靜水壓強及真空儀的研制

鐘 敏， 肖先煊， 劉 洋， 蔡國軍

(成都理工大學 環境與土木工程學院, 地質工程國家級實驗教學示范中心, 四川 成都 610059)

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·儀器設備研制與開發·

靜水壓強及真空儀的研制

鐘 敏， 肖先煊， 劉 洋， 蔡國軍

(成都理工大學 環境與土木工程學院, 地質工程國家級實驗教學示范中心, 四川 成都 610059)

介紹一種室內開展靜水壓強測定的試驗裝置，即靜水壓強及真空儀。該儀器可實現在液體表面壓強大于、小于及等于大氣壓強的條件下，試驗人員測定液體內部不同位置的壓強大小。通過試驗，學生能較好地掌握靜水壓強的基本方程，理解幾個關于壓強的重要概念，同時，該試驗的開展，使實驗教學效率和效果明顯得到了提高。具有一定的實踐教學意義及推廣意義。

靜水壓強； 真空； 實驗設計； 水力學

0 引 言

流體力學是一門重要的專業基礎課，具有較強的實踐性。對流體靜力學的學習和研究除了課堂理論教學外，還需結合試驗室的操作、動手平臺，通過試驗來達到進一步鞏固理論知識的目的。流體力學由兩部分組成，即流體靜力學及流體動力學。前者是研究流體在靜止狀態下的一些基本特征和規律；后者則主要研究流體在運動狀態下的特性及規律[1-4]。本文基于水靜力學，研制了靜水壓強及真空試驗儀，并通過試驗進行了驗證。該儀器可在實驗室測定液體內部任意一點的相對壓強的儀器，為水力學實驗室的建設起到了良好的促進作用。

1 設計原理

在靜止液體里，根據液體的特性，既不會有切應力，也不會產生拉應力，而只有壓應力，質點間的互相作用或質點與邊界之間的相互作用只能以壓應力的形式來體現，因為這個壓應力發生在靜止狀態的液體中，所以在水力學中稱之為“靜水壓強”。根據液體的物理力學性質，處于靜止狀態的液體之間以及質點與邊壁之間的相互作用力是通過壓強的形式來表現的，所以水靜力學的核心問題就是根據平衡條件來求解靜水壓強的分布。掌握了靜水壓強的分布規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，因此水靜力學的知識具有重要的實際意義[5-8]。

設計原理是以水靜力學理論為基礎，即在重力作用下的靜止液體中，壓強隨深度按線形規律變化。靜止液體中任一點壓強p都于表面壓強p0與從該點到液體自由表面的單位面積上對液柱重量γh之和[9-11]，即：

p=p0+γh

根據該理論設計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、正壓和負壓。為改變水箱中液面壓力，設計了調壓給水、退水裝置。為展現水箱中靜水壓強分布規律，設計了表現水箱中不同點壓強大小的測壓排[12-13]。

2 儀器的結構及作用

(1) 調壓給水裝置。該部分由有機玻璃儲水筒和螺旋升降裝置組成，儲水筒底部有管路與靜水壓力實驗箱相通。通過儲水筒的升降可使靜水壓力實驗箱中水體液面為常壓、正壓或負壓(形成真空)。

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

(3) 測壓排。位于儀器右側，由7根測壓管組合而成，分別與水箱不同點連通，用于表現水中不同表面壓強下被測點的壓力水頭分布特征。其中有兩根測壓管裝入酒精，可用于水力學方法測定液體容重。測壓排側邊設置標尺，可測讀測壓管水位標高。

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

儀器的結構見圖1。

3 實驗設計

參照理論教學的要求，結合該儀器性能，設計了以下實驗。設計此試驗的目的是在p0>pa及p0

3.1 試驗方法

儀器裝置由水頭調節器、密封容器和測壓管排組成。通過水頭調節器升降，使容器內進水或退水，在氣閥關閉時使容器內氣體(或液體表面)為大于大氣壓強(p0>pa)或小于大氣壓強(p0

3.2 實驗過程

在進行實驗過程中，有以下3個環節需要完成。

(1)p0=pa。初始狀態，開啟氣閥，使液體表面壓強等于大氣壓強，即p0=pa，此時水頭調節器，容器內及5、6、7測壓管液面，根據連通器原理，其液面應在同一水平面上，表明儀器處于正常狀態，可以開始進行實驗。

(2)p0>pa。實驗開始，開啟氣閥，將水頭調節器降底至最低位置，此時容器內水在重力作用下流向水頭調器，關閉氣閥，再將水頭調節上升到最高位置，此時水頭調節器中的水在重力作用下流向容器內，由于氣閥已關閉，容器內氣體不能排出，而使液面壓強p0大于氣壓強pa，A、B兩點的壓強也相應增加，此時與大氣連通的2、4、5、6號測壓管水位上升，與容器頂部連通的測壓管水位下降，測壓管水頭差值即為液體表面相對壓強，待各測壓關水位穩定后，將其水頭值記錄于表1。

(3)p0

表1 測壓管水位記錄表

3.3 實驗成果

根據靜水壓強基本方程在p0>pa及p0

通過實驗討論問題:

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

(2) 繪3個圖，分別表示如何用測壓管測量氣體壓強；如何測量液體內任點壓強；如何測量兩點的壓差。

(3) 試述產生真空的條件，何謂負壓？何謂真空壓強、真空高度？

表2 靜水壓強及真空實驗成果表

4 結 語

通過2年使用，教師和學生反映較好認為：① 儀器設計合理，構思巧妙，儀器采用全透明材料，密閉容器氣密性好；② 操縱靈活簡便，實驗現象直觀，測試條件穩定，儀器尺寸合理，能保證直觀教學需要；③ 真空度是理論教學的難點，在學習過程中難理解，通過實驗，較好的理解了真空高度，真空壓強的基本概念及表現形式，而且學會了用水力學方法測定液體比重，通過實驗很好地達到了教學目的。

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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

國家自然科學青年基金(41202209)；四川省教育廳基金項目(11ZB038)

鐘 敏(1975-)，女，四川內江人，助理實驗師，現主要從事環境工程實驗教學及相關研究工作。

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

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1006-7167(2015)03-0066-03