愉快，不用被時間來壓迫吹趕，每個實驗只要可以調流量或馬達轉速，我們這組 都會嘗試傳說中的 Max，結果發現當流量 Max 時，水柱打在半球杯比平板還來的 壯觀，不論撞擊力或產生的水花，都是平板所創造不出來的力與美。 2006/11/19 戴憲勝

參考文獻

1. 許少華，2006，流體力學試驗手冊。