论文部分内容阅读
摘 要：水力学实验是一门重要的实验课，但传统实验仪器存在的系统误差较大，影响教学实验的效果。通过分析有压渗流的水电比拟实验装置和能量方程实验管架存在的问题，分别基于平行四杆机构的特性和平面镜成像的特性提出改进的方案，并且通过对比分析得出新方案的优点。
关键词：有压渗流的水电比拟实验 能量方程实验 平行四杆机构 平面镜成像
中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）003-167-02
1 引言
水力学实验是一门非常重要的实验课，通过实验可以加深对相关理论知识的理解，然而有些实验仪器自身存在较大的系统误差，这使得教学实验得出的成果不甚理想，有些实验甚至无法得出正确的结论，严重影响了教学实验的效果。本文基于一些水力学实验仪器在实验过程中存在的问题提出了改进方案，以此减小相关实验仪器的系统误差，提高教学实验的效果。
2 有压渗流的水电比拟实验
2.1 背景
有压渗流的水电比拟实验是大学水力学实验中较为重要的一个实验，该实验利用渗流和电流现象之间存在的数学上的相似性将这两者进行比拟，通过实验得出等电位线，进而通过比拟关系得出渗流场中的等势线，之后再用手描法绘制流线，从而得到渗流流网。
2.2 实验仪器存在的问题
本实验要求在实验的过程中实验盘必须要保持水平状态，否则渗流系数将不能视为常数，此时实验测出的等势线的形状和分布也会非常不合理。
传统有压渗流的水电比拟实验装置是通过调节四个支撑脚来调整实验盘使其处于水平状态，此法相对来说比较繁琐且不易将实验盘中的水平泡调到正中位置（即不易调水平）。
此外在实验过程中实验盘也较容易被探针带动发生移动，这会使得实验盘丧失水平状态，从而使得实验产生较大的误差。
2.3 解决方案
平行四杆机构是四杆机构的一个特例，平行四杆机构是由两对刚性杆通过铰接而形成的一种机构，每对刚性杆长度相同。选定其中一个构件作为机架，直接与机架链接的构件称为连架杆，不直接与机架连接的构件称为连杆，只要机架保持铅直状态，连架杆必然会处于铅直状态，因此可以利用这点来获得处于水平状态的实验盘。
如图1、图2所示，新型有压渗流水电比拟实验装置由主动支板、从动支板、连架杆、中间连杆、固定支杆、固定轴、实验盘、调高旋钮等部件组成，主动支板、从动支板以及连架杆形成一个平行四杆机构。中间连杆安装于连架杆的中间位置，且中间连杆与连架杆之间的连接方式为铰接。固定支杆安装于连接杆上用来加固整个平行四杆机构，且固定支杆与连架杆之间的连接方式也为铰接。实验盘与中间连杆通过固定轴相连，且固定轴与实验盘和中间连杆之间的连接方式均为刚接（不可发生相对位移），与此同时实验盘的垂直中轴线与中间连杆平行。在主动支板和从动支板上还安装有调高旋钮来调节它们的高度。
在实验前通过调高旋钮调节主动支板与从动支板，使其大致处于铅垂状态。之后调节主动支板上的调高旋钮，直至主动支板上的水平泡处于中心位置，此时实验盘便处于水平状态。在实验时只要主动支板1处于铅垂状态，实验盘即能处于水平状态。
2.4 方案优点
实验盘能在实验过程中较好地保持水平状态，有效地降低实验误差。本方案基于平行四杆机构的特性设计出了实验装置，在实验过程中只要两侧的支板处于铅直状态，实验盘就能保持水平状态。由于主动支板质量较大且其底座面积较大，因此比较稳定，在实验中不易受到干扰，所以能较好地保持铅直状态，因而实验盘也能在实验的过程中较好地保持水平状态。同时由于平行四杆机构比较稳定，因此实验盘在外力的作用下（比如探针对实验盘的作用力）也很难丧失水平状态。实验盘在实验过程中一直保持水平状态是本实验能够达到预期效果的关键，因此提高实验盘的稳定性即能有效地降低实验误差。
本新型实验装置能够非常方便有效地将实验盘调节水平。实验前只需将主动支板上的水平泡调节居中（即将主动支板调至铅垂状态）即可完成调平，因此实验仪器调平非常的方便。
3 能量方程实验
3.1 背景
能量方程实验是大学水力学实验中测量数据较多的一个实验，它加深了实验者对于恒定流时管道水流所具有的位能、压能和动能以及液体流动时能量转化规律的理解。在能量方程实验中实验者需要绘制测压管水头线和总水头线，因此在实验时需要通过测压管和毕托管量测测压管水头和总水头。
3.2 实验仪器存在的问题
在传统教学实验中，测压管和毕托管一般都集成于一个管架中并分成两排放置，这使得测压管和毕托管在读数时很容易被混淆，给读数带来了极大的不便。
此外由于测压管和毕托管水头是通过长尺量测得到，这一方面在实验时给测压管和毕托管带来了很大的外界干扰（由于量测过程中的接触），另一方面在实验时需要实验者站在不同的方位进行量测（由于测压管和总水头管不在一排），浪费了实验的时间并且需要大量的实验空间。
3.3 解决方案
平面镜可将实物以上下相同、左右相反且等大的虚像展现在人们面前，根据平面镜这一成像特性可将障碍物之后的物体以虚像的形式呈现于观察者。
如图3、图4所示，新型能量方程实验管，由管架、不透明板、实验管、固定轴、连接杆、平面镜等部件组成。管架安放于水平实验桌上，不透明板安装于管架内并将管架内的实验管分成两排隔开（其中所有测压管位于一排，毕托管位于另一排），同时不透明板上还带有刻度用于快速读出测压管和毕托管水头。固定轴安装于管架的两侧，平面镜通过连接杆与固定轴相连。连接杆可绕固定轴转动并且在实验时可固定锁住；平面镜可绕其安装于连接杆上的轴转动并且在实验时也可固定锁住。
实验前，实验者要将平面镜调至合适的位置。实验的过程中实验者首先通过不透明板上的刻度读出同侧实验管中的水位高度并将其记录在相应的实验数据记录纸上；之后通过平面镜内所呈的虚像读出另一侧实验管中的水位高度并将其记录在相应的实验数据记录纸上。
3.4 方案优点
实验者在实验的过程中仅在一个位置上即可清晰地观察到总水头管和测压管的读数，节省了实验时间，节约了实验空间。由于本方案在实验管架上安装了平面镜，因此只需站在实验台的一侧即可将两排实验管的水位高度读出（对面侧的实验管水位高度通过平面镜里的虚像读出），这可以节省很多的实验时间并且能够节约实验的空间。
提高了实验的精确度，减少了实验的误差。由于实验中实验者只需站在实验台的一侧即可读出实验所需的数据而不必在实验台的两侧来回走动，大大减小了实验中对毕托管和测压管的干扰；并且使用不透明板将两排实验管隔开，避免了读数时将两者混淆；同时使用带有刻度的不透明板可以更加快速地读出测压管和毕托管的水位高度，免去了使用直尺量测带来的麻烦和对实验的干扰。
4 结语
本文通过分析相关水力学实验仪器存在的问题分别基于平行四杆机构的特性和平面镜成像的特性提出了改进有压渗流的水电比拟实验装置以及能量方程实验管架的方案并作出了相关的结构图，之后通过分析对比得出了改进后方案的优点，即能够降低实验仪器存在的系统误差、方便实验操作。
参考文献：
[1] 赵振兴，何建京.水力学实验[M].南京：河海大学出版社，2008.
[2] 张克猛.机械工程基础[M].西安：西安交通大学出版社，2000：8-27.
[3] 徐汇音，祖国庆.机械设计基础[M].成都：西南交通大学出版社，2006.
[4] 王年平，葛宰林，谭晓丽.平行四杆机构杆长尺寸误差对机构性能的影响分析[J].品牌与标准化，2008（3）：41.
[5] 李昊，尚作萍，杜成斌.平行四杆机构的力学特性与新型担架的研制[J].力学与实践，2009（06）.
关键词：有压渗流的水电比拟实验 能量方程实验 平行四杆机构 平面镜成像
中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）003-167-02
1 引言
水力学实验是一门非常重要的实验课，通过实验可以加深对相关理论知识的理解，然而有些实验仪器自身存在较大的系统误差，这使得教学实验得出的成果不甚理想，有些实验甚至无法得出正确的结论，严重影响了教学实验的效果。本文基于一些水力学实验仪器在实验过程中存在的问题提出了改进方案，以此减小相关实验仪器的系统误差，提高教学实验的效果。
2 有压渗流的水电比拟实验
2.1 背景
有压渗流的水电比拟实验是大学水力学实验中较为重要的一个实验，该实验利用渗流和电流现象之间存在的数学上的相似性将这两者进行比拟，通过实验得出等电位线，进而通过比拟关系得出渗流场中的等势线，之后再用手描法绘制流线，从而得到渗流流网。
2.2 实验仪器存在的问题
本实验要求在实验的过程中实验盘必须要保持水平状态，否则渗流系数将不能视为常数，此时实验测出的等势线的形状和分布也会非常不合理。
传统有压渗流的水电比拟实验装置是通过调节四个支撑脚来调整实验盘使其处于水平状态，此法相对来说比较繁琐且不易将实验盘中的水平泡调到正中位置（即不易调水平）。
此外在实验过程中实验盘也较容易被探针带动发生移动，这会使得实验盘丧失水平状态，从而使得实验产生较大的误差。
2.3 解决方案
平行四杆机构是四杆机构的一个特例，平行四杆机构是由两对刚性杆通过铰接而形成的一种机构，每对刚性杆长度相同。选定其中一个构件作为机架，直接与机架链接的构件称为连架杆，不直接与机架连接的构件称为连杆，只要机架保持铅直状态，连架杆必然会处于铅直状态，因此可以利用这点来获得处于水平状态的实验盘。
如图1、图2所示，新型有压渗流水电比拟实验装置由主动支板、从动支板、连架杆、中间连杆、固定支杆、固定轴、实验盘、调高旋钮等部件组成，主动支板、从动支板以及连架杆形成一个平行四杆机构。中间连杆安装于连架杆的中间位置，且中间连杆与连架杆之间的连接方式为铰接。固定支杆安装于连接杆上用来加固整个平行四杆机构，且固定支杆与连架杆之间的连接方式也为铰接。实验盘与中间连杆通过固定轴相连，且固定轴与实验盘和中间连杆之间的连接方式均为刚接（不可发生相对位移），与此同时实验盘的垂直中轴线与中间连杆平行。在主动支板和从动支板上还安装有调高旋钮来调节它们的高度。
在实验前通过调高旋钮调节主动支板与从动支板，使其大致处于铅垂状态。之后调节主动支板上的调高旋钮，直至主动支板上的水平泡处于中心位置，此时实验盘便处于水平状态。在实验时只要主动支板1处于铅垂状态，实验盘即能处于水平状态。
2.4 方案优点
实验盘能在实验过程中较好地保持水平状态，有效地降低实验误差。本方案基于平行四杆机构的特性设计出了实验装置，在实验过程中只要两侧的支板处于铅直状态，实验盘就能保持水平状态。由于主动支板质量较大且其底座面积较大，因此比较稳定，在实验中不易受到干扰，所以能较好地保持铅直状态，因而实验盘也能在实验的过程中较好地保持水平状态。同时由于平行四杆机构比较稳定，因此实验盘在外力的作用下（比如探针对实验盘的作用力）也很难丧失水平状态。实验盘在实验过程中一直保持水平状态是本实验能够达到预期效果的关键，因此提高实验盘的稳定性即能有效地降低实验误差。
本新型实验装置能够非常方便有效地将实验盘调节水平。实验前只需将主动支板上的水平泡调节居中（即将主动支板调至铅垂状态）即可完成调平，因此实验仪器调平非常的方便。
3 能量方程实验
3.1 背景
能量方程实验是大学水力学实验中测量数据较多的一个实验，它加深了实验者对于恒定流时管道水流所具有的位能、压能和动能以及液体流动时能量转化规律的理解。在能量方程实验中实验者需要绘制测压管水头线和总水头线，因此在实验时需要通过测压管和毕托管量测测压管水头和总水头。
3.2 实验仪器存在的问题
在传统教学实验中，测压管和毕托管一般都集成于一个管架中并分成两排放置，这使得测压管和毕托管在读数时很容易被混淆，给读数带来了极大的不便。
此外由于测压管和毕托管水头是通过长尺量测得到，这一方面在实验时给测压管和毕托管带来了很大的外界干扰（由于量测过程中的接触），另一方面在实验时需要实验者站在不同的方位进行量测（由于测压管和总水头管不在一排），浪费了实验的时间并且需要大量的实验空间。
3.3 解决方案
平面镜可将实物以上下相同、左右相反且等大的虚像展现在人们面前，根据平面镜这一成像特性可将障碍物之后的物体以虚像的形式呈现于观察者。
如图3、图4所示，新型能量方程实验管，由管架、不透明板、实验管、固定轴、连接杆、平面镜等部件组成。管架安放于水平实验桌上，不透明板安装于管架内并将管架内的实验管分成两排隔开（其中所有测压管位于一排，毕托管位于另一排），同时不透明板上还带有刻度用于快速读出测压管和毕托管水头。固定轴安装于管架的两侧，平面镜通过连接杆与固定轴相连。连接杆可绕固定轴转动并且在实验时可固定锁住；平面镜可绕其安装于连接杆上的轴转动并且在实验时也可固定锁住。
实验前，实验者要将平面镜调至合适的位置。实验的过程中实验者首先通过不透明板上的刻度读出同侧实验管中的水位高度并将其记录在相应的实验数据记录纸上；之后通过平面镜内所呈的虚像读出另一侧实验管中的水位高度并将其记录在相应的实验数据记录纸上。
3.4 方案优点
实验者在实验的过程中仅在一个位置上即可清晰地观察到总水头管和测压管的读数，节省了实验时间，节约了实验空间。由于本方案在实验管架上安装了平面镜，因此只需站在实验台的一侧即可将两排实验管的水位高度读出（对面侧的实验管水位高度通过平面镜里的虚像读出），这可以节省很多的实验时间并且能够节约实验的空间。
提高了实验的精确度，减少了实验的误差。由于实验中实验者只需站在实验台的一侧即可读出实验所需的数据而不必在实验台的两侧来回走动，大大减小了实验中对毕托管和测压管的干扰；并且使用不透明板将两排实验管隔开，避免了读数时将两者混淆；同时使用带有刻度的不透明板可以更加快速地读出测压管和毕托管的水位高度，免去了使用直尺量测带来的麻烦和对实验的干扰。
4 结语
本文通过分析相关水力学实验仪器存在的问题分别基于平行四杆机构的特性和平面镜成像的特性提出了改进有压渗流的水电比拟实验装置以及能量方程实验管架的方案并作出了相关的结构图，之后通过分析对比得出了改进后方案的优点，即能够降低实验仪器存在的系统误差、方便实验操作。
参考文献：
[1] 赵振兴，何建京.水力学实验[M].南京：河海大学出版社，2008.
[2] 张克猛.机械工程基础[M].西安：西安交通大学出版社，2000：8-27.
[3] 徐汇音，祖国庆.机械设计基础[M].成都：西南交通大学出版社，2006.
[4] 王年平，葛宰林，谭晓丽.平行四杆机构杆长尺寸误差对机构性能的影响分析[J].品牌与标准化，2008（3）：41.
[5] 李昊，尚作萍，杜成斌.平行四杆机构的力学特性与新型担架的研制[J].力学与实践，2009（06）.