靜水壓強(qiáng)及真空儀的研制

鐘 敏， 肖先煊， 劉 洋， 蔡國(guó)軍

(成都理工大學(xué) 環(huán)境與土木工程學(xué)院, 地質(zhì)工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心, 四川 成都 610059)

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·儀器設(shè)備研制與開發(fā)·

靜水壓強(qiáng)及真空儀的研制

鐘 敏， 肖先煊， 劉 洋， 蔡國(guó)軍

(成都理工大學(xué) 環(huán)境與土木工程學(xué)院, 地質(zhì)工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心, 四川 成都 610059)

介紹一種室內(nèi)開展靜水壓強(qiáng)測(cè)定的試驗(yàn)裝置，即靜水壓強(qiáng)及真空儀。該儀器可實(shí)現(xiàn)在液體表面壓強(qiáng)大于、小于及等于大氣壓強(qiáng)的條件下，試驗(yàn)人員測(cè)定液體內(nèi)部不同位置的壓強(qiáng)大小。通過試驗(yàn)，學(xué)生能較好地掌握靜水壓強(qiáng)的基本方程，理解幾個(gè)關(guān)于壓強(qiáng)的重要概念，同時(shí)，該試驗(yàn)的開展，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率和效果明顯得到了提高。具有一定的實(shí)踐教學(xué)意義及推廣意義。

靜水壓強(qiáng)； 真空； 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)； 水力學(xué)

0 引 言

流體力學(xué)是一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，具有較強(qiáng)的實(shí)踐性。對(duì)流體靜力學(xué)的學(xué)習(xí)和研究除了課堂理論教學(xué)外，還需結(jié)合試驗(yàn)室的操作、動(dòng)手平臺(tái)，通過試驗(yàn)來達(dá)到進(jìn)一步鞏固理論知識(shí)的目的。流體力學(xué)由兩部分組成，即流體靜力學(xué)及流體動(dòng)力學(xué)。前者是研究流體在靜止?fàn)顟B(tài)下的一些基本特征和規(guī)律；后者則主要研究流體在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的特性及規(guī)律[1-4]。本文基于水靜力學(xué)，研制了靜水壓強(qiáng)及真空試驗(yàn)儀，并通過試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。該儀器可在實(shí)驗(yàn)室測(cè)定液體內(nèi)部任意一點(diǎn)的相對(duì)壓強(qiáng)的儀器，為水力學(xué)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)起到了良好的促進(jìn)作用。

1 設(shè)計(jì)原理

在靜止液體里，根據(jù)液體的特性，既不會(huì)有切應(yīng)力，也不會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力，而只有壓應(yīng)力，質(zhì)點(diǎn)間的互相作用或質(zhì)點(diǎn)與邊界之間的相互作用只能以壓應(yīng)力的形式來體現(xiàn)，因?yàn)檫@個(gè)壓應(yīng)力發(fā)生在靜止?fàn)顟B(tài)的液體中，所以在水力學(xué)中稱之為“靜水壓強(qiáng)”。根據(jù)液體的物理力學(xué)性質(zhì)，處于靜止?fàn)顟B(tài)的液體之間以及質(zhì)點(diǎn)與邊壁之間的相互作用力是通過壓強(qiáng)的形式來表現(xiàn)的，所以水靜力學(xué)的核心問題就是根據(jù)平衡條件來求解靜水壓強(qiáng)的分布。掌握了靜水壓強(qiáng)的分布規(guī)律就能確定靜止水體作用于各種水工建筑物壁面上的作用力，因此水靜力學(xué)的知識(shí)具有重要的實(shí)際意義[5-8]。

設(shè)計(jì)原理是以水靜力學(xué)理論為基礎(chǔ)，即在重力作用下的靜止液體中，壓強(qiáng)隨深度按線形規(guī)律變化。靜止液體中任一點(diǎn)壓強(qiáng)p都于表面壓強(qiáng)p0與從該點(diǎn)到液體自由表面的單位面積上對(duì)液柱重量γh之和[9-11]，即：

p=p0+γh

根據(jù)該理論設(shè)計(jì)的儀器主體為密閉水箱，水箱中液面可承受不同壓力，即常壓、正壓和負(fù)壓。為改變水箱中液面壓力，設(shè)計(jì)了調(diào)壓給水、退水裝置。為展現(xiàn)水箱中靜水壓強(qiáng)分布規(guī)律，設(shè)計(jì)了表現(xiàn)水箱中不同點(diǎn)壓強(qiáng)大小的測(cè)壓排[12-13]。

2 儀器的結(jié)構(gòu)及作用

(1) 調(diào)壓給水裝置。該部分由有機(jī)玻璃儲(chǔ)水筒和螺旋升降裝置組成，儲(chǔ)水筒底部有管路與靜水壓力實(shí)驗(yàn)箱相通。通過儲(chǔ)水筒的升降可使靜水壓力實(shí)驗(yàn)箱中水體液面為常壓、正壓或負(fù)壓(形成真空)。

(2) 靜水壓力實(shí)驗(yàn)箱。為儀器主體，由有機(jī)玻璃制成，用于盛裝被測(cè)液體，右側(cè)有管路與調(diào)壓給水裝置相通，右側(cè)中部、底部、頂部分別有管路與測(cè)壓管相通，頂部還有活塞可使箱體內(nèi)部開啟或密閉。箱體尺寸40 cm×20 cm×10 cm，箱體容積為8 L。

(3) 測(cè)壓排。位于儀器右側(cè)，由7根測(cè)壓管組合而成，分別與水箱不同點(diǎn)連通，用于表現(xiàn)水中不同表面壓強(qiáng)下被測(cè)點(diǎn)的壓力水頭分布特征。其中有兩根測(cè)壓管裝入酒精，可用于水力學(xué)方法測(cè)定液體容重。測(cè)壓排側(cè)邊設(shè)置標(biāo)尺，可測(cè)讀測(cè)壓管水位標(biāo)高。

(4) 有機(jī)玻璃底座。由80 cm×30 cm×0.8 cm的有機(jī)玻璃板制作，用于組裝儀器各部分，便于拆卸維修。

儀器的結(jié)構(gòu)見圖1。

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

參照理論教學(xué)的要求，結(jié)合該儀器性能，設(shè)計(jì)了以下實(shí)驗(yàn)。設(shè)計(jì)此試驗(yàn)的目的是在p0>pa及p0

3.1 試驗(yàn)方法

儀器裝置由水頭調(diào)節(jié)器、密封容器和測(cè)壓管排組成。通過水頭調(diào)節(jié)器升降，使容器內(nèi)進(jìn)水或退水，在氣閥關(guān)閉時(shí)使容器內(nèi)氣體(或液體表面)為大于大氣壓強(qiáng)(p0>pa)或小于大氣壓強(qiáng)(p0

3.2 實(shí)驗(yàn)過程

在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)過程中，有以下3個(gè)環(huán)節(jié)需要完成。

(1)p0=pa。初始狀態(tài)，開啟氣閥，使液體表面壓強(qiáng)等于大氣壓強(qiáng)，即p0=pa，此時(shí)水頭調(diào)節(jié)器，容器內(nèi)及5、6、7測(cè)壓管液面，根據(jù)連通器原理，其液面應(yīng)在同一水平面上，表明儀器處于正常狀態(tài)，可以開始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

(2)p0>pa。實(shí)驗(yàn)開始，開啟氣閥，將水頭調(diào)節(jié)器降底至最低位置，此時(shí)容器內(nèi)水在重力作用下流向水頭調(diào)器，關(guān)閉氣閥，再將水頭調(diào)節(jié)上升到最高位置，此時(shí)水頭調(diào)節(jié)器中的水在重力作用下流向容器內(nèi)，由于氣閥已關(guān)閉，容器內(nèi)氣體不能排出，而使液面壓強(qiáng)p0大于氣壓強(qiáng)pa，A、B兩點(diǎn)的壓強(qiáng)也相應(yīng)增加，此時(shí)與大氣連通的2、4、5、6號(hào)測(cè)壓管水位上升，與容器頂部連通的測(cè)壓管水位下降，測(cè)壓管水頭差值即為液體表面相對(duì)壓強(qiáng)，待各測(cè)壓關(guān)水位穩(wěn)定后，將其水頭值記錄于表1。

(3)p0

表1 測(cè)壓管水位記錄表

3.3 實(shí)驗(yàn)成果

根據(jù)靜水壓強(qiáng)基本方程在p0>pa及p0

通過實(shí)驗(yàn)討論問題:

(1) 靜水力學(xué)(壓強(qiáng))基本方程的壓強(qiáng)表示式及水頭表示式是意義，兩式是任何轉(zhuǎn)換的。

(2) 繪3個(gè)圖，分別表示如何用測(cè)壓管測(cè)量氣體壓強(qiáng)；如何測(cè)量液體內(nèi)任點(diǎn)壓強(qiáng)；如何測(cè)量?jī)牲c(diǎn)的壓差。

(3) 試述產(chǎn)生真空的條件，何謂負(fù)壓？何謂真空壓強(qiáng)、真空高度？

表2 靜水壓強(qiáng)及真空實(shí)驗(yàn)成果表

4 結(jié) 語

通過2年使用，教師和學(xué)生反映較好認(rèn)為：① 儀器設(shè)計(jì)合理，構(gòu)思巧妙，儀器采用全透明材料，密閉容器氣密性好；② 操縱靈活簡(jiǎn)便，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象直觀，測(cè)試條件穩(wěn)定，儀器尺寸合理，能保證直觀教學(xué)需要；③ 真空度是理論教學(xué)的難點(diǎn)，在學(xué)習(xí)過程中難理解，通過實(shí)驗(yàn)，較好的理解了真空高度，真空壓強(qiáng)的基本概念及表現(xiàn)形式，而且學(xué)會(huì)了用水力學(xué)方法測(cè)定液體比重，通過實(shí)驗(yàn)很好地達(dá)到了教學(xué)目的。

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Design of the Hydrostatic Pressure and Vacuum Gauge

ZHONGMin,XIAOXian-xuan,LIUYang,CAIGuo-jun

(College of Environment & Civil Engineering，Laboratorial Center for Geo-Engineering,Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China)

This article describes a test apparatus which can measure hydrostatic pressure in the indoor environment. It is the "hydrostatic pressure and vacuum instrument." The instrument can be operated when the liquid surface pressure is greater than, less than or equal to the atmospheric pressure conditions. The test person can measure the liquid pressure at different locations inside the liquid. Through experiments, students can better grasp the basic equation of hydrostatic pressure, understand some important concepts about the pressure. By the trial, the efficiency and effectiveness of experimental teaching are significantly improved. It has a certain meaning and significance to promote the practice of teaching.

hydrostatic pressure; vacuum; design of experiment; hydraulics

2014-05-29

國(guó)家自然科學(xué)青年基金(41202209)；四川省教育廳基金項(xiàng)目(11ZB038)

鐘 敏(1975-)，女，四川內(nèi)江人，助理實(shí)驗(yàn)師，現(xiàn)主要從事環(huán)境工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)及相關(guān)研究工作。

Tel：13438202035；E-mail：591587466@qq.com

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1006-7167(2015)03-0066-03