静水压强及真空仪的研制

钟 敏， 肖先煊， 刘 洋， 蔡国军

(成都理工大学 环境与土木工程学院, 地质工程国家级实验教学示范中心, 四川 成都 610059)



·仪器设备研制与开发·

静水压强及真空仪的研制

钟 敏， 肖先煊， 刘 洋， 蔡国军

(成都理工大学 环境与土木工程学院, 地质工程国家级实验教学示范中心, 四川 成都 610059)

介绍一种室内开展静水压强测定的试验装置，即静水压强及真空仪。该仪器可实现在液体表面压强大于、小于及等于大气压强的条件下，试验人员测定液体内部不同位置的压强大小。通过试验，学生能较好地掌握静水压强的基本方程，理解几个关于压强的重要概念，同时，该试验的开展，使实验教学效率和效果明显得到了提高。具有一定的实践教学意义及推广意义。

静水压强； 真空； 实验设计； 水力学

0 引 言

流体力学是一门重要的专业基础课，具有较强的实践性。对流体静力学的学习和研究除了课堂理论教学外，还需结合试验室的操作、动手平台，通过试验来达到进一步巩固理论知识的目的。流体力学由两部分组成，即流体静力学及流体动力学。前者是研究流体在静止状态下的一些基本特征和规律；后者则主要研究流体在运动状态下的特性及规律[1-4]。本文基于水静力学，研制了静水压强及真空试验仪，并通过试验进行了验证。该仪器可在实验室测定液体内部任意一点的相对压强的仪器，为水力学实验室的建设起到了良好的促进作用。

1 设计原理

在静止液体里，根据液体的特性，既不会有切应力，也不会产生拉应力，而只有压应力，质点间的互相作用或质点与边界之间的相互作用只能以压应力的形式来体现，因为这个压应力发生在静止状态的液体中，所以在水力学中称之为“静水压强”。根据液体的物理力学性质，处于静止状态的液体之间以及质点与边壁之间的相互作用力是通过压强的形式来表现的，所以水静力学的核心问题就是根据平衡条件来求解静水压强的分布。掌握了静水压强的分布规律就能确定静止水体作用于各种水工建筑物壁面上的作用力，因此水静力学的知识具有重要的实际意义[5-8]。

设计原理是以水静力学理论为基础，即在重力作用下的静止液体中，压强随深度按线形规律变化。静止液体中任一点压强p都于表面压强p0与从该点到液体自由表面的单位面积上对液柱重量γh之和[9-11]，即：

p=p0+γh

根据该理论设计的仪器主体为密闭水箱，水箱中液面可承受不同压力，即常压、正压和负压。为改变水箱中液面压力，设计了调压给水、退水装置。为展现水箱中静水压强分布规律，设计了表现水箱中不同点压强大小的测压排[12-13]。

2 仪器的结构及作用

(1) 调压给水装置。该部分由有机玻璃储水筒和螺旋升降装置组成，储水筒底部有管路与静水压力实验箱相通。通过储水筒的升降可使静水压力实验箱中水体液面为常压、正压或负压(形成真空)。

(2) 静水压力实验箱。为仪器主体，由有机玻璃制成，用于盛装被测液体，右侧有管路与调压给水装置相通，右侧中部、底部、顶部分别有管路与测压管相通，顶部还有活塞可使箱体内部开启或密闭。箱体尺寸40 cm×20 cm×10 cm，箱体容积为8 L。

(3) 测压排。位于仪器右侧，由7根测压管组合而成，分别与水箱不同点连通，用于表现水中不同表面压强下被测点的压力水头分布特征。其中有两根测压管装入酒精，可用于水力学方法测定液体容重。测压排侧边设置标尺，可测读测压管水位标高。

(4) 有机玻璃底座。由80 cm×30 cm×0.8 cm的有机玻璃板制作，用于组装仪器各部分，便于拆卸维修。

仪器的结构见图1。

3 实验设计

参照理论教学的要求，结合该仪器性能，设计了以下实验。设计此试验的目的是在p0>pa及p0

3.1 试验方法

仪器装置由水头调节器、密封容器和测压管排组成。通过水头调节器升降，使容器内进水或退水，在气阀关闭时使容器内气体(或液体表面)为大于大气压强(p0>pa)或小于大气压强(p0

3.2 实验过程

在进行实验过程中，有以下3个环节需要完成。

(1)p0=pa。初始状态，开启气阀，使液体表面压强等于大气压强，即p0=pa，此时水头调节器，容器内及5、6、7测压管液面，根据连通器原理，其液面应在同一水平面上，表明仪器处于正常状态，可以开始进行实验。

(2)p0>pa。实验开始，开启气阀，将水头调节器降底至最低位置，此时容器内水在重力作用下流向水头调器，关闭气阀，再将水头调节上升到最高位置，此时水头调节器中的水在重力作用下流向容器内，由于气阀已关闭，容器内气体不能排出，而使液面压强p0大于气压强pa，A、B两点的压强也相应增加，此时与大气连通的2、4、5、6号测压管水位上升，与容器顶部连通的测压管水位下降，测压管水头差值即为液体表面相对压强，待各测压关水位稳定后，将其水头值记录于表1。

(3)p0

表1 测压管水位记录表

3.3 实验成果

根据静水压强基本方程在p0>pa及p0

通过实验讨论问题:

(1) 静水力学(压强)基本方程的压强表示式及水头表示式是意义，两式是任何转换的。

(2) 绘3个图，分别表示如何用测压管测量气体压强；如何测量液体内任点压强；如何测量两点的压差。

(3) 试述产生真空的条件，何谓负压？何谓真空压强、真空高度？

表2 静水压强及真空实验成果表

4 结 语

通过2年使用，教师和学生反映较好认为：① 仪器设计合理，构思巧妙，仪器采用全透明材料，密闭容器气密性好；② 操纵灵活简便，实验现象直观，测试条件稳定，仪器尺寸合理，能保证直观教学需要；③ 真空度是理论教学的难点，在学习过程中难理解，通过实验，较好的理解了真空高度，真空压强的基本概念及表现形式，而且学会了用水力学方法测定液体比重，通过实验很好地达到了教学目的。

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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

国家自然科学青年基金(41202209)；四川省教育厅基金项目(11ZB038)

钟 敏(1975-)，女，四川内江人，助理实验师，现主要从事环境工程实验教学及相关研究工作。

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

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1006-7167(2015)03-0066-03