“喷水船设计分析”实验报告.doc

“喷水船设计分析”实验报告 浙江大学建工学院土木系结构0101班 实验组成员 3011211118 王彬 3011211131 江源 3011211138 柳卓 指导老师 毛根海 目录 一、项目简介 二、前期分析 三、实验方案 四、实验结果 五、理论分析 二○○三年十二月十八日 项目简介 喷水船是流体动量定理的工程应用之一。其基本结构如图所示： 船体置于浅水中，通过船内水泵作用，将水以V1的速度吸入船内部，再从尾部以V2的速度喷出。（V2 V1）水体在此过程中被赋予一个向右的水平力F。根据牛顿第三定律，船体亦同时得到一个同样大小的水平向左的推进力。本实验通过测量此推进力F的大小来研究动量定理再实际中如何应用。 二、前期分析 建立了一个基本的船模型之后，我们首先最关心的示船体究竟能获得多大的推动力。这个问题看起来很简单。因为根据流体力学的基本公式 F=PQ (B2V2 – B1V1) ?其中：速度V1、V2都对船体而言。我们只要测出相应各量便可很快得解。事实上，Q和V2的测量方法的确没有太大的争议。但就喷水船前吸水速度V1的确定上，两种不同的观点产生了。 第一种观点认为，流量是守恒的，因此 V2A2= V1A1 A1 A2 分别是进出口的截面面积。所以V1根本用不着区测量，只需通过测出进口的面积比和V2的大小便可知道。 第二种观点认为，流量守恒并没有错，但流速并非是从V1加到V2 ，而是从船速V0开始（也就是对地速度开始），并给出了以下的分析过程： 该观点认为，可以取某一流体微元A分析其过程。再从V0加速到V1过程中受到了水泵对它的吸引力F，方向水平向右；根据牛顿第三定律，船（水泵）同样受到了相同大小的水平向左的推动力。这意味着流体微元A在进入管道以前已经开始了对船体的相互作用。 究竟谁对谁错？我们用实验来说明。 实验方案 我们设计的船体模型如下图所示 在做实验前，我们在实验室老师的帮助下，对船摸进行了技术调整。首先，在两侧分别粘贴了一块塑料泡沫板，这有助于改善船体的抗倾覆能力。其次，在船尾部增设一块平衡板使船体大致能直线行进。另外，由于船中安装的使一只潜水泵，为防止漏气，在实验中使船适量进水，保证其处于正常工作状态。 实验一 定性分析V1大小 在船模设计图纸中，进水口要大于出水口。我们在进水口后套了一个接管可以保证 A2= A1 然后让船模下水，开动水泵观察其是否能行进。如果按照第一种观点（V2A2= V1A1） 那么此时V1= V2，船根本没有得到推动力，也即无法行进。但若按第二种观点，初始时船静止V1= V0=0。而V2仍有相当的速度，因而船仍能以较快的速度前进。 实验二 测定船受的推力 我们在船的尾部悬挂了一根橡皮筋。开动水泵同时牵住橡皮筋，当船达到平衡时，其牵引力理论上就和橡皮筋的拉力相等。我们可以根据橡皮筋的伸长量来计算推力的大小。 四、实验结果。 我们发现即使进水口管径和出水口管径做成相同大小，船体照样向前行进，而且速度较快，因此关于V1的第一种观点不能成立。以下第三个实验着重验证第二种观点是否正确或是应做一些修改。 实测流量 大口径进水口 测号 时间（S） 总流量（ml） 单位时间流量（ml） 平均流量（ml） 1 4.51 1780 394.7 379 2 4.51 1750 388.0 3 4.42 1730 391.4 4 4.80 1760 366.7 5 5.01 1800 359.3 6 4.71 1760 373.7 小口径进水口 测号 时间（S） 总流量（ml） 单位时间流量（ml） 平均流量（ml） 1 5.10 1580 309.8 310.43 2 5.10 1575 308.8 3 5.28 1660 314.4 4 5.29 1630 308.1 5 4.91 1510 307.5 6 5.00 1570 314 测力——橡皮筋伸长长度 大口径进水口 测号 总长量（cm） 伸长量(cm) 平均伸长量(cm) 原长(cm) 力值(N) 1 8.2 3.7 3.7 4.5 1.2 2 8.2 3.7 3 8.3 3.8 小口径进水口 测号 总长量（cm） 伸长量(cm) 平均伸长量(cm) 原长(cm) 力值(N) 1 7.0 2.5 2.5 4.5 0.8 2 6.9 2.4 3 7.1 2.6 我们还大致估计了船行速度。 大口径进水口 测号 经过距离（m） 历时（s） 速度（m/s） 平均速度（m/s） 1 1.5 4.90 0.31 0.30 2 1.5 5.11 0.29 3 1.5 5.00 0.30