ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПРОВЕДЕНИИ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ



Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего образования

 

ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ ПО ДИСЦИПЛИНЕ

Механика жидкости и газа

 

Омск, 2016

 

Составители:           Щерба Виктор Евгеньевич

Кужбанов Акан Каербаевич

Труханова Диана Анатольевна

Виниченко Василий Сергеевич

Овсянников Андрей Юрьевич

Кайгородов Сергей Юрьевич

 

 

В методических указаниях приведено описание лабораторных работ по дисциплине «Механика жидкости и газа».

Для студентов очной формы обучения по направлению подготовки 13.03.03 «Энергетическое машиностроение».


 

 И Н С Т Р У К Ц И Я

 

по технике безопасности при работе в лаборатории гидромеханики

 

1. К практическим занятиям в лаборатории допускаются студенты, получившие инструктаж по технике безопасности с соответствующим оформлением его в журнале.

2. Студентам запрещается без разрешения преподавателя включать электрооборудование, открывать и закрывать задвижки и вентили тру­бопроводов, включать измерительные приборы и установки.

3. Перед началом работы необходимо ознакомиться с заданием, с правилами безопасности проведения работ, проверить исправность ограждений и предохранительных устройств.

4. Во время работы стенда запрещается прикладывать внешние нагрузки на трубопроводы, пьезометры, измерительные емкости и накопительный бак (в т.ч. опираться на них или класть посторонние предметы).

5. Запрещается сборка - разборка соединений, их подтяжка и переключение гибких трубок пьезометров при работающих насосах или наличии воды в накопительном баке, трубопроводах и мерных емкостях.

6. Перед включением насосов убедиться в том, что:

1) Задвижки З4 и З5 полностью закрыты (для насосов H1 и/или Н2).

2) Полностью закрыты краны КР8, КР12 (при отсутствии внешнего подвода и слива жидкости).

3) Кран соответствующего всасывающего трубопровода не перекрыт. Таким образом, при работе краны КР1 и КР6 должны быть постоянно и полностью открыты. Кран КР4 допускается закрывать только при открытом КРЗ и работающем насосе H1 (последовательное включение насосов).

4) Высота уровня воды в баке Б1 достаточна для нормальной работы (по показаниям указателя уровня, который расположен на торцевой стенке бака).

5) Трубопроводы и гибкие рукава не имеют внешних повреждений и смятий.

7. При работе в лабораториях выполняется только та лабораторная работа, которая предусмотрена планом. Категорически воспрещается выполнять другие лабораторные работы.

8. Во время выполнения лабораторной работы ходить без дела по лаборатории запрещается, т.к. этим отвлекается внимание других студентов и остается без наблюдения лабораторная установка, что может повлечь за собой несчастный случай.

9. Оборудование лаборатории относится к разряду особо опасных в связи с возможностью поражения электрическим током, поэтому сту­денты обязаны строго соблюдать правила безопасности. В случае пре­кращения подачи электроэнергии необходимо отключить установку и оставаться у рабочего места.

10.  Если произошел несчастный случай, то необходимо немедленно оказать первую помощь и сообщить об этом руководителю.

11.  Бережное отношение к приборам и оборудованию лаборатории соз­дает условия вашей безопасности.

12.  Запрещается в лабораторию приносить верхнюю одежду.

13.  По окончании работы приведите в порядок рабочее место.


 

П Р А В И Л А

 

выполнения лабораторных работ в лаборатории гидромеханики

 

 

1. Каждая лабораторная работа выполняется бригадой в составе 3-4 студентов под наблюдением преподавателя.

2. Прежде чем приступить к лабораторной работе, каждый студент должен изучить ее описание, подготовить бланк отчета и сдать пре­подавателю коллоквиум по теоретическим вопросам, относящийся к данной работе.

3. Студент, не имеющий бланк отчета или не сдавший коллоквиум, к проведению лабораторной работы не допускается. Он обязан отработать ее в указанное преподавателем время.

4. После окончания лабораторных занятий результаты измерений и расчетов каждый студент предъявляет преподавателю для визирования.

5. К началу следующего лабораторного занятия студент должен сдать за­конченный отчет по выполненной работе, без данного отчета он не допускается к дальнейшим лабораторным работам.

6. Отчет по работе выполняется на листах белой бумаги (формат А4) в соответствии с ГОСТ 2.105-95. На титульном листе указывается наименование работы, кто выполнил, кто проверил, указывается год выполнения работы. На листах отчета должны быть: цель работы, схема опытного устройства, таблицы результатов измерений и таблицы результатов расчетов, с расчетами. Особое внимание при проведении расчетов необходимо обращать на соблюдение единства систем единиц измерения. Все величины, участвующие в расчетах, выра­жать в единицах СИ. Графики строятся на миллиметровой бумаге, разрешается так же использование прикладных программных средств для ПЭВМ, и прилагаются к отчету.


ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПРОВЕДЕНИИ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

 

Лабораторные работы проводятся в соответствии с данными методическими материалами и руководством по эксплуатации ТМЖ-2В-09-12ЛР-01 РЭ.

Схема стенда ТМЖ-2В-09-12ЛР-01 представлена на рисунке 1. расшифровку обозначений смотри в табл. 1.

Таблица 1.

Состав стенда ТМЖ-2В-09-12ЛР-01

Обозначение Наименование
Б1 Бак
Б2 Бак накопительный
БЗ Бак чернильный
Н1,Н2,НЗ Насос циркуляционный центробежный СР 25
ЕМ1,ЕМ2 Мерная емкость
Т1,Т2 Простой трубопровод
ТЗ,Т4 Сложные трубопроводы
КР1...КР13 Кран шаровый
31. ..37 Задвижка клиновая
Д1 Мерная диафрагма
ТР1,ТР2 Тройник
О1 Отвод

Стенд состоит из центробежных насосов, основного, накопительного и чернильного гидробаков, запорной арматуры, измерительных приборов и устройств, опытных трубопроводов и соединительных трубопроводов, размещенных на сварной раме и поддонах.

Стенд предназначен для исследования гидравлических сопротивлений в опытных трубопроводах Т1, Т2, ТЗ, Т4, мерной диафрагме Д1, задвижке 33, а также для опытного получения рабочих характеристик одного центробежного насоса или двух последовательно и параллельно соединенных насосов. При подаче струйки чернил в поток через трубопровод Т1 производится демонстрация особенностей турбулентного и ламинарного режимов течения.

 


 


Блок пъезометров
Рис. 1. Схема учебного стенда «Механика жидкости» (ТМЖ-2В-09-12ЛР-01). L12=800 мм; L34=800 мм; L05=115 мм; L67=170 мм; LI=210 мм; LII=200 мм;

LIII=190 мм.

 

 

Рабочая жидкость (вода) центробежным насосом НЗ по соединительным трубопроводам из бака Б1 нагнетается в накопительный бак Б2, из которого под постоянным напором поступает к исследуемым элементам (трубопроводам Т1, Т2, ТЗ, Т4, диафрагме Д1, и к испытываемой задвижке 33).

Рис.2. Схематичный вид переключателя

насоса А7УСР 25

Накопительный

Схематичный вид переключателя насоса А7УСР 25 представлен на рис. 2. Переключатель имеет три положения, соответствующие трем уровням подачи. Положение переключателя, отмеченное одной риской, (крайнее левое) соответствует минимальному уровню производительности насоса. Соответственно, положение переключателя, отмеченное тремя рисками, (крайнее правое) соответствует максимальному уровню производительности.

Накопительный бак представляет собой емкость из оргстекла с вертикальной перегородкой, которая разделяет бак на две секции. Высота перегородки на 50 мм меньше стенок корпуса. При работе стенда жидкость от насоса НЗ постоянно поступает в секцию бака, связанную с трубопроводами. Уровень жидкости в данной напорной секции определяется высотой перегородки. При уровне жидкости меньше высоты перегородки измерения статических напоров по показаниям пьезометров №1-17 на соответствующих лабораторных работах производить нельзя.

Излишек подаваемой насосом НЗ жидкости переливается во вторую секцию и сливается в бак Б1 через гибкий трубопровод. По окончании работы из напорной секции бака Б2 жидкость может быть слита в основной бак открытием крана КР5. При нормальной работе стенда данный кран должен быть закрыт.

Для того, чтобы избежать перемешивания основной воды с подкрашенной в ходе выполнения лабораторной работы по изучению режимов течения жидкостью, предусмотрена возможность подачи жидкости в бак Б2 из внешнего источника (водопровода). Для этого следует подключить трубопровод внешней подачи к крану КР8, закрыть кран КР7 и открыть кран КР8. Подкрашенная жидкость из мерной емкости ЕМ1 должна сливаться в канализацию через открытый кран КР12, кран КР11 в этом случае следует закрыть.

Всасывающими трубопроводами центробежные насосы Н1, НЗ ОМСР25), через шаровые краны КР1, КР6 соединены с баком Б1. Подача жидкости к насосу Н2 может производиться либо из накопительного бака Б2 через открытый кран КР4 (при исследовании параллельного соединения насосов Н1 и Н2), либо из бака Б1 насосом Н1 (при последовательном соединении). При работе стенда кран КР1 и КР6 всегда должны быть открыты.

Опытные трубопроводы выполнены из прозрачных гладких труб круглого сечения. Сужения и расширения между участками с разными условными проходами трубопровода ТЗ (уравнение Бернулли) выполнены в

виде конусов для обеспечения безотрывности течения и отсутствия вихрей. Переход между участками трубопровода Т4 выполнены в виде внезапного расширения и сужения.

Для регулировки величины подачи жидкости, и порядка включения трубопроводов служат регулируемые задвижки 31, 32, 34, 35, 36, 37. Подача через Т1 и Т2 регулируется задвижками 31 и 32. Для включения в схему и регулировки величины расхода через диафрагму Д1 служит клиновая задвижка 35, для этих же целей в трубопроводе подвода жидкости к внезапному расширению и исследуемой задвижке используется задвижка 34. Задвижкой 36 регулируется подача через сложный трубопровод ТЗ.

Переключением шаровых кранов КР2, КРЗ, КР4 достигается параллельная или последовательная работа насосов Н1 и Н2. Задвижка 37 предназначена для создания подпора в напорном трубопроводе, при снятии характеристик насосов. При параллельном соединении насосов Н1 и Н2 всасывание последнего происходит из накопительного бака через открытый кран КР4 при закрытом КР5.

Расходы жидкости через элементы стенда измеряются объемным способом, при помощи мерных емкостей ЕМ1 и ЕМ2, время наполнения которых может определяться при помощи электронного секундомера по показаниям поплавковых датчиков; также расход жидкости может быть определен при помощи визуального замера объема по шкале расположенной на мерной емкости и времени наполнения обычным, запускаемым вручную, секундомером.

В ручном режиме наиболее удобно осуществлять замеры следующим образом: закрывается кран, установленный на сливе емкости КР9 или КР10. После того, как набирается некоторое количество жидкости, включается секундомер. После набора дополнительного объема жидкости V секундомер останавливается. Для сброса текущего времени на шкале секундомера используется кнопка «СБРОС ПАРАМЕТРОВ».

Прибор «ОВЕН» запрограммирован для работы в режиме, соответствующем измерению времени (секундомер). Параметры, введенные при программировании прибора, выделены маркером в «Руководстве по эксплуатации счетчика импульсов СИ-8».

При переключении прибора в положение «ЕМ1» или «ЕМ2» осуществляется автоматический отсчет времени заполнения соответствующей емкости. Начало и конец отсчета определяются сигналами с поплавковых датчиков уровня, расположенных в мерных емкостях. При автоматическом замере времени контрольный объем жидкости составляет V=2,0 л. Слив жидкости из мерных емкостей осуществляется открытием шаровых кранов КР9 и КР10. Краны КР11 и КР12 предназначены для обеспечения двух возможных вариантов слива с ЕМ2. При закрытом КР12 и открытом КР11 слив производится в бак Б1, при закрытом КР11 и открытом КР12 слив осуществляется в канализацию.

При переключении СИ-8 в положение «Расход воды по счетчику» при нажатии кнопки » на табло отображается величина подачи насоса (показания расходомера РМ1 (включается в состав стенда по согласованию с заказчиком).

В качестве расходомера используется счетчик количества воды (СГВ-20) с цифровым выходом. Показания счетчика количества воды РМ1 (СГВ-20) используются для измерения расхода жидкости через сопло при исследовании силового воздействия струи жидкости с твердой преградой

Принцип работы и конструкция лопастного (пластинчатого) ротационного счетчика количества воды показана на рисунке 3. Измеряемая жидкость движется в пространстве, ограниченном цилиндрическими поверхностями корпуса 6 и ротора 8. Внутри ротора расположен неподвижный кулачок 7, на который опираются четыре ролика 9 с закрепленными на них лопатками 1, 2, 4 и 5.

Давление жидкости, поступающей через входной патрубок на лопасть 5,

 

приводит ротор во вращение, которое передается на счетный указатель. Ролики катятся по кулачку, лопасти при этом поочередно занимают место снаружи и внутри ротора. Таким образом, за полный оборот ротора через счетчик проходит количество жидкости, равное разности объемов цилиндра и ротора.

При изготовлении ротационных счетчиков особо внимание обращают на легкость хода роторов и уменьшение неучитываемых утечек через счетчик.

Рис. 3. Счетчик с пластинчатыми лопастями

Легкость хода (качественный показатель малого трения в механизме, а, следовательно, и малой потери давления на счетчике) обеспечивается

установкой валов ротора на подшипники качения. Уменьшение же утечек достигается тщательной обработкой и взаимной подгонкой сопрягаемых поверхностей.

Погрешность показаний ротационных счетчиков обычно не превышает -1% в пределах 10-100% номинального расхода. Показания счетчика регулируют сменой шестерен в редукторе счетного механизма.

На ротационный счетчик дополнительно установлена оптопара, позволяющая в сочетании со счетчиком импульсов СИ-8 подсчитывать количество оборотов счетчика в единицу времени. Дополнительные поправочные коэффициенты, задаваемые на приборе СИ-8, позволяют перевести значение оборотов в значение расхода жидкости, проходящей через счетчик (данные коэффициенты уже установлены производителем стенда).

Для замера перепадов статических напоров на участках трубопроводов в состав стенда включены пьезометры, размещенные на передней панели. Соответствие пьезометра точке отбора можно видеть на схеме (см. рис. 1). На той же схеме обозначены дифференциальные пьезометры, которые используются для определения перепада статических напоров на элементах трубопровода (тройники, отвод).

Статическое давление на выходе насосов Н1 и Н2 измеряется датчиками давления ДД1 и ДД2, результаты замеров с которых отображаются на цифровом табло. Избыточное давление жидкости отображается в килопаскалях (КПа) на дисплеях измерителей-индикаторов.

Перед измерением давления (снятием показаний с измерителей-индикаторов) следует дождаться окончания переходных процессов, возникающих при изменении перекрытий управляющих задвижек. Таким образом, замеры давления следует делать по достижении его постоянного значения.


 

Лабораторная работа № 1

ИзУЧЕНИЕ методов определения расхода воды объемным способом

Цель работы:

Знакомство с объемным способом измерения расхода жидкости.

 

Задание:

Установить опытным путем количество жидкости прошедшее через участок трубопровода за определенный временной промежуток.

Теоретические основы метода:

Расходом воды называется ее объем, протекающий через поперечное сечение трубопровода в единицу времени. Для крупных водотоков: рек, каналов, водосбросов гидротехнических сооружений и т. п. — расход выражается в кубических метрах в секунду (м3/с); расходы малых водотоков: родников, ручьев, лабораторных лотков и пр. — в литрах в секунду (л/с). Расход воды является одной из основных гидравлических характеристик потока. Для рек расход воды – важнейшая характеристика, определяющая другие ее параметры, как, например, уровень воды, скорость течения, уклон водной поверхности и др. На основании систематических определений расходов воды вычисляют средние суточные расходы, максимальные и минимальные расходы, а также объемы стока реки за тот или иной интервал времени.

Существующие методы определения расхода воды можно разделить на две основные группы: непосредственное измерение и косвенное определение. К первой группе относится, так называемый, объемный метод, основанный на измерении расхода посредством мерных сосудов, подставляемых под струю воды. При этом измеряется время наполнения мерного сосуда. Расход определяется делением объема воды в сосуде на время наполнения. Этот метод применяется обычно на малых водотоках — ручьях, родниках, лабораторных лотках и т. п. Объемный метод отличается относительно большой точностью. Косвенное определение расхода воды может выполняться различными методами, общей характерной особенностью которых является то, что в них измеряется не сам расход (объем воды), а отдельные характеристики потока, при этом расход получается путем вычислений. К таким методам относятся:

1) определение расхода по измеренным скоростям течения и площади поперечного сечения потока, сокращенно называемый методом «скорость—площадь»;

2) определение расхода с помощью мерных устройств: гидрометрических лотков, водосливов. В данном случае измеряемой величиной является напор на водосливе или во входной части лотка, при этом расход определяется по гидравлическим зависимостям;

3) определение расхода методом смешения; он имеет несколько разновидностей (электролитический, тепловой, калориметрический).

В настоящее время применяется преимущественно электролитический метод, в котором расход воды определяется в зависимости от изменения электропроводности вводимого в поток раствора электролита при смешении его с водной средой. Метод «скорость - площадь» наиболее распространен в речной гидрометрии. Площадь поперечного сечения потока определяется по результатам измерений глубин, а скорости в отдельных точках живого сечения измеряются чаще всего гидрометрической вертушкой; реже для измерения скоростей применяют другие приборы или поплавки. К данному методу следует также отнести расчетный способ определения расхода по площади живого сечения и средней скорости потока, вычисленной по формуле Шези. В дальнейшем мы главное внимание обратим на способы определения расхода с применением гидрометрических вертушек, наиболее распространенные в настоящее время в речной гидрометрии. Метод определения расхода с помощью мерных устройств применяется чаще всего при измерении небольших расходов воды - на малых речках, ручьях, логах, оросительных каналах. Кроме того, этим методом пользуются для определения расходов воды через водопропускные отверстия гидротехнических сооружений с целью учета стока воды на гидроузлах. Метод смешения применяется главным образом на горных реках с большими скоростями течения, небольшими глубинами и сложным рельефом дна, где метод «скорость - площадь» не обеспечивает достаточную точность измерения скоростей течения и площади живого сечения. Необходимым условием успешного применения этого метода является хорошо выраженный турбулентный режим движения воды, при котором обеспечивается хорошее перемешивание вводимого в поток раствора с водной средой.

Проведение опыта:

1. Полностью закрыть задвижки З4, З5 и краны КРЗ, КР4. Задвижку З7 и краны КР1, КР2, КР9 полностью открыть.

2. Повернуть переключатель насоса H1 в крайнее правое положение и включить питание переключением соответствующего тумблера на блоке управления.

3. Поворачивая рукоятку задвижки З7, установить запорный элемент примерно в среднее положение.

4. Повернуть переключатель прибора для измерения времени в положение «ЕМ1».

5. Закрыть кран КР9. Измерить время ∆t заполнения объема V жидкости, поступающей в мерную емкость ЕМ1. В случае автоматического измерения контрольный объем фиксирован и составляет V=2,0 л. Записать значение времени в таблицу 1.1.

6. Открыть кран КР9 и слить жидкость из мерной емкости. Обнулить показания электронного секундомера.

7. Повернуть переключатель прибора для измерения времени в положение «секундомер». Измерить время ∆t заполнения объема V жидкости, поступающей в мерную емкость ЕМ1, используя прибор в качестве электронного секундомера, т.е. запуская и останавливая его вручную. Записать значение времени и высоты контрольного отсека жидкости L (по боковым шкалам), на которой измерялось это время, в таблицу 1.1.

8. Выключить электропитание насоса.

 

Обработка результатов опыта:

1. Найти объем V, зная внутренний диаметр мерной емкостиD=114mm, можно по высоте контрольного отсека жидкости L (измеряется по боковым шкалам)

                                               (1.1)

2. Определить расход по формуле

                                                  (1.2)

3. Результаты записать в таблицу 1.1.

4. Сделать и записать выводы.

 

Таблица 1.1.

Способ измерения L, м V, л ∆t, сек Q, л/с
Автоматический режим 2,0    
Ручной режим        

 


 

Лабораторная работа № 2

 

ИЗУЧЕНИЕ РЕЖИМОВ ДВИЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ, ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ЛАМИНАРНОГО И ТУРБУЛЕНТНОГО ТЕЧЕНИЯ ЖИДКОСТИ

Цель работы:

Изучение особенностей ламинарного и турбулентного режимов течения. Исследование влияния критерия Рейнольдса на режим течения жидкости. Экспериментальное определение критического значения числа Рейнольдса.

 

Задание:

Установить опытным путем наличие двух режимов движения жидкости: ламинарного и турбулентного. Вычислить при обоих режимах числа Рейнольдса. Отметить переход от одного режима к другому и определить значение критического числа Рейнольдса. Выяснить из опытов характер зависимости потерь напора по длине трубы от режима движения.

 

Теоретические основы метода:

При движении вязкой жидкости различаются два режима – ламинарный и турбулентный.

Ламинарный поток имеет слоистую структуру - частицы жидкости дви­жутся с различными скоростями параллельно оси трубы без перемешива­ния и без пульсаций скорости и давления.

Турбулентный поток характеризуется неупорядоченным движением частиц жидкости. Наряду с основным поступательным перемещением частиц жидкости вдоль трубы наблюдаются хаотичные поперечные перемеще­ния и вращательные движения частиц, которые приводят к интенсивному перемешиванию жидкости. Кроме того, в каждой точке турбулентного потока наблюдаются пульсации скорости и давления.

Опытами установлено, что переход от ламинарного движения к тур­булентному происходит внезапно, скачкообразно, при определенном зна­чении безразмерного параметра. Данный безразмерный параметр получил название числа Рейнольдса:

 

, (2.1)

 

где u - средняя скорость потока, м/с;

d- диаметр трубы, м

n- кинематическая вяз­кость жидкости, м2.

Для каждой конкретной установки существует некоторый диапазон значений числа Re, которые можно рассматривать как критические значения Reкр, при которых и происходит смена режимов движения. На значение критического числа Рейнольдса существенное влияние оказывают различные возмущения, возникающие в потоке вследствие особенностей структуры течения до входа в трубу и при входе (сужение потока и т.п.).

Необходимо иметь в виду, что переход ламинарного движения к турбу­лентному удается задержать до достижения весьма больших значений Re, в то время как восстановление ламинарного движения при переходе к нему от турбулентного осуществляется при относительно малых значе­ниях Re. В практике гидравлических расчетов именно это малое зна­чение Re и принимают за Reкр.

При движении жидкости в круглых трубах обычно принимают Reкр = 2320. Таким образом, при Re  <  Reкрв потоке сохраняется ламинарный ре­жим, а при Re > Reкр- турбулентный. Переход ламинарного режима в турбулентный происходит при увеличении скорости потока (расхода), а также при уменьшении вязкости жидкости и поперечных размеров потока (при постоянном расходе).

Если в начале и конце трубы установить пьезометры, то разность пьезометрических напоров h1 в начале и h2 в конце трубы покажет величину потери напора на трение hl при движении на расстояние l между сечениями 1-1 и 2-2 (рис. 4).

 

 

 

 
Рис. 4. Схема измерения потери напора на трение по длине трубы.  

 


Зависимость гидравлических потерь на трение от скорости потока имеет вид:

(2.2)

 

где a - коэффициент пропорциональности;

       n - показатель степени.

При ламинарном режиме потери на трение пропорциональны средней скорости потока (n=1). При турбулентном режиме с увеличением числа Рейнольдса показатель степени в формуле (2.2) возрастает от n=1,75 доn=2. Нижний предел этого интервала соответствует области сопротивления гидравлически гладких труб, верхний предел - квадратичному закону сопротивления (гидравлически шероховатым трубам). Промежуточные значения характеризуют переходную область сопротивления.

 

Проведение опыта:

Для исследования и визуализации режимов течения на вход прямого трубопровода Т1 подается тонкая струйка подкрашенной чернилами жидкости, которая поступает из специальной емкости (бака) Б3. Данная лабораторная работа выполняется только при условии подключения к крану КР8 автономного источника чистой воды (например, водопровода), а также обеспечении слива с выхода крана КР12 в канализацию. Кран КР8 перед работой должен быть закрыт.

 

1. Полностью закрыть задвижки З1, З2, З4, З5, З6, З7, З8 и краны КР4, КР5, КР7, КР11. Краны КР10, КР12, КР14 полностью открыть.

2. Открыть кран КР8 и дождаться наполнения напорной секции накопительного бака Н2 вплоть до возникновения перелива.

3. Открыть З1 на один оборот до возникновения минимального течения через трубопровод Т1.

4. Частично закрывая кран КР14 добиться минимальной величины перелива из рабочей полости бака, для минимизации начальных возмущений.

5. Частично открыть задвижку З8 вплоть до начала истечения красящей жидкости.

6. При необходимости уменьшать расход через трубопровод, прикрывая задвижку З1, вплоть до возникновения прямой струйки окрашенной жидкости. Отрегулировать подачу красящей жидкости (З8) и минимальный перелив (КР14).

7. Закрыть кран КР10. Измерить время ∆t заполнения объема V жидкости, поступающей в мерную емкость ЕМ2. Записать значения в таблицу 2.1. Открыть кран КР10.

8. Записать режим течения жидкости, определенный визуально в таблицу 2.1.

9. Приоткрыть задвижку З1 и повторить действия, описанные в пунктах 6, 7 и 8. Результаты занести в табл. 2.1.

10. Повторять действия по пунктам 6, 7, 8 и 9 вплоть до полного открытия З1.

11. Закрыть задвижку З8.

12. Закрыть задвижку З1.

13. Выключить    питание насоса Н3.

 

Примечание. При проведении опытов следует избегать возмущений, вызванных внешними воздействиями на установку (сот­рясением и т.п.), т.е. не прикасаться к установке без необходимости, и все регулировки производить плавно.

 

Обработка результатов опыта:

1. Вычислить кинематическую вязкость воды по эмпирической формуле Пуазейля:

 

ν = 0,179 · 10-2/ (1000 + 34Т +0,22Т2) (2.3)

 

где    ν- кинематический коэффициент вязкости, м2/с;

         Т – температура окружающей среды, °С.

 

2. Определить расход воды:

 

, (2.4)

 

3. Рассчитать среднюю скорость жидкости:

 ,                                                  (2.5)

где S – площадь поперечного сечения трубопровода;

d = 15 мм – диаметр трубопровода Т1.

4. Рассчитать числа Рейнольдса по формуле (2.1)

5. Определить критическое значение числа Re для данной установки.

6. Сделать и записать выводы.

Таблица 2.1

V, л ∆t, сек Q, л/с u, м/с Re Внешний вид струйки жидкости
1            
2            
3            
4            
5            
6            
7            

 

Лабораторная работа № 3

ИЛЛЮСТРАЦИЯ УРАВНЕНИЯ БЕРНУЛЛИ,

ДИАГРАММА НАПОРОВ

 

Цель работы:

Закрепление знаний по разделу "Уравнение Бернулли для потока ре­альной жидкости". Наблюдение за взаимным переходом потенциальной и кинетической энергии жидкости.

Задание:

По опытным данным построить линии гидростатического напора, гидро­динамического напора для элементарной струйки жидкости и гидродинамического напора для потока жидкости в наклонном трубопроводе переменного сече­ния.

 

Теоретические основы метода:

Уравнение Бернулли играет важнейшую роль в гидравлике. Оно необхо­димо для решения целого ряда практических инженерных задач.

Для элементарной струйки вязкой несжимаемой жидкости при установившемся движении уравнение Бернулли имеет вид:

 

(3.1)

 

где Z1  – высота расположения центра тяжести поперечного сечения струйки 1-1;

Z2  – высота расположения центра тяжести поперечного сечения струйки 2-2;

P1  – давление в центре тяжести сечения 1-1;

P2  – давление в центре тяжести сечения 2-2;

u1  скорость течения жидкости в сечение 1-1;

u2  – скорость течения жидкости в сечение 2-2;

ρ – плотность жидкости;

h1,2 – потеря напора при перемещении жидкости из сечения 1-1 в сечение 2-2.

Величина  называется полным гидравлическим напором струйки в соответствующем сечении.

Слагаемые напора:

 - геометрическая высота или геометрический напор;

 - пьезометрическая высота или пьезометрический напор;

 - скоростная высота или скоростной напор;

 - гидростатический напор.

Для потока вязкой несжимаемой жидкости уравнение Бернулли записывается в виде:

 

(3.2)

 

где υ1  средняя скорость потока жидкости в сечении 1-1;

       υ2  средняя скорость потока жидкости в сечении 2-2;

α  – коэффициент Кориолиса, учитывающий неравномерность распределения скоростей в живом сечении. Его вели­чина зависит от формы эпюры скорости и всегда больше единицы. Для ламинарного течения в круглых трубах α = 2, для турбулент­ного течения коэффициент Кориолиса обычно принимает значение в пре­делах α  = 1,05 - 1,1.

Для определения средней скорости потока υ в сечении необхо­димо использовать одно из основных уравнений гидродинамики - урав­нение неразрывности (постоянство объемного расхода вдоль потока несжимаемой жидкости):

(3.3)

 

где S1, S2 – площади сечений потока.

Из уравнений (3.1) и (3.2) следует, что все члены уравнения Бернулли имеют линейную размерность. Однако им можно придать и энер­гетический смысл.

Действительно, если масса жидкости m поднята на высоту Z над некоторой плоскостью (плоскостью сравнения), то в поле силы тя­жести она обладает потенциальной энергией положения тgZ.Отнеся эту энергию к весу жидкости, найдем, что величина Z представляет собой удельную потенциальную энергию положения.  – удель­ная потенциальная энергия давления жидкости, так как частица жид­кости массой m при давленииP обладает способностью подняться на высоту  и приобрести энергию положения тg  (если отнести эту величину к весу жидкости тg, то получим ); – удельная кинетическая энергия жидкости. Следовательно, полный гидродинамический напор потока  пред­ставляет собой полную удельную механическую энергию потока жидкости в данном сечении, а величина h1-2– уменьшение удельной механичес­кой энергии потоки на участке между сечениями 1-1 и 2-2, происходящее в результате работы сил вязкостного трения, сопровождающейся необ­ратимым переходом части механической энергии в тепловую. Таким обра­зом, энергетический смысл уравнения Бернулли для потока (струйки) реальной жидкости заключается в том, что оно является уравнением сохранения энергии с учетом потерь. Если на участке потока уменьшается скорость (кинетическая энергия), то, согласно уравнению Бернулли, на этом участке должно соответственно возрасти давление (потенциальная энергия).

 

Проведение опыта:

Сложный трубопровод состоит из трех последовательно соединенных прозрачных труб из органического стекла с внутренними диаметрами dI  = 15 мм , dII  = 11 мм , dIII  = 15 мм. Расстояния между точками отбора и схему подключения пьезометров см. рис. 1.

Для исследования влияния изменений геометрического напора конструкцией стенда предусмотрена возможность изменения угла наклона оси трубопровода к горизонту.

Переходы между участками трубопровода выполнены в виде конусов (конфузора и диффузора).

 

1. Полностью закрыть задвижки З1, З2, З4, З5, З6, З7, З8 и краны КР4, КР5, КР8, КР12. Краны КР6, КР7, КР9, КР14 полностью открыть.

2. Повернуть переключатель насоса НЗ в крайнее правое положение и включить питание переключением соответствующего тумблера на блоке управления.

3. Дождаться наполнения напорной секции накопительного бака, вплоть до возникновения перелива.

4. Откручивая рукоятку задвижки З6 установить уровень жидкости в пьезометре №12 (НП12) в соответствии с табл. 3.1.

5. Закрыть кран КР9. Измерить время Δt заполнения объема V жидкости, поступающей в мерную емкость ЕМ1. Записать значения в таблицу 3.1. Открыть кран КР9.

6. Записать в таблицу 3.1. показания пьезометров №13, 14, 15, 16, 17 (НП13П14, НП15, НП16, НП17).

7. Повторить действия, описанные в пунктах 4, 5 и 6 для всего интервала НП12 из табл. 3.1. Результаты замеров записать в табл. 3.1.

8. Изменяя угол наклона трубопровода ТЗ (контролируется по специальной линейке, размещенной на кронштейне трубопровода) при неизменной величине перекрытия задвижки З6 (рекомендуется перекрытие около 5 оборотов рукоятки задвижки), повторить измерения до пункта 8. Результаты записать в таблицу 3.2. Чтобы изменить угол наклона трубопровода ТЗ следует ослабить барашек винтового фиксатора, расположенный на тыльной стороне пластины кронштейна, придерживая поворотный механизм за металлическую прямоугольную трубу, к которой крепится прозрачный трубопровод.

9. Полностью закрыть задвижку З6.

10. Выключить питание насоса.

 

Обработка результатов опыта:

1. Рассчитать величину подачи насоса и записать значения в
таблицу 3.1.

2. Рассчитать потери статического напора по длине участков трубопровода  ; ; .

3. Рассчитать местные потери пьезометрического напора:

а) В плавном сужении русла (конфузоре) ;

б) В плавном расширении (диффузоре)

4. Рассчитать средние скорости жидкости и критерии Рейнольдса для каждого участка по формулам:

 ,  ,  ,

где SI, SII – площади сечений соответствующих участков трубопровода;

ν – кинематическая вязкость жидкости (для воды при нормальных условиях ν = 10-6 м2/с = 12 мм2/с).

5. Определить коэффициенты Кориолиса, используя число Рейнольдса и данные в теоретической части лабораторной работы.

6. Рассчитать скоростные напоры на каждом участке трубопровода:

, , .

7. Рассчитать суммарные пьезометрические напоры для каждого участка:

 ,

 ,

 .

Потребный пьезометрический напор сложного трубопровода:

 .

8. Рассчитать потребные полные напоры участков и трубопровода в целом.

 ,

 ,

 .

Полный напор сложного трубопровода с последовательным соединением:

.

9. Построить характеристики для участков трубопровода , , , общую характеристику сложного трубопровода с последовательным соединением участков в координатах подача - потребный напор

10. При одном фиксированном значении расхода через трубопровод (рекомендуется при максимальном) построить линии пьезометрического напора, дополнив его линиями скоростных напоров, и получить линию полного напора. Линию пьезометрических напоров следует строить по показаниям пьезометров. Линия полного напора получается при увеличении линии пьезометрического напора на величину скоростного напора.

Схематичный пример построения пьезометрической и напорной линий показан на рис. 5.

11. Сделать и записать выводы.

Рис. 5. Пьезометрическая и напорная линии.


Таблица 3.1

 

V, л. Δt, сек. Q, л/с. НП12, мм. НП13, мм. НП14, мм. НП15, мм. НП16, мм. НП17, мм. υI, мм/с. υII, мм/с. υIII, мм/с. ReI ReII ReIII
1       900                      
2       850                      
3       800                      
4       750                      
5       700                      
6       650                      

Таблица 3.1 (продолжение)

ΔhI, мм. ΔhII, мм. ΔhIII, мм. Δh1314, мм. Δh1516, мм. Δh910, мм. , мм. , мм. , мм. , мм. , мм. , мм. , мм. , мм. , мм. , мм.
1                                
2                                
3                                
4                                
5                                
6                                

 

Таблица 3. 2

Угол наклона к горизонту ТЗ V, л. Δt, сек. Q л/с. НП12, мм. НП13, мм. НП14, мм. НП15, мм. НП16, мм. НП17, мм.
1 7                  
2 5                  
3 3                  
4 1                  
5 0                  
6 -1                  
7 -3                  

 


 

Лабораторная работа № 4

Исследование характеристик трубопроводов при различных режимах течения

Цель работы:

Закрепление знаний по разделам "Ламинарное и турбулентное течение в круглых трубах", получение навыков экспериментального определения характеристик трубопровода.

 

Задание:

Определить из опыта коэффициент гидравлического трения λ при заданном расходе в имеющемся трубопроводе. Сравнить полученную величину λ с вели­чиной, определенной по справочным данным.

 

Теоретические основы метода:

Потери напора h на участке трубопровода в общем случае определяются из уравнения Бернулли:

 

(4.1)

 

где Z1 – геометрическая высота сечения 1-1;

 Z2 – геометрическая высота сечения 2-2;

– пьезометрический напор в сечении 1-1;

– пьезометрический напор в сечении 2-2;

υ1 – средняя скорость потока в сечении 1-1;

υ2 – средняя скорость потока в сечении 2-2;

α1 – коэффициент Кориолиса в сечение 1-1;

α2 – коэффициент Кориолиса в сечение 2-2;

 

Исследуемый участок трубопровода представляет собой отрезок прямой горизонтальной трубы постоянного диаметра, поэтому потери на трение являются единственным видом потерь напора на этом участке. Кроме того, Z1 = Z2 и υ1 = υ2, а значит и α1 = α2, поэтому из уравнения (4.1) следует, что потери на трение на исследуемом участке:

 

(4.2)

 

Потери напора на трение в общем случае определяются по формуле Дарси:

 

(4.3)

 

Коэффициент λназывают коэффициентом гидравлического трения. Исследования показали, что для ламинарных потоков в трубах:

 

(4.4)

 

где А– константа, зависящая от формы сечения трубопровода. Для круглой трубы А = 64, а число Рейнольдса определяется по формуле:

 

(4.5)

 

При турбулентных режимах λ зависит от конфигурации потока или, как говорят, от пограничной геометрии, а также от числа Рейнольдса:

 

(4.6)

 

По результатам экспериментов коэффициент λможно определить с помощью формулы (4.3), если измерить среднюю скорость υи потери напора hтр.

Теоретические исследования показали, что согласно (4.6) следует искать эмпирическую зависимость λ от числа Reикакого-либо безразмерного параметра, определяющего геометрическое подобия потоков. Для гладких круглых труб такого параметра не требуется, поскольку все круглые трубы геометрически подобны и для них экспериментальные точки на графике λ=λ(Re)должны образовать единую кривую. Однако шероховатые трубы не являются геометрически подобными, поскольку требование геометрического подобия должно распространяться не только на форму поперечного сечения, но и на форму выступов неровностей стенок. Но тогда при строгом подходе практически невозможно найти две геометрически подобные трубы с естественной шероховатостью. В связи с этим в качестве приближенного допущения принимают, что шероховатые трубы будут геометрически подобными, если отношение средней высоты выступов шероховатости Δ к радиусу ro или диаметру dбудет одинаковым. Тогда опытные данные следует обрабатывать в виде кривых:

 

(4.7)

 

Отношение Δ/d (или Δ/r0) называют относительной шероховатостью, а обратную величину d/Δ – относительно гладкостью.

Н. Никурадзе (1933 г.) впервые обработал свои многочисленные опытные результаты указанным способом и построил универсальный график зависимости (4.7) приведенный на рисунке 6. Шероховатость в опытах Никурадзе создавалась искусственно путем наклеивания калиброванных песчинок на внутреннюю поверхность трубы. Такая шероховатость получалась равнозернистой, чем существенно отличалась от естественной шероховатости труб, образующейся в результате коррозии, отложений и т.п.

Рассмотрим подробно график Никурадзе:

1 - зона ламинарного режима, изображенная прямой. Здесь точки, относящиеся к опытам с разной шероховатостью, ложатся на одну прямую, уравнением которой является зависимость:

 

(4.8)

 

 
Рис. 6. Зависимость lg( 1000 ) от Re для труб с искусственной шерховатостью, построенная Н. Никурадзе.    

 

 


Границей служит значение абсциссы lg(2300) = lg(Reкр).

Таким образом, данная закономерность имеет место при Re  ≤  Reкр, т.е. при ламинарном режиме движения.

В диапазоне чисел Re = 2300¸4000 осуществляется переход от ламинарного течения к турбулентному. В потоке наблюдается неустойчивость, порождаемая периодическим возникновением очагов турбулентности и их исчезновением.

2 - зона гладкостенного течения, образуемая опытными точками, расположенными вдоль другой прямой. Здесь λ также не зависит от шероховатости:

 

(4.9)

Границей зоны ориентировочно могут служить значения:

 

(4.10)

 

Строение потока в пределах гладкостенной зоны можно представить в виде: турбулентного ядра потока и вязкого подслоя вблизи стенки, движения в котором преимущественно ламинарное. Толщина подслоя δлдостаточна, чтобы покрыть все неровности стенки, благодаря чему движение турбулентного ядра потока происходит как бы в гладкой трубе. Трубы, работающие в таком режиме, называют гидравлически гладкими.

3 - доквадратичная зона сопротивления, которая ограничивается линией гладкостенного режима и штриховой линией К-К, образованной точками, отделяющими горизонтальные участки кривых. В зоне 3 каждая кривая отвечает определенному значению относительной гладкости. Здесь λ зависит от числа и относительной гладкости трубы d/Δ:

 

(4.11)

 

Границами зоны приближенно служат значения:

 

<Re . (4.12)

 

4 - зона квадратичного сопротивления, образуемая горизонтальными участками кривых. В этой зоне коэффициент λ не зависит от ,т.е.:

 

(4.13)

 

Эта зона имеет место при:

 

Re> (4.14)

 

Толщина вязкого подслоя здесь весьма мала, и выступы шероховатости полностью взаимодействуют с турбулентным ядром потока.

График Никурадзе дает общее представление о характере зависимости  для труб с искусственной зернистой шероховатостью Δ

В таблице 4.1 даны удобные для практического использования расчетные формулы коэффициента λ во всех зонах сопротивления.

 

 

Таблица 4.1.

Зона сопротивления Режим течения Границы зоны

Расчетные формулы

1 Ламинарный Re<2320

2 Турбулентный гладкостенный (Re<105)

Для всех турбулентных режимов

 

3 Турбулентный доквадратичный
4 Турбулентный квадратичный

Проведение опыта:

Выполняется для трубопровода Т1 (с внутренним диаметром d1=15 мм) и Т2 (внутренний диаметр d2=11 мм).

1. Полностью закрыть задвижки З1, З2, З3, З4, З5, З6, З7, З8 и краны КР4, КР5, КР8, КР12. Краны КР6, КР7, КР10, КР11, КР14 полностью открыть.

2. Повернуть переключатель насоса Н3 в крайнее правое положение и включить питание переключением соответствующего тумблера на блоке управления.

3. Дождаться наполнения напорной секции накопительного бака, вплоть до возникновения перелива.

4. Откручивая рукоятку задвижки З1 установить уровень жидкости в пьезометре №1 (Нп1) в соответствие с табл. 4.2.

5. Записать в таблицу 4.2 показания пьезометра №2 для трубопровода Т1 (Нп2).

6. Закрыть кран КР10. Измерить время ∆t заполнения объема V жидкости, поступающей в мерную емкость ЕМ1. Записать значения в таблицу 4.2. Открыть кран КР10.

7. Повторяя работы по п. 4, 5 и 6 выполнить замеры для всего интервала Нп1 из табл. 4.2.

8. Закрыть задвижку З1.

9. Откручивая рукоятку задвижки З2 установить уровень жидкости в пьезометре №3 (Нп3) в соответствие с табл. 4.3.

10. Записать в таблицу 4.3 показания пьезометра №4 для трубопровода Т2 (Нп4).

11. Закрыть кран КР9. Измерить время ∆t заполнения объема V жидкости, поступающей в мерную емкость ЕМ2. Записать значения в таблицу 4.3. Открыть кран КР9.

12. Отворачивая рукоятку задвижки З2 установить следующую величину пьезометрического напора в сечении 3 (см. табл. 4.3).

13. Повторяя работы по п. 9, 10, 11, 12 выполнить замеры для всего интервала Нп3.

14. Закрыть З2.

15. Выключить питание насоса Н3.

Обработка результатов опыта:

1. Рассчитать величину подачи Q = V/∆t насоса и записать значения в таблицы 4.2 и 4.3.

2. Рассчитать потери напора по длине трубопровода. Учитывая, что расход жидкости при каждом измерении постоянен (т.е. скоростной напор по длине трубопровода неизменен) потери полного напора*

следовательно

∆h=НП1П2 (∆h=НП3П4) для всех значений подач.

* Так как оси трубопроводов расположены в горизонтальной плоскости, геометрические напоры для всех сечений равны, поэтому здесь и далее в записи уравнения Бернулли они не приводятся.

3. Рассчитать среднюю скорость жидкости υср=Q/S, величину скоростного напора υ2/2g, критерий Рейнольдса Re=(υ∙d)/ν (для воды кинематическая вязкость – ν = 10-6 м2/с = 1 мм2/с). Определить режим течения жидкости в трубопроводе и зону сопротивления по таблице 4.1.

4. Из формулы Дарси-Вейсбаха:

выразить и найти экспериментальную величину коэффициента сопротивления трубопровода ξэ и коэффициент гидравлического трения:

  .

5 Рассчитать теоретическую величину коэффициента гидравлического трения используя данные из таблицы 4.1 и сравнить с экспериментальной (=0,01 мм – абсолютная шероховатость испытываемых труб).

6. Построить характеристики трубопроводов в координатах подача – потребный напор НПОТР = ∆h = f(Q).

7. Сделать и записать выводы.

 

 
Рисунок 7. Пример экспериментальных характеристик прямых трубопроводов.    

 

 


Таблица 4.2

V, л ∆t, сек Q, л/с НП1, мм НП2, мм υ, мм/с Re, , мм ∆h12, мм Режим течения ξэ λэ λТ
1       900                  
2       850                  
3       800                  
4       750                  
5       700                  
6       650                  

 

Таблица 4.3

V, л ∆t, сек Q, л/с НП3, мм НП4, мм υ, мм/с Re, , мм ∆h34, мм Режим течения ξэ λэ λТ
1       900                  
2       850                  
3       800                  
4       750                  
5       700                  
6       650                  

Лабораторная работа №5

 

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОТЕРЬ ДАВЛЕНИЯ (НАПОРА) ПРИ ТЕЧЕНИИ ЧЕРЕЗ МЕСТНЫЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ В ВИДЕ РЕЗКОГО СУЖЕНИЯ И РАСШИРЕНИЯ ПОТОКА

 

Цель работы:

Закрепление знаний по разделу "Местные гидравлические сопротивления", получение навыков опытного определения коэффициентов местных сопротивлений.

 

Задание:

Определить из опыта коэффициенты сопротивления для различных местных сопротивлений. Сравнить полученные результаты с данными справочной литературы.

Теоретические основы метода:

Уравнение Бернулли для потока вязкой жидкости запишется в следующем виде:

 

(5.1)

 

Для практического использования уравнения Бернулли необходимо установить способ определения величин потерь напора hТ, вызванных действием в потоке сил сопротивления. Механизм действия этих сил настолько сложен, что до настоящего времени для произвольного движения не удалось найти точного метода вычисления потерь hТ. В технических расчетах чаще всего приходится пользоваться эмпирическими или полуэмпирическими зависимостями.

Как показал опыт прикладной гидродинамики, гидравлические сопротивления удобно разделить на два класса, или вида. Первый вид - это сопротивления, связанные с трением потока жидкости о стенки трубы. Потери в этом случае равномерно распределены по длине потока и называются потерями по длине hλ. Этот вид потерь в чистом виде может иметь место только в потоке с постоянной по его длине средней скоростью. Такие потоки называются равномерными: они могут существовать лишь в прямой цилиндрической трубе или призматическом канале.

С другим видом гидравлических сопротивлений, а, следовательно, и потерь мы встречаемся в случаях резких изменений формы граничных поверхностей потока на коротком участке. Потери здесь вызываются деформацией потока пограничными поверхностями, сопровождающейся перестройкой закона распределения скоростей и образованием зон с вихревым движением жидкости. Такие участки резких деформаций потока называют местными гидравлическими сопротивлениями, а вызванные ими потери - местными потерями напора hм.

Наряду с различием конфигураций граничных поверхностей необходимо учитывать влияние режимов движения жидкости на величину и механизм потерь, т.е. важно знать условия перехода из ламинарного течения в турбулентное. В реальных конструкциях участки равномерного движения жидкости могут чередоваться с местными сопротивлениями, число частных видов которых чрезвычайно велико. При подсчетах полных потерь напора широко применяется принцип сложения, согласно которому полные потери равны сумме потерь на отдельных участках равномерного движения и потерь на всех местных сопротивлениях:

 

(5.2)

 

где hλi- потеря по длине на i-м участке равномерного движения;

hmj- местные потери на j-м местном сопротивлении.

При протекании жидкости через местное сопротивление в потоке возникают деформации эпюры скоростей, отрывы и вихревые зоны, которые могут распространяться как вверх, так и вниз по течению. В связи с этим, если величины hmj вычисляют по формулам, установленным для изолированных местных сопротивлений, то применение принципа сложения потерь согласно (5.2) будет правомерным лишь в том случае, когда местные сопротивления не влияют друг на друга, т.е. разделены участками движения со стабилизированным распределением скоростей. В противном случае два или более местных сопротивления следует рассматривать как одно сложное и для него должны быть, установлены специальные расчетные зависимости.

Исходя из общих законов гидродинамики, можно установить структуру общих формул, выражающих потери в любом сопротивлении. Из этих общих формул в некоторых случаях удается получить теоретические формулы для конкретных видов сопротивлений, а в других случаях приходится, пользуясь опытными данными, конкретизировать формулы эмпирическими коэффициентами. Общая формула потерь в гидравлическом сопротивлении называется формулой Вейсбаха и имеет вид:

 

(5.3)

 

В общем случае коэффициент местного гидравлического сопротивления ξМзависит от пограничной геометрии и числа Рейнольдса, и его можно представить в виде:

 

(5.4)

 

где Аконстанта, зависящая от формы сопротивления и числа .

Из этой формулы вытекает, что при малых числах второй член правой части, т.е. А/Rе,играет определяющую роль в величине ξМ.

А при возрастания числа этот член становится малым и, следовательно, число ,а значит и вязкость, перестают влиять на величину ξМ. При  значение . Индекс «кв»означает квадратичность сопротивления, т.е. пропорциональность потерь квадрату скорости, так как ξквот числа не зависит. Формулу (5.3) можно использовать и для расчета потерь по длине, если обозначить:

 

(5.5)

 

где λ– коэффициент гидравлического трения по длине трубы;

l- длина трубы;

d- диаметр трубы.

Данные о коэффициентах местных сопротивлений, наиболее часто встречающихся в инженерной практике, приводятся в гидравлических справочниках.

В лабораторной работе потеря напора на местном сопротивлении hмопределяется из уравнения Бернулли (5.1), записанного для каждого из исследуемых местных сопротивлений. Выражая коэффициент местного сопротивления из формулы (5.3), необходимо учитывать, что если сечение трубопровода меняется, то в формулу подставляют один из скоростных напоров: в сечении до местного сопротивления  или в сечении после него .

 

(5.6)

 

В справочниках указывается, к какому скоростному напору отнесен коэффициент местного сопротивления.

Проведение опыта:

Диаметр условного прохода подводящего трубопровода d1=15 мм. Диаметр условного прохода отводящего трубопровода d2 = 10 мм.

 

1. Полностью закрыть задвижки З1, З2, З4, З5, З6, З7, З8 и краны КР4, КР5, КР8, КР12. Краны КР6, КР7, КР9, КР14 и задвижку З3 полностью открыть.

2. Повернуть переключатель насоса Н3 в крайнее правое положение и включить питание переключением соответствующего тумблера на блоке управления.

3. Дождаться наполнения напорной секции накопительного бака, вплоть до возникновения перелива.

4. Откручивая рукоятку задвижки З4 установить уровень жидкости в пьезометре №6(НП6) в соответствие с табл. 5.1 и 5.2.

5. Закрыть кран КР9. Измерить время ∆t заполнения объема V жидкости, поступающей в мерную емкость ЕМ1. Записать значения в таблицы 5.1 и 5.2. Открыть кран КР9.

6. Записать в таблицы показания пьезометров №7 (НП7) и №5 (НП5).

7. Повторить действия по пунктам п.4, 5, 6 для всего интервала Нп6 из  таблиц 5.1 и 5.2.

8. Полностью закрыть задвижку З4.

9. Выключить питание насоса Н3.

 

Обработка результатов опыта:

1. Рассчитать величины расходов Q=V/∆t и записать значения в таблицу 5.1.

2. Рассчитать параметры потока в трубопроводах:

а) среднюю скорость жидкости υ1=Q/S1 и υ2=Q/S2

(S1=πd12/4, S2=πd22/4).

б) скоростной напор – υ21/2g и υ22/2g

в) критерий Рейнольдса

3.  Рассчитать местные потери напора на резком сужении:

4.  Рассчитать потери давления на резком сужении:

5.  Определить коэффициент сопротивления резкого сужения:

а) приведенный к скорости в отводящей трубе –

б) приведенный к скорости в подводящей трубе –

6. Повторить п. 1–5, соответственно, для таблицы 5.2.

7.  Построить напорную характеристику резкого сужения и расширения в координатах подача – потребный напор НПОТР = ∆hC = f(Q) и НПОТР = ∆hР = f(Q)

8. Построить характеристики местных сопротивлений в координатах коэффициент сопротивления – критерий Рейнольдса ξC1=f(Re1), ξР1=f(Re3).

9. Полученные значения сравнить со справочными данными ξспр, значения справочных данных можно определить по следующим формулам:

Для внезапного расширения: .

Для внезапного сужения .

10. Сделать и записать выводы.

 

Таблица 5.1

V, л ∆t, сек Q, л/с НП7, мм НП6, мм υ1, мм/с υ2, мм/с Re1 Re2 , мм , мм ∆hС, мм ∆рС, Па ξС1 ξС2
1         850                    
2         800                    
3         750                    
4         700                    
5         650                    
6         600                    

 

Таблица 5.2.

V, л ∆t, сек Q, л/с НП5, мм НП6, мм υ3, мм/с υ4, мм/с Re3 Re4 , мм , мм ∆hР, мм ∆рР, Па ξР1 ξР2
1         850                    
2         800                    
3         750                    
4         700                    
5         650                    
6         600                    

 

 

Лабораторная работа №6

 

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОТЕРЬ ДАВЛЕНИЯ (НАПОРА) ПРИ ТЕЧЕНИИ ЧЕРЕЗ МЕСТНЫЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ В ВИДЕ ДИАФРАГМЫ И ЗАДВИЖКИ

 

Цель работы:

Закрепление знаний по разделу "Местные гидравлические сопротивления", получение навыков опытного определения коэффициентов местных сопротивлений.

 

Задание:

Определить из опыта коэффициенты сопротивления для местных сопротивлений в виде диафрагмы и клиновой задвижки. Сравнить полученные результаты с данными справочной литературы.

Теоретические основы метода:

К местным сопротивлениям, в частности, относятся участки трубопроводов, имеющих переходы с одного диаметра на другой, колена, раструбы, тройники, крестовины, всякого рода запорные устройства и приспособления (краны, задвижки, вентили, клапаны), а также фильтры, сетки, специальные устройства входа и выхода к насосам (диффузоры, конфузоры).

Учет местных сопротивлений играет решающую роль при расчете гидравлически коротких трубопроводах, где величина потерь энергии на местных сопротивлениях сравнима с потерями по длине. Практически любое местное сопротивление приводит к резкому изменению характера течения, сопровождаемого изменением местных скоростей, как по величине, так и по направлению.

На практике для определения потерь энергии на местных сопротивлениях применяется формула Вейсбаха, выражающая потери в долях скоростного напора

,                                                    (6.1)

где неизвестный коэффициент пропорциональности ξ называется коэффициентом местного сопротивления.

В качестве скорости υ принимается скорость на участке трубопровода, либо до него. От этого будет зависеть численное значение коэффициента ξ, поэтому необходимо специально оговаривать, по отношению к какой скорости вычислен коэффициент местного сопротивления. В общем случае коэффициент ξ зависит от геометрической формы местного сопротивления и числа Re.

Коэффициент ξ принимается постоянным для данного вида местного сопротивления. Однако экспериментальные исследования показали, что это условие соблюдается только при больших числах Рейнольдса (Re > 104). При небольших величинах Re значения коэффициента ξ существенно зависит от числа Рейнольдса. Справочные значения ξ относятся к случаю, когда местное сопротивление работает в условиях автомодельности по числу Re, т.е. не зависит от его числового значения. Значения ξ, приводимые в справочниках, следует считать ориентировочными. Для уточнения данных о конкретном местном сопротивлении необходимо провести экспериментальное исследование в требуемом диапазоне чисел Re. Однако, есть случаи, когда величина потерь энергии на местном сопротивлении может быть определена теоретически, например, при внезапном расширении потока или прохождении через диафрагму.

Коэффициент сопротивления диафрагмы можно также определить в зависимости от отношения площади поперечного сечения трубы S2 к площади отверстия диафрагмы S1.

 

Таблица 6.1

S2/S1 0,05 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0
ξ 1070 245 51 18,4 8,2 4,0 2,0 0,97 0,41 0,13 0

Проведение опыта:

Диаметр отверстия диафрагмы d0 = 5 мм. Диаметр подводящего трубопровода d = 26 мм. Клиновая задвижка переменного сечения с диаметром условного прохода dз = 16 мм. Точки замера пьезометрического напора №8 и №9 до и после задвижки З3 расположены во входном и выходном фитингах с тем же условным проходом.

 

1. Полностью закрыть задвижки З1, З2, З4, З5, З6, З7, З8 и краны КР4, КР5, КР8, КР12. Краны КР6, КР7, КР9, КР14 полностью открыть.

2. Повернуть переключатель насоса Н3 в крайнее правое положение и включить питание переключением соответствующего тумблера на блоке управления.

3. Дождаться наполнения напорной секции накопительного бака, вплоть до возникновения перелива.

4. Откручивая рукоятку задвижки З5 установить уровень жидкости в пьезометре №11 (Нп11) в соответствие с табл. 6.2.

5. Закрыть кран КР9. Измерить время ∆t заполнения объема V жидкости, поступающей в мерную емкость ЕМ1. Записать значения в таблицу 6.2. Открыть кран КР9.

6. Записать в таблицу показания пьезометра № 10 (НП10).

7. Повторить действия по пунктам п. 4, 5, 6 для всего интервалаНп11 из табл. 6.2.

8. Полностью закрыть задвижку З5.

9. Полностью открутить задвижку З3, а затем из этого положения закручивать ее на число оборотов, указанных в таблицах 6.3–6.5.

10.Откручивая рукоятку задвижки З4 установить уровень жидкости в
пьезометре №9 П9) в соответствие с табл. 6.3.

11.Закрыть кран КР9. Измерить время Δt заполнения объема V жидкости,
поступающей в мерную емкость ЕМ1. Записать значения в таблицу 6.3.

12.Открыть кран КР9.

13.Записать в таблицу 6.3. показания пьезометра №8.

14.Повторить действия по пунктам п. 4, 5, 6 для всего интервала НП9 из

табл. 6.3. Таким образом, получается характеристика задвижки при фиксированной величине перекрытия. Закрыть задвижку З4.

15. Закрутить рукоятку З3 на несколько оборотов (см. табл. 6.4, а затем 6.5 – изменить величину перекрытия) и повторить действия по пунктам 10–14. Таким образом, получить характеристики для нескольких значений перекрытия сечения задвижки. Результаты замеров и количество оборотов задвижки записать в табл. 6.4. и 6.5.

16. Полностью закрыть задвижку З4.

17.  Выключить питание насоса Н3.

 

Обработка результатов опыта:

1. Рассчитать величины расходов Q=V/∆t и записать значения в таблицу 6.2.

2. Рассчитать местные потери напора на диафрагме. Учитывая, что расход жидкости при каждом измерении постоянен (т.е. скоростные напоры в сечениях до и после диафрагмы равны) потери полного напора

 

 

следовательно

3. Рассчитать параметры потока в отверстии диафрагмы:

а) среднюю скорость жидкости υ0= Q/S0, S0=πd2/4;

б) скоростной напор – υ20/2g;

в) критерий Рейнольдса:

4. Рассчитать параметры потока в подводящем трубопроводе:

а) среднюю скорость жидкости υ = Q/S, S=πd2/4;

б) скоростной напор – υ2/2g;

в) критерий Рейнольдса:

5. Определить коэффициент сопротивления диафрагмы:

а) приведенный к скоростному напору в отверстии диафрагмы-

б) приведенный к скорости в подводящей трубе –

6.   Определить коэффициент расхода диафрагмы μ из формулы расхода жидкости:

7. Построить напорную характеристику диафрагмы в координатах подача – потребный напор НПОТР1 = ∆Нд= f(Q).

8. Построить характеристики диафрагмы в координатах коэффициент сопротивления – критерий Рейнольдса ζд0 = f(Re0) и коэффициент расхода – критерий Рейнольдсаμ = f (Re). Примеры показаны на рис. 6.1.

9. Рассчитать величины расходов Q=V/Δt; и записать значения в таблицы 6.3 – 6.5.

10. Рассчитать местные потери напора на задвижке.

,

следовательно

.

 11. Рассчитать среднюю скорость жидкости , и критерий Рейнольдса .

12. Определить коэффициент сопротивления задвижки:

.

13. Построить напорные характеристики задвижки в координатах подача – потребный напор для нескольких перекрытий задвижки.

14. Построить характеристики задвижки в координатах коэффициент сопротивления — критерий Рейнольдса для нескольких перекрытий задвижки.

15. Сделать и записать выводы.

 

Рис.6.1. Пример построения экспериментальных

 характеристик диафрагмы.

 

                                                                                                        Таблица 6.2.

V, л ∆t, с Q, л/с НП10 мм НП11 мм ∆Нд мм υ0, мм/с Re0 , мм ξд0 υ, мм/с Re ξд μ
1         400                    
2         350                    
3         300                    
4         250                    
5         200                    
6         150                    

 

Таблица 6.3.

Кол-во оборотов задвижки З3 =2          

V, л Δt, с Q, л/с НП8, мм НП9, мм ΔНздв, мм υ, мм/с , мм
1         800          
2         700          
3         600          
4         500          
5         400          
6         300          

Таблица 6.4.

Кол-во оборотов задвижки З3 =4                   

V, л Δt, с Q, л/. НП8, мм НП9, мм ΔНздв, мм υ, мм/с , мм
1         800          
2         700          
3         600          
4         500          
5         400          
6         300          

 

 

Таблица 6.5.

Кол-во оборотов задвижки З3 =6                   


Дата добавления: 2018-02-15; просмотров: 509; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:






Мы поможем в написании ваших работ!