- •Описание опытной установки:
- •Описание устройства:
- •Описание устройства:
- •Описание устройства:
- •Проведение опыта:
- •Обработка результатов опыта:
- •Отчет по работе:
- •2. Максимально возможная ошибка одного измерения
- •3. Повышение точности и вычисление вероятной ошибки при многократных измерениях.
- •Список литературы.
Министерство образования Российской Федерации
Омский государственный технический университет
ГИДРАВЛИКА
Методические указания к лабораторным работам по дисциплине «Гидравлика»
Омск, 2007
Составители: Щерба Виктор Евгеньевич
Болштянский Александр Павлович
Павлюченко Евгений Александрович
Лысенко Евгений Алексеевич
Носов Евгений Юрьевич
П Р А В И Л А
выполнения лабораторных работ в лаборатории гидромеханики и теплотехники
-
Каждая лабораторная работа выполняется бригадой в составе 3-4 студентов.
-
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.
-
Студент, не имеющий бланк отчета или не сдавший коллоквиум, к проведению лабораторной работы не допускается. Он обязан отработать ее в указанное преподавателем время.
-
После окончания лабораторных занятий результаты измерений и расчетов каждый студент предъявляет преподавателю для визирования.
-
К началу следующего лабораторного занятия студент должен сдать законченный отчет по выполненной работе, без данного отчета он не допускается к дальнейшим лабораторным работам.
-
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 и прилагаются к отчету.
И Н С Т Р У К Ц И Я
по технике безопасности при работе в лаборатории гидромеханики и теплотехники.
-
К практическим занятиям в лаборатории допускаются студенты, получившие инструктаж по технике безопасности с соответствующим оформлением его в журнале.
-
Студентам запрещается без разрешения преподавателя включать электрооборудование, открывать и закрывать задвижки и вентили трубопроводов, включать измерительные приборы и установки.
-
Перед началом работы необходимо ознакомиться с заданием, с правилами безопасности проведения работ, проверить исправность ограждений и предохранительных устройств.
-
При работе в лабораториях выполняется только та лабораторная работа, которая предусмотрена планом. Категорически воспрещается выполнять другие лабораторные работы.
-
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.
-
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.
-
Если произошел несчастный случай, то необходимо немедленно оказать первую помощь и сообщить об этом руководителю.
-
Бережное отношение к приборам и оборудованию лаборатории создает условия вашей безопасности.
-
Запрещается в лабораторию приносить верхнюю одежду.
-
По окончании работы приведите в порядок рабочее место.
Лабораторная работа № 1
ИЗУЧЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЖИДКОСТИ
Цель работы:
Закрепление знаний по разделу "Молекулярная структура и особенности жидкого состояния", получение навыков опытного определения плотности, коэффициентов теплового расширения, вязкости и поверхностного натяжения жидкостей.
Задание:
Определить из опыта коэффициент теплового расширения этилового спирта, плотность и концентрацию водно-спиртового раствора, динамический коэффициент вязкости водно-глицеринового раствора, плотность и кинематический коэффициент вязкости, и коэффициент поверхностного натяжения трансформаторного масла.
Теоретические основы метода:
Феноменологические свойства жидкости, как сплошной среды, могут существенно изменяться при изменении ее термодинамических параметров. Плотность жидкости ρ возрастает при повышении давления и, как правило, уменьшается при повышении температуры. Последнее свойство характеризуется коэффициентом теплового расширения βТ, определяющим относительное изменение объема W при изменении температуры Т:
|
(1) |
Среднее значение этого коэффициента при увеличении температуры
на ∆Т:
|
(2) |
где ∆W ― приращение объема.
Вязкость жидкости с повышением давления несколько увеличивается, с повышением температуры ― значительно уменьшается. В частности, для воды справедлива эмпирическая формула Ж. Пуазейля:
ν = 0,179 · 10-2/ (1000 + 34Т +0,22Т2) |
(3) |
где ν - кинематический коэффициент вязкости, м2/с;
Т - температура, °С.
Поверхностное натяжение жидкости определяется видом газа над ее свободной поверхностью, примесями и температурой. Коэффициент поверхностного натяжения численно равен силе на единице длины периметра свободной поверхности жидкости.
Описание опытной установки:
Экспериментальное устройство состоит из ряда приборов, размещенных в общем корпусе (рис.1).
Термометр 1 показывает температуру всех жидкостей, залитых в приборы устройства, а также служит для изучения теплового расширения находящейся в нем жидкости (этилового спирта). Термометр имеет стеклянный баллон с капилляром, заполненный термометрической жидкость, и шкалу. Принцип действия прибора основан на тепловом расширении жидкостей. Изменение температуры окружающей среды, а значит, и жидкости вызывает соответствующее изменение ее объема и, следовательно, ее уровня в капилляре. Уровень указывает на шкале значение температуры.
Ареометр 2 предназначен для измерения плотности (определяемой концентрацией) водного раствора спирта поплавковым методом.
Прибор представляет собой пустотелый цилиндр со стержнем в верхней части. Глубина погружения ареометра является функцией плотности. Шкала на стержне проградуирована в процентах концентрации спирта.
Вискозиметр Стокса 3 позволяет определить вязкость жидкости по скорости падения в ней шарика. Прибор содержит цилиндрическую полость с центрирующими каналами на концах, заполненную водно-глицериновым раствором, и шарик. Центрирующие каналы обеспечивают падение шарика по оси полости.
При равномерном движении шарика выполняется условие равенства нулю суммы действующих на него сил:
|
(4) |
Здесь P – сила тяжести,
Q– архимедова сила,
F– сила сопротивления движению.
Сила тяжести находится по уравнению:
|
(5) |
где ρш– плотность материала шарика;
d– его диаметр;
g– ускорение силы тяжести;
Архимедова сила находится по уравнению:
|
(6) |
где ρ– плотность жидкости,
Сила сопротивления движению, в соответствии с формулой Стокса:
|
(7) |
где – динамический коэффициент вязкости жидкости;
– скорость падения шарика.
Выражая величину из уравнений (3) ― (6), получаем:
|
(8) |
Если за время tp шарик проходит расстояние l p , то:
|
(9) |
Формула Стокса (6) справедлива, когда шарик падает в неограниченном объеме жидкости. Поправку к формуле Стокса, учитывающую влияние стенок полости, теоретически обосновал Ладенбург. С учетом этой поправки, а такие соотношения (8) получаем:
|
(10) |
где D – диаметр цилиндрической полости.
Плотномер-вискозиметр 4 содержит два вертикальных канала, сообщающихся между собой сверху и снизу. В один из каналов с малым зазором помещен груз. В прибор залита жидкость (минеральное масло), плотность и вязкость которой определяются по времени падения груза и перепаду уровней в каналах.
Вискозиметр Оствальда 5 служит для определения вязкости жидкости (масла) по времени истечения ее из емкости через капилляр.
Сталагмометр 6 предназначен для определения поверхностного натяжения жидкости методом отрыва капель. Прибор объединен с вискозиметром 5 общими полостями и содержит емкость с капилляром, расширенная на конце для накопления жидкости в виде капли. Сила поверхностного натяжения при отрыве капель равна их весу, который рассчитывается по плотности жидкости и числу капель, полученному при опорожнении емкости известного объема.
Приборы 3, 4, 5 и 6 приводятся в действие переворотом корпуса устройства, располагаемого в вертикальной плоскости. Характеристики всех приборов указаны на корпусе устройства.
Проведение опыта:
-
Подсчитать общее число градусных делений ∆Т в шкале термометра 1 и измерить расстояние l T между крайними штрихами шкалы. Эти результаты занести в таблицу наблюдений 1.1., (характеристики термометра: r - радиус капилляра и W - начальный объем термометрической жидкости (при 0° C°)).
-
Измерить ареометром (спиртомером) 2 объемную концентрацию (крепость) водно-спиртового раствора Сс.
-
Перевернуть корпус опытного устройства и измерить секундомером время tp прохождения шариком расстояния lp между двумя метками в приборе 3. Опыт провести три раза. Занести в таблицу наблюдений 1.1. среднеарифметическое значение tp, величину lp.
-
Медленно повернуть корпус устройства в его плоскости на 180° против часовой стрелки и в приборе 4 измерить перепад уровней масла h и время tM прохождения грузом расстояния lM между двумя метками. Записать значения в таблицу наблюдений 1.1.
-
Перевернуть устройство в его плоскости против часовой стрелки и определить время tв истечения объема жидкости высотой S из емкости капиллярного вискозиметра 5. Повторить опыт не менее трех раз и среднеарифметическое значение времени занести в таблицу наблюдений 1.1. Измерить температуру Т с помощью термометра 1.
-
Повернуть устройство в его плоскости по часовой стрелке, вернув его в исходное положение, и подсчитать число капель, полученных в сталагмометре 6 из объема жидкости высотой S. Повторить опыт не менее трех раз и среднеарифметическое значение числа капель П занести в таблицу наблюдений 1.1.
Обработка результатов опыта:
-
Вычислить приращение объема термометрической жидкости, соответствующее повышению ее уровня в капилляре от нижнего до верхнего штриха шкалы:
|
(11) |
Влияние расширения баллона и капилляра не учитывается ввиду малости.
По формуле (2) найти значение температурного коэффициента объемного расширения βТ и сравнить его со справочным значением: β’T=1,1·10-3K-1.
-
Из таблицы 1.1. определить плотность водно-спиртового раствора ρc.
Таблица 1.1.
Плотность водно-спиртового раствора (T=20 °C)
Cc |
% |
0 |
10 |
20 |
30 |
40 |
50 |
60 |
70 |
80 |
90 |
100 |
ρc |
кг/м3 |
998 |
985 |
974 |
962 |
948 |
930 |
909 |
885 |
859 |
829 |
789 |
-
Вычислить опытное значение динамического коэффициента вязкости водно-глицеринового раствора по формуле (10). Сравнить опытное значение с табличным значением (табл. 1.2 ), рассчитанным методом интерполяции по концентрации раствора Ср, причем:
|
(12) |
где ρв=998 кг/м3 – плотность воды;
ρГ =1260 кг/м3 – плотность глицерина.
Таблица 1.2
Динамический коэффициент вязкости водно-глицеринового раствора (Т=20 °С)
Ср, % |
8 |
21 |
44 |
76 |
94 |
100 |
· 103, Па·с |
1,3 |
2,1 |
6,0 |
61,8 |
543,5 |
1490,0 |
-
Вычислить значения плотности и кинематического коэффициента вязкости масла "Турбинное 22" по формулам:
|
(13)
(14) |
-
Вычислить значение кинематического коэффициента вязкости трансформаторного масла в приборе 5 по формуле (15) и сравнить его со значением ν′в, определенным по справочнику.
|
(15) |
-
Определить опытное значение коэффициента поверхностного натяжения трансформаторного масла по формуле (16) и сравнить его со значением определенным по справочнику.
|
(16) |
Результаты всех расчетов внести в таблицу наблюдений 1.1.
Таблица наблюдений 1.1.
∆Т |
lT |
r |
W |
∆W |
βТ |
Β`Т |
Cc |
ρc |
tp |
lp |
°С |
мм |
см |
мм3 |
см3 |
К-1 |
К-1 |
% |
кг/м3 |
с |
мм |
|
|
0,001 |
257 |
|
|
|
|
|
|
|
d |
D |
ρ |
ρш |
h |
tм |
А |
В |
ρгр |
||
м |
м |
кг/м3 |
кг/м3 |
Па·с |
Па·с |
мм |
с |
м-1 |
м/с2 |
кг/м3 |
0,005 |
0,02 |
1260 |
3984 |
|
|
|
|
36 |
77·10-6 |
2240 |
ρм |
vм |
tв |
M |
νв |
T |
v`в |
n |
K |
|
|
кг/м3 |
м2/с |
с |
м2/с2 |
м2/с |
°С |
м2/с |
|
м3/с2 |
H/м |
H/м |
|
|
|
18·10-9 |
|
|
|
|
11·10-3 |
|
|
Отчет по работе:
Отчет по работе должен включать следующие пункты:
-
Титульный лист.
-
Наименование и цель работы.
-
Схему опытной установки.
-
Таблицу наблюдений.
-
Обработку результатов опыта.
-
Определение погрешности измерений основных величин.
-
Выводы.
Лабораторная работа № 2
ИЗМЕРЕНИЕ ГИДРОСТАТИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ
Цель работы:
Закрепление знаний по разделу "Гидростатика", приобретение навыков измерения гидростатического давления жидкостными приборами.
Задание:
-
Определить абсолютное давление над жидкостью в резервуаре при избыточном давления, а затем при разрежении.
-
Определить абсолютное давление на дне резервуара с помощью пьезометра и по показаниям U-образного мановакуумметра.
-
Сопоставить полученные результаты.
Теоретические основы метода:
Абсолютное давление р представляет собой нормальное сжимающее напряжение в жидкости. В любой точке покоящейся жидкости оно может быть определено по основному уравнению гидростатики:
|
(17) |
где p0– абсолютное давление на свободной поверхности жидкости;
ρ – плотность жидкости;
Н – глубина погружения точки под свободной поверхностью.
Если за начало отсчета принята величина атмосферного давления pа, то избыточным (манометрическим) давлением называется разность:
|
(18) |
Если атмосферное давление превышает абсолютное в некоторой точке, то разность между ними называется вакуумметрическим давлением (разрежением):
|
(19) |
Атмосферное, избыточное и вакуумметрическое давления измеряют соответственно барометрами, манометрами и вакуумметрами. Разность давлений в двух точках измеряют дифференциальными манометрами. По принципу действия эти приборы подразделяют на жидкостные, механические и электрические.
Жидкостные приборы исторически стали применяться первыми, Их действие основано на уравнении (17). При этом величина давления может быть выряжена как через напряжение (1 Па =1Н/м2), так и в единицах, характеризующих высоту столба жидкости Н (м вод. ст., мм рт. ст.). Преимуществами жидкостных приборов являются простота конструкции, надежность и высокая точность, они удобны при измерении небольших давлений.