СОСТАВЛЕНИЕ ОТЧЕТА И ОБРАБОТКА ДАННЫХ
1. Вычислить значение h * по формуле (8).
2. Вычислить отметку Z опыт, точки свободной поверхности относительно горизонтальной плоскости, проходящей через дно сосуда, как разность отсчетов по нониусу, соответствующих данной точке свободной поверхности и положению иглы в центре сосуда (отсчет первой точки) с учетом глубины залегания.
3. Вычислить отметку Z теор точки свободной поверхности по формуле (10). Полученные данные занести в табл. 2.
4. Подсчитать расхождение между величинами Z опыт, и Z теор по формуле:
5. Построить теоретическую и экспериментальную кривые свободной поверхности жидкости по результатам табл. 2.
Таблица 1
| № точки | 1 | … | 8 |
| Отсчет по горизонтальной оси, см | |||
| Отсчет по вертикальной оси, см |
Таблица 2
| № точки | Кратчайшее расстояние от точки до оси вращения, см | Отметки свободной поверхности | Расхождение между величинами Z опыт, и Z теор , % | ||
| По данным опытов Z опыт | По теоретической зависимости Z теор | ||||
| см | см | см | % | ||
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПОДГОТОВКИ
1. Что называется относительным покоем жидкости?
2. Какие массовые силы действуют на жидкость, находящуюся в относительном покое?
3. В каких случаях закон распределения давления при относительном покое совпадает с основным уравнением гидростатики?
4. Вывести закон распределения гидростатического давления для емкости, находящейся во вращающемся сосуде.
|
|
|
5. Какой фигурой описывается свободная поверхность жидкости, находящейся во вращающемся сосуде?
6. Приведите примеры равновесия жидкости.
7. На что влияет угол наклона вращающегося сосуда?
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4
ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕЖИМА ДВИЖЕНИЯ ПОТОКА ЖИДКОСТИ
Цель работы: визуальное наблюдение устойчивых режимов движения воды в стеклянной трубке и экспериментальное определение критериев Рейнольдса, соответствующих указанным режимам движения.
ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
При протекании жидкости по трубкам и каналам могут иметь место два различных по своему характеру режима движения: ламинарный и турбулентный.
Впервые мысль о существовании двух режимов движения высказал Д.И. Менделеев в 1880 г. Дальнейшие исследования Н.П. Петрова, а также О. Рейнольдса, наиболее полно исследовавшего этот вопрос, подтвердили положение Д.И. Менделеева о наличии двух режимов движения жидкости.
Ламинарный поток (рис.1) в круглом трубопроводе имеет сложное строение: частицы жидкости движутся с различными скоростями параллельно оси трубы. Скорость движения слоя, соприкасающегося с внутренней стенкой трубы, равна нулю, слои жидкости, расположенные за ним, имеют возрастающие значения скоростей. Движение осевого слоя происходит с максимальной скоростью. Вследствие различия в скоростях движения слои жидкости смещаются друг относительно друга с образованием касательных напряжений на поверхностях скольжения. Эти касательные напряжения обусловлены вязкостью жидкости и подчинены закону жидкостного трения.
|
|
|
|
Частицы жидкости в турбулентном потоке движутся по беспорядочным траекториям, совершая наряду с поступательным движением вдоль оси потока незакономерные поперечные и вращательные перемещения, что приводит к интенсивному перемешиванию жидкости. При измерении скорости в различных точках потока чувствительными приборами обнаруживаются их импульсы - быстрые и беспорядочные колебания около некоторых средних значений. Скорость движения слоя, примыкающего к стенке, близка к нулю, скорость частиц, расположенных в ядре турбулентного потока, близка к максимальной осевой.
|
По Прандтлю турбулентный режим состоит из двух областей: ламинарного подслоя и турбулентного ядра потока, между которыми (по данным ЦАГИ) существует еще переходный слой. В переходном ламинарном течении уже нарушается поперечным перемещением частиц, причем чем дальше точка от стенки трубы, тем выше интенсивность перемешивания частиц. Основную часть живого сечения потока (рис.2) занимает ядро потока (толщина слоев показана не в масштабе), в котором наблюдается интенсивное перемешивание частиц, поэтому именно оно характеризует турбулентное движение потока в целом.
|
|
|
Режим движения капельной жидкости зависит от ее вязкости и плотности, геометрических размеров потока (диаметра трубопровода) и скорости движения. Влияние перечисленных физических параметров потока на характер движения определяется величиной критерия Рейнольдса. Он представляет собой отношение кинетической энергии потока 
к работе сил сопротивления Рвязк. d, где d — характерный линейный размер, Рвязк. - сила вязкого сопротивления.
|
где V- средняя скорость потока, м/с;
|
|
|
d - диаметр трубопровода, м,
υ - кинематический коэффициент вязкости, м2 /с;
μ - динамический коэффициент вязкости, Па·с;
ρ - плотность жидкости, кг/м3.
Средняя скорость потока - это фиктивная скорость, соответствующая расходу жидкости (Q) в данном живом сечении (S), т. е.
V = Q / S
При движении жидкости в трубах или каналах некруглого сечения в выражение критерия Рейнольдса вместо диаметра подставляют величину эквивалентного диаметра:
где R Г - гидравлический радиус, м;
П — смоченный периметр, м.
Величина критерия Рейнольдса, соответствующая переходу одного режима движения в другой называется критической. Для прямых труб Re кр.≈ 2320; движение жидкости при Re < 2320 является устойчиво ламинарным; При Re > 2320 движение турбулентно, однако, устойчивый турбулентный характер оно приобретает при Re кр> 13800. В пределах чисел Re кр от 2320 до 13800 турбулентное движение является недостаточно устойчивым и называется переходным режимом.
ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ
Общий вид установки для изучения режимов движения жидкости представлен на рис.3.Установка содержит напорный бак 1, стеклянную трубку 2, кожух 3, основание 4, мерный бак 5, водораспределительные коллекторы 6, 7 и органы управления. Схема гидравлической установки приведена на рис. 4.
Литой напорный бак представляет собой замкнутый объем, частично заполненный водой. Визуальный обзор уровня воды в напорном баке осуществляется через смотровые стёкла 8 и 9. По напорному трубопроводу 10 вода поступает сначала успокоитель, из которого через перфорированную перегородку выливается в остальную часть бака. Горизонт воды в напорном баке поддерживается постоянным благодаря холостому сливу, соединенному со сливным трубопроводом. К напорному баку закреплена коробка 11, в полости которой размещен резервуар с краской. Краска от резервуара по тонкой трубке 12 поступает в стеклянную трубку 2 диаметром 20x1,25 служащую для визуального наблюдения режимов движущейся и ней жидкости. Температура воды в напорном баке измеряется лабораторным термометром.
|
Органы управления установкой расположены на передней панели 14, панели 15 и представляют собой рукоятки соответствующих кранов. Подключение установки к водопроводной сети и канализации осуществляется через штуцеры 16, размещенные на тыльной стороне основания установки.
Подключение установки к сети переменного тока производится с помощью сетевого шнура 17. Передняя панель 14 и 15 и шкала указателя уровня снабжены графическими символами, обозначающими назначение отдельных деталей.
Работа на установке заключается в визуальном наблюдении ламинарного и турбулентного режимов движения воды в стеклянной трубке и выполняется в следующей последовательности:
а) при повороте рукоятки 18 против часовой стрелки вода из водопроводной сети по напорному трубопроводу поступает в напорный бак и стеклянную трубку;
б) поворотом рукоятки 19 в том же направлении обеспечивается поступление краски в стеклянную трубку. После установления постоянного горизонта воды в напорном баке поворотом рукоятки 20 против часовой стрелки открывается кран, регулирующий скорость движения воды в стеклянной трубке. При незначительной скорости движения воды в стеклянной трубке установится ламинарный режим движения и краска, подводимая в стеклянную трубку, окрашивает только одну струйку потока.
Увеличивая скорость движения воды, замечаем, что ламинарный режим движения сохраняется до какой-то определенной величины скорости, после чего режим движения жидкости становится турбулентным - вода в стеклянной трубке окрашивается по всему объему.
При проведении вышеописанных опытов кран 21 должен быть открыт. Для создания оптимального обзора струйки краски в потоке воды предусмотрена подсветка стеклянной трубки лампой 22.
Кроме визуального наблюдения режимов движения жидкости при выполнении лабораторной работы необходимо определить критерии Рейнольдса, соответствующие режимам движения. Для подсчета критериев Рейнольдса необходимо определить расход жидкости в единицу времени, измеряемый в установке объемным способом. Суть этого способа состоит в измерении объема жидкости, заполняющей мерный бак за определенное время, измеряемое секундомером.
ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ
Поворотом рукоятки 18 открыть кран и наполнить напорный бак водой. Уровень воды в баке благодаря холостому сливу поддерживается постоянным. Далее открыть кран 21, приоткрыть кран 20, при этом вода из напорного бака движется по стеклянной трубке с небольшой скоростью. Открывая кран 19, регулируется поступление краски в стеклянную трубку так, чтобы скорость выпускаемой краски была примерно одинакова со скоростью воды в трубке. Струйчатое движение краски в потоке воды свидетельствует о наличие ламинарного режима в стеклянной трубке. Измерить температуру в напорном баке. Объемным способом измерить расход воды в трубке. При закрытии крана 21 вода из стеклянной трубки будет попадать в мерный бак. После некоторого произвольного наполнения бака произвести отсчет по шкале указателя уровня с одновременным включением секундомера. Через некоторое время снова произвести отсчет по шкале указателя уровня и выключить секундомер. Пользуясь тарировочным графиком (рис. 5), по отсчетам уровней в напорном баке определяется объем поступившей в бак воды – V см3 и время наполнения бака - Т сек. После измерений кран 21 открыть. Медленно открывая кран 20 установить новый, несколько больший расход воды и все измерения повторить. При некотором дальнейшем открытии крана окрашенная струйка поды начнет колебаться, приобретая волнистый характер с местными разрывами. Такое поведение струйки соответствует такому состоянию потока, при котором происходит смена ламинарного режима турбулентным. Аналогичные замеры произвести и при этом состоянии потока. Дальнейшее открытие крана 20 приводит к резкому изменению характера движения: струйка полностью размывается, вода в стеклянной трубке становится равномерно окрашенной, т.е. устанавливается турбулентный режим движения. При этом режиме провести два вышеописанных измерения с возрастающими расходами. Все данные измерений занести в соответствующие графы таблицы отчета (табл. 1).
ОБРАБОТКА ОПЫТНЫХ ДАННЫХ
1. По измеренной температуре воды в напорном баке, пользуясь эмпирической формулой Пуазейля, определить кинематический коэффициент вязкости воды:
где t - температура воды °С.
2. По измеренному объему воды, поступившей в мерный бак подсчитать для каждого опыта расход воды в стеклянной трубке:
Q = ( V 2 - V 1 )· T см3/с.,
где V 1 и V 2 - объемы воды в мерном баке соответственно начальный и конечный, см3
Т - время наполнения, с.
3. Определить среднюю скорость течения воды:
V = Q / S см3/с,
где S - площадь живого сечения потока, см2
4. По формуле (1) для каждого опыта подсчитать число Рейнольдса и сделать вывод о характере движения. Результаты вычислений занести в таблицу.
Таблица 1.
Определение числа Рейнольдса
| № | Температура воды t |
| Объём воды, поступившей в бак | Т | Q | V | Число Рейнольдса Re | Характер движения | ||
| V1 | V2 | V2- V1 | ||||||||
| 0 C | см2/с | см3 | см3 | см3 | с | см3/с | см3/с | |||
|
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ
1. Чем вызывается необходимость подразделения течения жидкости на два режима - ламинарный и турбулентный?
2. Чем характеризуются ламинарный и турбулентный режимы движения?
3. Объясните схематизацию модели турбулентного потока по теории Прандтля.
4. Что называется критерием Рейнольдса, и что он выражает?
5. Выполните различные преобразования выражения для критерия Рейнольдса. Каковы его критические значения?
6. Что называется гидравлическим радиусом и каково его назначение?
7. Каковы размерности основных физических характеристик жидкости во всех системах единиц?
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5
«ПОСТРОЕНИЕ ДИАГРАММ ПО УРАВНЕНИЯМ БЕРНУЛЛИ»
Дата добавления: 2019-02-22; просмотров: 182; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!