Учебное пособие 1552

8.Результаты измерений записать в таблицу5.1 (графы 5...7).

9.Обработать опытные данные, предусмотренные таблицей 5.1.

10.Дать заключение по результатам работы.

Таблица 1.5 - Протокол результатов измерений и вычислений

						Результаты измерений и
							вычислений
№	Наименования измеряемых и вычисляемых			Ед.
					Круг.			Насадки
			величин	изм.
					отвер-		Внешн.	Конич.	Конич.
					стие		цлинд.	сход.	расход.
1			2	3	4	5		6	7
1	Диаметры отверстия и насадков			−2	2,0	2,0		2,0	2,6
	на выходе
	док на выходе		= 2/4	м2
		круглого отверстия и наса-
2	Площади

3Объем воды в мерном баке

4Время наполнения

5Расход воды

6Напор истечения

7	Координаты		произвольной			к	м	…	-	-	-
	точки «К» траектории струи,
	вытекающей		из круглого от-			к	м	…	-	-	-
	верстия
8	Коэффициенты расхода отверстия и
9	оп		= /	2
	насадок (по опыту)						-
	Коэффициенты скорости насадок (по						-	-	…	…	…
	опыту) ϕНоп = µНоп
10	Коэффициент скорости отверстия (по						-	…	-	-	-
	опыту) ϕоп	= X к (2		Ук Н)
11	Коэффициент		сопротивления		отвер-
	стий и насадок (по опыту)						-
	ζоп =1 ϕ2	оп	−1

12Коэффициент сжатия отверстия и

насадок (по опыту)

εоп = µоп ϕоп

	13	µ	спр	-
	Справочные значения
	коэффициентов расхо-	ϕспр		-
	ды, скорости, сопро-
		ζспр		-
	тивления и сжатия для
	отверстия и насадок
		εспр		-

31

Контрольные вопросы

1.Что понимают под малым отверстием в тонкой стенке при истечении жидкости из отверстий?

2.Сжатое сечение, причины сжатия струи, чем оценивают величину сжатия струи?

3.Что называют насадкой, типы насадок, их назначение?

4.Коэффициент скорости. Что он учитывает, как определяется?

5.Коэффициент расхода. Что он учитывает, как определяется?

6.Коэффициент сопротивления (отверстия, насадка). Как он определяется по опытным данным?

7.Объясните, почему при истечении из насадок расход жидкости больше, чем при истечении из малого круглого отверстия в тонкой стенке?

8.Напишите и поясните формулы для определения скорости и расхода при истечении жидкости из отверстий и насадок в атмосферу при постоянном напоре.

9.Изобразите и поясните схемы истечения жидкости из малого отверстия в тонкой стенке и через внешний цилиндрический насадок в атмосферу.

Лабораторная работа № 6 Экспериментальное изучение прямого гидравлического удара

в напорном трубопроводе

Цель работы. Определить опытным путем величину повышения давления ∆роп при прямом гидравлическом ударе в напорном трубопроводе, сравнить ее с величиной ∆р, вычисленной по формуле Н. Е. Жуковского, и подсчитать относительное отклонение.

Краткие теоретические сведения Гидравлическим ударом называется изменение (повышение или понижение) давле-

ния в напорном трубопроводе при резком изменении скорости движения жидкости (например, в результате резкого закрытия или открытия задвижки, рис. 6.1). В первом случае гидроудар называют положительным, во втором - отрицательным. Особо опасен положительный гидроудар. При положительном гидроударе несжимаемую жидкость следует рассматривать как сжимаемую. Гидравлический удар способен вызывать разрушение трубопроводов или повреждению другого оборудования, такого как теплообменники, насосы и сосуды, работающие под давлением.

Рисунок 6.1 – Гидравлический удар

32

При быстром закрытии затвора сначала остановится не вся масса жидкости, заключенная в трубопроводе, а лишь часть ее, находящаяся непосредственно перед затвором.

Это происходит благодаря инерции и упругим свойствам жидкости и материала трубы (остановившаяся масса жидкости несколько сжимается, труба расширяется, а давление в жидкости резко возрастает). Затем повышение давления весьма быстро распространяется по трубопроводу от затвора к резервуару. Скорость распространения повышенного давления называют скоростью распространения ударной волны С. После того как во всем трубо-

проводе давление повысится, жидкость начнет выходить из зоны повышенного давления обратно в резервуар и давление в трубопроводе начнет понижаться. Затем в зону пониженного давления снова пойдет жидкость из резервуара и давление снова повысится. Благодаря упругим свойствам жидкости и стенок трубопровода этот процесс довольно быстро затухает.

Наиболее опасным является первое повышение давления.
	Ударная волна пройдет по всему трубопроводу (от затвора до резервуара) за время
		(здесь l – длина трубопровода).
т.е. (			), удар				, включающего повышение и понижение давления, называются
= Время одного цикла
фазой удара = 2 .					Если время закрытия			з затвора меньше или равно фазе удара ,
з		≤		называется прямым.

Удар может возникнуть, например, при внезапном выключении насоса, подающего воду по нагнетательному трубопроводу в резервуар. Жидкость после выключения насоса по инерции некоторое время будет двигаться, и в трубопроводе возникнет пониженное давление. Затем начнется обратное движение жидкости из резервуара в область пониженного давления в трубопроводе, и давление здесь повысится подобно тому, как это наблюдалось при прямом ударе.

Из изложенного ясно, что параметры движения жидкости при гидравлическом ударе изменяются с течением времени. Следовательно, при гидравлическом ударе движение жидкости является неустановившимся.

Явление гидравлического удара количественно описал в 1897—1899 г. Н. Е. Жуков-

ский. Максимальное повышение давления при прямом гидравлическом ударе определяется в
соответствии с его теорией по формуле	∆ = υ ,	(6.1)

где ρ – плотность жидкости; С – скорость распространения ударной волны;

υ – средняя скорость движения жидкости в трубопроводе до закрытия затвора (при установившимся движении).

Из этой формулы следует, что величина ударного давления зависит от начальной скорости движения воды в трубе υ и от скорости распространения ударной волны С. В то же время скорость С зависит от упругих свойств жидкости и от упругих свойств трубопровода.

Если бы стенки трубы были абсолютно жесткими, то скорость распространения ударной волны совпадала бы со скоростью распространения звука в жидкости зв, которая равняется

33

где

В

– модуль упругости жидкости. зв = ж

,

зв = 1400 м/с

(6.2)

ж = 1,96 ∙ 10

Па, а скорость звука в воде

.

ж

9

Для воды

действительности стенки трубы упруги, поэтому скорость распространения ударной

волны вычисляют по формуле

=

1+ ж

ж

тр

ж

тр

,

(6.3)

ж = 1,96 ∙

10

9

11

вода.

где

– внутренний диаметр

тр = 1,96 ∙ 10

и

– модули упругости соответственно жидкости и материала стенки трубопро-

Модуль упругости для воды

Па, для стали

Па;

трубопровода;

– толщина стенки трубопровода.

Описание установки. Установка (см. рис. 6.2) состоит из горизонтального стального трубопровода 1, присоединенного к напорному резервуару 2, в котором уровень воды во время опытов поддерживается на постоянной отметке с помощью переливного устройства 3.

В конце трубопровода 1 имеется вентиль 4 для регулирования скорости движения воды в нем, пружинный манометр 5, с помощью которого измеряется давление в жидкости до и в момент закрытия затвора.

Для измерения расхода воды служит мерный бак 6, для измерения объема воды W и секундомер 7.

Рисунок 6.2 – Схема экспериментальной установки

34

Порядок выполнения работы и обработки опытных данных

1.Обратиться к программе «HYMLAB.EXE», войти в главное меню и выбрать выполняемую лабораторную работу. Войти в меню настройки лабораторной установки, ознакомиться с информацией по лабораторному стенду и произвести выбор постоянных параметров лабораторной установки или марки испытуемых гидравлических машин.

2.Включить установку, установить требуемый режим работы.

3.Установить необходимое значение вентиля 6 и обеспечить пропуск по трубопроводу 1 некоторого расхода воды.

4. Измерить по манометру 5 давление в трубопроводе 1 до удара и результаты изм е- рения записать в таблицу 6.1.

5. Измерить объем W с помощью мерного бака 6 и секундомера. При этом измеряемый объем воды должен быть не менее 50 литров.

6.Перекрыть затвором 4 трубопровод 1 и измерить по манометру 4 величину максимального давления при ударе.

7.Записать в табл. 6.1 полученные при измерениях данные.

8.Сделать еще два аналогичных опыта при других расходах.

9.Обработать опытные данные так, как указано в табл. 6.1.

10.Дать заключение по результатам работы.

Таблица 6.1 – Протокол результатов измерений и вычислений

№	Наименования измеряемых и					Ед.	Результаты измерений
поз.						изм.		и вычислений
	вычисляемых величин
							Опыт 1		Опыт 2		Опыт 3
1		2				3	4		5		6
1.	Внутренний диаметр трубопровода,					м
2.	Толщина стенки трубопровода,					м
3.	Площадь поперечного сечения					м2
	трубопровода,		2
4.	Объем воды в	мермном баке,				м3
		= ∙ ⁄4
5.	Время наполнения объема,					с
6.	Расход воды в трубопроводе,					м3/с
7.	Средняя скорость движения воды в тру-					м/с
	бопроводе (до удара), υ
				ударной
	Скорость распространения= ⁄
	волны,		1400		∙
8.						м/с
		= 1 + трв
					∙

35

Окончание табл. 6.1

9.	Повышение давления при ударе по фор-						Па
10.	манометру),			∆ =			Па
	муле Н. Е. Жуковского,					υ
	Давление в трубопроводе до удара (по
11.	Наибольшее давление1			в трубопроводе			Па
	при ударе (по опытам),
12.	Повышение давления при2ударе (по опы-						Па
	там),	∆оп = 2 − 1
	Относительное отклонение,
13.		∆∆ =	∆ − ∆ оп		∙ 100		%
			∆
					Контрольные вопросы

1.Сформулируйте понятия гидравлического удара.

2.Прямой и непрямой гидравлический удар.

3.Что такое фаза удара?

4.Объясните процесс изменения давления в трубопроводе, питаемом из резервуара, при прямом гидравлическом ударе.

5.Напишите и поясните формулу Н. Е. Журавского для определения повышения давления при ударе.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1.Текстовые документы. Правила оформления. СТП ВГТУ 62-2007.

2.Муравьев, А.М. Гидрогазодинамика: учеб. пособие / А.М. Муравьев, Н.Н. Кожухов, И.Г. Дроздов. – Воронеж: Воронежский гос. технический ун-т, 2018. – 313 с.

3.Скоморохов Г.И. Гидравлика ракетных двигателей: учеб. пособие / Г.И. Скоморохов, И.Г. Дроздов. – Воронеж: ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2011. – Ч. 1. – 214 с.

4.Гидравлика, гидромашины и гидроприводы: учебник для машиностроительных вузов / Т.М. Башта, С.С. Руднев, Б.Б. Некрасов и др. – 4-е изд., стереотипное, перепечатка со второго издания 1982 г. – М: «Издательский дом Альянс», 2010. – 423 с.

5.Карелин В.С., Коноплёв Е.Н. Методическое пособие по выполнению лабораторных работ по гидравлике, гидравлическим машинам и гидроприводу / В.С. Карелин, Е.Н. Коноп-

лёв. – Тверь, 2004. – 132 с.

36

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение………………………………………………………………………………………3

Титульный лист журнала для выполнения лабораторных работ…………………………4

Лабораторная работа № 1. Измерение гидростатического давления и экспериментальное подтверждение закона Паскаля……………………………………5

Лабораторная работа № 2.Экспериментальное определение слагаемых уравнения Д.Бернулли. Построение напорной и пьезометрической линии………………………...11

Лабораторная работа № 3. Экспериментальное исследование ламинарного и турбулентного режимов движения жидкости, определение

числа Рейнольдса и законов сопротивления………………………………………….…..17

Лабораторная работа № 4. Изучение гидравлических сопротивлений напорного трубопровода с определением коэффициентов трения и коэффициентов местных сопротивлений……………………………………………………………………22

Лабораторная работа № 5. Истечение жидкости через малые отверстия в тонкой стенке и насадки в атмосферу при постоянном напоре……………………………….…27

Лабораторная работа № 6. Экспериментальное изучение прямого гидравлического удара в напорном трубопроводе…………………………………………………………..32

Библиографический список………………………………………………………………..36

37

ГИДРОГАЗОДИНАМИКА

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к лабораторным работам для студентов направления подготовки 20.03.01 «Техносферная безопасность»

(профили «Защита в чрезвычайных ситуациях», «Безопасность жизнедеятельности в техносфере»)

очной и заочной форм обучения

Часть 1

Составители: Скоморохов Геннадий Иванович

Шматов Дмитрий Павлович

Компьютерный набор Г. И. Скоморохова

Редактор Е. А. Кусаинова

Подписано к изданию 19.12.2019. Объем данных 830 Кб.

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет» 394026 Воронеж, Московский просп., 14

38