Gidravlika_i_ghidromiekhanizatsiia_s.kh_._protsiessov__Praktikum

4.Не изменяя режима работы установки, предъявить полученные результаты преподавателю и получить разрешение на продолжение работы.

5.Выполнить оставшиеся пункты работы.

6.Оценить точность и удобство принятых способов измерения.

Объемный способ

1.Ознакомиться с установкой для измерения расхода жидкости объемным способом и записать в таблице 3.1:

а) V — объем мерного сосуда или (по указанию преподавателя) объем, который будет отсчитываться по механическому счетчику. В данной работе этот объем принимается 10–50 л;

б) tg — цену минимального деления шкалы секундомера;

в) Vg — цену минимального деления шкалы счетчика (если объем определяется по счетчику).

2.Запустить установку и, убедившись, что режим установился (показания пьезометров не меняются), измерить и записать в таблицу 3.1 t — время наполнения мерного сосуда (время прохождения намеченного объема воды через счетчик).

3.Определить и записать в таблицу 3.1:

а) Q — расход воды по формуле (3.1);

б) ∆t — абсолютную погрешность измерения времени;

в) ∆h — абсолютную погрешность измерения высоты наполнения мерного сосуда (приизмеренииспомощьюрасходомераэтотпунктневыполняется);

г) ∆V — абсолютную погрешность измерения объема;

д) ∆Q — абсолютную погрешность измерения расхода по формуле:

V				1		;	(3.5)
∆Q =±	2	∆t	+		∆V
t			t

е) дQ — относительную погрешность измерения расхода по формуле (2.6).

51

Весовой способ

1. Ознакомиться с установкой и записать в таблицу 3.2: а) mсосуда — массу мерного сосуда;

б) mg — цену минимального деления шкалы весов;

в) tg — цену минимального деления циферблата секундомера. 2. Измерить и записать в таблицу 3.2:

а) t — время наполнения мерного сосуда;

б) mбрутто — массу сосуда и заполняющей его жидкости. 3. Определить и записать в таблицу 3.2:

а) ρ — плотность воды (по справочнику); б) Q — расход воды по формуле (3.2);

в) ∆t — абсолютную погрешность измерения времени; г) ∆m — абсолютную погрешность измерения массы;

д) ∆Q — абсолютную погрешность измерения расхода по формуле:

	G				1		;	(3.6)
∆Q =±		2	∆t	+		∆G
t				t

е) дQ — относительную ошибку измерения расхода по формуле (2.6).

Измерение расхода с помощью дросселирующего расходомера

1. Ознакомиться с установкой и записать в таблицу 3.2: а) название расходомера;

б) индексы пьезометров, установленных в широком и узком сечениях; в) Нп.д — цену наименьшего деления шкалы пьезометров расходомера.

2.Взять отсчеты по пьезометрам расходомера Нп и записать их в таблицу 3.3.

3.Определить и записать в таблицу 3.3:

а) ∆Hп — разность показаний пьезометров расходомера;

б) Q — расход воды по тарировочному графику, зависимость (3.3);

в) ∆H — абсолютную погрешность разности отсчетов по пьезометрам;

52

г) ∆Q — абсолютную погрешность измерения расхода по тарировочному графику;

д) дQ — относительную погрешность измерения расхода по формуле (2.6).

Измерение расхода с помощью мерного водослива

1. Ознакомиться с установкой и записать в таблицу 3.4: а) название используемого мерного водослива; б) гв — отметку гребня водослива;

в) увд — цену минимального деления шкалы прибора, которым измеряется отметка уровня воды перед водосливом.

2. Измерить отметку уровня воды перед водосливом ув и записать от-

счет в таблицу 3.4.

3. Определить и записать в таблицу 3.4:

а) Н — напор над гребнем водослива (разность отметок уровня воды и гребня водослива);

б) Q — расход воды по тарировочному графику зависимость (3.3); в) ∆H — абсолютную погрешность измерения напора;

г) ∆Q — абсолютную погрешность измерения расхода по тарировочному графику;

д) дQ — относительную погрешность измерения расхода по формуле (2.6).

Таблица 3.1 — Результаты измерений расхода объемным методом

V	t	Q	∆Q	δQ , %	tg	Vg	∆t	∆h	∆V

Таблица 3.2 — Результаты измерений расхода весовым методом

mбрутто	mсосуда	m	t	ρ	Q	∆Q	δQ , %	mg	tg	∆t	∆m

Таблица3.3 — Результатыизмеренийрасходадросселирующимрасходомером

Нп1	Нп2	∆Hп	Q	∆Q	дQ , %	Нп.д	∆H

53

Таблица 3.4 — Результаты измерений расхода дросселирующим расходомером

гв	ув	Н	Q	∆Q	δQ , %	увд	∆H

3.2 Лабораторное занятие «Исследование режимов движения жидкости»

Основные сведения

Английский ученый О.Рейнольдс в 1883 году окончательно установил, что режим (характер) движения жидкости может быть принципиально различным.

Основой лабораторной установки Рейнольдса (рисунок 3.3) является стеклянная трубка, в которую из бака поступает жидкость. В ее поток через тоненькую трубку подается краситель. Для исключения влияния архимедовой силы краситель имеет тот же объемный вес, что и жидкость, протекающая через стеклянную трубку.

Наблюдая за перемещением красителя, можно судить о режиме движения жидкости. В результате таких наблюдений было установлено, что при малых скоростях потока краситель движется параллельно стенкам трубки, не смешиваясь с окружающей жидкостью. Хорошо видна прямая окрашенная струйка жидкости (рисунок 3.3, б, позиция 1). Это позволяет сделать вывод, что в данных условиях частицы жидкости движутся по прямолинейным траекториям, создавая как бы отдельные слои или трубки жидкости. Такой режим называется ламинарным.

Если постепенно увеличивать скорость потока жидкости в стеклянной трубке, то можно заметить, что, начиная с некоторой скорости, подкрашенная струйка жидкости примет волнообразное очертание, а затем в струйке появятся разрывы и она потеряет четкую форму (рисунок 3.3, б, позиция 2). Этот режим называется переходным или неустойчивым.

54

При дальнейшем увеличении скорости, начиная с некоторого момента, краситель быстро перемешивается, равномерно окрашивая весь поток жидкости. Это говорит о том, что в данном случае частицы жидкости помимо основного направления вдоль трубы двигаются еще хаотично во всех направлениях. При этом местная мгновенная скорость в потоке непрерывно изменяется по величине и направлению, то есть наблюдается пульсация скорости (рисунок 3.3, б, позиция 3). Такой режим называется турбулентным.

Рисунок 3.3 а) Схема установки: 1 — вентиль подвода воды от сети; 2 — водослив для поддержания

постоянного уровня воды в баке; 3 — напорный бак; 4 — сосуд с окрашенной жидкостью; 5 — вентиль подачи окрашенной жидкости; 6 — успокоительные решетки; 7 — стеклянная трубка; 8 — вентиль регулирования расхода воды в стеклянной трубке.

б) Наблюдаемый вид окрашенной жидкости: 1 — ламинарный режим; 2 — переходный режим; 3 — турбулентный режим

Следовательно, турбулентное движение, в отличие от ламинарного, является по своей природе движением неустановившимся, даже в том случае, если происходит при неизменяющемся во времени напоре. Движение частиц при турбулентном режиме напоминает тепловое движение молекул газа. В результате перемешивания частиц жидкости при турбулентном режиме существенно увеличивается гидравлическое сопротивление, улучшаются условия теплоотдачи. Поэтому правильное определение режима движения жидкости имеет большое значение при решении инженерных задач.

Судить о режиме движения жидкости в трубах на основании лабораторных исследований, в виду их трудоемкости, в большинстве случаев нецелесообразно, поэтому вид режима определяют с помощью критерия Рейнольдса:

55

	Re =	хd	,	(3.7)
		н
	где υ — средняя скорость, которая определяется из уравнения
	Q = хS ,			(3.8)

где d — диаметр трубопровода;

ν — кинематический коэффициент вязкости;

S — площадь поперечного сечения потока жидкости.

По своей физической природе критерий Рейнольдса представляет собой отношение сил инерции к силам вязкости (его можно также рассматривать как отношение кинетической энергии потока жидкости к работе сил сопротивления).

При малых числах Rе характер движения определяется силами вязкости, которые препятствуют возникновению и развитию пульсаций. В результате в потоке поддерживается ламинарный режим.

При больших числах Rе возрастают пульсации скоростей и связанные с ними инерционные силы настолько, что вязкость больше не может служить препятствием хаотичному движению частиц жидкости, то есть в потоке будет иметь место турбулентный режим.

В трубах круглого сечения, в среднем при Re < 2 300 (нижнее критическое число) имеет место устойчивый ламинарный режим движения, а при Rе > 4 000 (верхнее критическое число) устойчивый турбулентный режим.

Если 2 300 < Rе < 4 000, то наблюдается неустойчивый (переходный) режим. При этом в потоке возникают пульсации, которые постепенно затухают, то есть на отдельных участках потока ламинарный и турбулентный режим сменяют друг друга.

По формуле (3.7) соотношение сил инерции и вязкости определяется приближенно, так как не все факторы, оказывающие влияние на режим движения, при этом учитываются.

Поэтому приводимые в литературе величины критических чисел справедливы только для средних условий, обычно встречающихся в практике.

56

Например, в потоках с повышенной шероховатостью стенок, либо имеющих резкие изменения формы поперечного сечения, турбулизация наступает при меньших значениях Rе. Наоборот, отсутствие внешних вибраций, плавное сужение потока способствует сохранению ламинарного режима при больших числах Rе (в лабораторных исследованиях удавалось получить ламинарный режим при Rе = 150 000, однако при этом малейшее возмущение переводит режим в турбулентный).

В природе и технике имеет место в основном турбулентный режим движения жидкостей.

Ламинарный режим наблюдается при движении жидкостей повышенной вязкости (нефти, битума, мазута, смазочных масел и др.), а также при движении жидкостей в трубах малого диаметра (капиллярах, порах грунта).

Порядок выполнения работы

1.Ознакомится с лабораторной установкой и записать над таблицей 3.5: d — диаметрстекляннойтрубки, ρ— плотностьводы, mт — массумерногососуда.

2.Подготовить установку к работе: подать воду из сети и включить подсветку.

3.Установить ламинарный режим:

а) пустить подкрашенную жидкость; б) установить в стеклянной трубке малый расход воды;

в) убедиться, что струйка подкрашенной жидкости прямая и в целях экономии выключить подачу окрашенной жидкости;

г) зарисовать наблюдавшийся вид струйки; д) записать температуру воды t, °С;

е) измерить mбр — общую массу жидкости и сосуда, а также время его наполнения t.

4. Установить переходный режим, провести аналогичные наблюдения, измерения и записи.

57

5.Установить турбулентный режим, произвести аналогичные наблюдения, измерения и записи.

6.Определить и записать в таблицу 3.5:

а) расход воды по формуле (3.2); б) среднюю скорость потока υ по формуле (3.8);

в) определить кинематический коэффициент вязкости по приложению 4; г) вычислить значения критерия Рейнольдса (Rе) по формуле (3.7);

д) определить режим движения по критерию Rе.

Таблица 3.5 —Таблица результатов измерений и расчетов d =											, ρ = , mт =
№	mбр	mн	t		t,		υ		Зарисовать вид	Набл.	Режим движения
п/п				Q	ºС	ν		Re	окрашенной	режим	жидкости по Re
									жидкости	движения
1
2
3

3.2 Лабораторное занятие «Опытная иллюстраций уравнения Бернулли»

Основные сведения

Каждая движущаяся частица жидкости обладает механической (потенциальной и кинетической) энергией. Поскольку количество этой энергии зависит от величины самой частицы, то при гидравлических расчетах в целях удобства сопоставления результатов принято рассматривать механическую энергию частицы жидкости единичного веса, то есть энергию, приходящуюся на единицу силы тяжести, действующей на жидкость. Эту энергию называют удельной энергией, либо полным гидродинамическим напором H. Гидродинамический напор определяется как отношение механической анергии данной частицы к ее весу и, следовательно, размерность напора может быть представлена в единицах длины, например, в СИ: Дж/H = H·м/H = м.

Поэтому с точки зрения геометрических представлений полный гидродинамический напор Н представляет собой высоту, на которую может быть

58

поднята частица жидкости. На графиках Н принято показывать в виде вертикального отрезка соответствующей длины.

Соотношение различных видов удельной механической энергии в среднем для частиц, проходящих путь между двумя поперечными сечениями слабодеформированного установившегося потока реальной жидкости (капельной), в гидравлике представляется уравнением Бернулли, которое выражает закон сохранения энергии, в уравнении индекс обозначает номер поперечного сечения потока, к которому относится рассматриваемая величина.

p

б х 2

p

2

б

х2

,

(3.9)

z

+

1

+

1 1

= z

+

+

2

2

+ h

г

г

1

2g

2

2g

1−2

или

Н1 = H2 + h1-2,

(3.9, а)

где р — давление в центре тяжести соответствующего сечения; γ — объемный вес жидкости;

υ — средняя скорость потока в соответствующем поперечном сечении;

g— ускорение силы тяжести;

α— коэффициент кинетической энергии (коэффициент Кориолиса), зависящий от формы эпюры скоростей потока. Кинетическая энергия всего потока жидкости в данном сечении, подсчитанная по значению средней скорости, оказывается меньше фактической, поэтому вводится поправочный коэффициент α. В равномерном потоке жидкости, двигающейся по круглым трубам, при ламинарном режиме — α = 2, а при турбулентном можно принимать в среднем α = 1,1.

Остальные обозначения величин, составляющих уравнение Бернулли, их физический и геометрический смысл, способ графического изображения показаны в таблице 3.6, а также на рисунке 3.4 и 3.5.

На графиках характерные напоры в каждом поперечном сечении показываются напорной Н = f1(L), пьезометрической Нп = f2(L) и геодезической z = f3(L) линиями. Для их построения по оси абсцисс откладывается расстоя-

59

ние L данного сечения от начального вдоль оси потока, а по оси ординат — соответствующие напоры (рисунок 3.5).

Изменение напора вдоль потока характеризуется уклоном: а) гидравлический уклон (уклон трения):

	i = −∂H ;		i		= H1 − H2	=	h1−2	;	(3.10)
	∂L		ср		L2 − L1		l1−2
б) пьезометрический уклон:
i = −∂Hп		;	i	=	Hп1 − Hп2	= ∆Hп ;			(3.11)
п	∂L		пср		L2 − L1		l1−2

60