10787

50

Задача № 10. Решение (см. рис. 2.3.4 б).

z1 pg1 12Vg12 z2 pg2 22gV22 hf ;

z1 H ; z2 hвс; p1 pат; p2 pат g hвак ; 2 1; V1 0;

			2			l
	V2 Vдоп ; hf	hl hj	V2				КЛ	П	;
			2 g			dвн

h

h

Vдоп2

1

l

4

0,82

1 0,036

30

10 0,15

КЛ

П

вс

вак

2 g

dвн

2 9,8

0,155

3,45 м;

4 15 10 3

d

вн

4 Q

0,155м.

V

3,14 0,8

доп

Рисунок 2.3.1 б – Расчетная схема к задаче № 7

51

Рисунок 2.3.2 б – Расчетная схема к задаче № 8

Рисунок 2.3.3 б – Расчетная схема к задаче № 9

52

Рисунок 2.3.4 б – Расчетная схема к задаче № 10

53

РАЗДЕЛ 3. ВЫПОЛНЕНИЕ И ЗАЩИТА ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ ПО ДИСЦИПЛИНЕ

3.1. Введение

Одной из методологических основ «метода гидравлики» является теория инженерного эксперимента, предназначенная для организации исследования сложных процессов, физические закономерности которых не могут быть выведены из существующих научных предпосылок. Для проведения исследования гидравлических процессов формируется некая модель «Черного ящика», на которой изучается взаимосвязь входных физических воздействий и откликов, реакций объекта на них. В конечном итоге на базе достаточного массива экспериментальных данных при использовании различных методов математической обработки должна быть получена математическая зависимость,

с необходимой точностью описывающая связь всех значимых параметров изучаемого гидравлического процесса.

Лабораторные работы, выполняемые в рамках изучаемой дисциплины,

позволяют реализовать с достаточной полнотой экспериментальные исследования некоторых важных гидравлических процессов и факторов. При этом удается в некоторой степени повторить все основные шаги алгоритма организации эксперимента: этапы предварительного теоретического осмысления проблемной ситуации, формирования экспериментальной установки, постановки эксперимента, его проведения и обработки полученных данных.

Выполнение лабораторных работ позволяет студентам понять

«технологию» получения тех научных описаний, т.е. зависимостей и формул,

которые в обобщенном и законченном виде приводятся в лекционных материалах, а также используются при решении задач, когда теоретические знания переводятся в определенные навыки и умения для инженерной практики по направлению и профилю обучения. Понимание относительности

«рецептурных знаний» создает тот потенциал саморазвития подготавливаемых специалистов, который необходим для выхода на уровень решения

54

нестандартных задач, обусловленных усложнением их реализации при реконструкции и модификации инженерных комплексов.

Ограниченное учебное время и необходимость проведения обширной трудоемкой подготовки позволяют качественно выполнить лишь следующие лабораторные работы:

–«Исследование режимов движения жидкости» (лаб.р. № 1);

–«Градуирование (тарирование) расходомера Вентури» (лаб.р. № 2);

–«Определение коэффициента гидравлического трения» (лаб.р. № 3);

–«Определение коэффициента местного сопротивления» (лаб.р. № 4).

3.2. Экспериментальные исследования гидравлических процессов

Исходные теоретические материалы, на основе которых выстраиваются

названные выше экспериментальные исследования, представлены в Разделе 1.

В ходе экспериментов в конечном итоге измеряются и контролируются такие базовые гидродинамические параметры, как гидродинамическое давление

p (Па) и средняя скорость V (м/с) потока воды в том или ином живом сечении.

Для измерения p или его градиента – Δp в потоке воды, используются пьезометры, а также их модифицированные конструктивные варианты – дифференциальные пьезометры (см рис.3.1.2). Для измерения V производится

промежуточное определение расхода потока воды Q (м3/с) объемным методом:

	Q	W	,	(3.2.1)

где – время, за которое в мерную емкость притекает объем воды W (м3).

Тогда

V	4Q	,	(3.2.2)
	dвн

где dвн – внутренний диаметр трубопровода, по которому транспортируется вода.

55

Лабораторная работа № 1

Влабораторной работе воспроизводится эксперимент О.Рейнольдса на установке, схема которой представлена на рис. 3.2.1.

Входе эксперимента выполняется 3 опыта в области ламинарного,

переходного и турбулентного режимов движения жидкости. Предварительный выход в одну из областей производится изменением Q и V потока воды при визуализации потока посредством введения индикаторной жидкости, что в дальнейшем подтверждается расчетно-теоретической проверкой:

Re Re кр ,

(3.2.3)

где R	V dвн	– число Рейнольдса, значение которого определено на момент
e	ν
регистрации характеристик потока воды;

ν – коэффициент кинематической вязкости, численное значение которого определяется по справочным таблицам или графикам с учетом температуры воды t, м2/с;

Re кр – критическое число Рейнольдса, указывающее на границу перехода из одной режимной области в другую; ориентировочно для круглоцилиндрических труб можно принять Re кр 2320.

Лабораторная работа № 2

В лабораторной работе изучаются гидравлические эффекты, которые проявляются в напорном потоке жидкости, если русло имеет переменную площадь сечения ω (м2) – а именно: в конструктивных границах вставки Вентури и, кроме этого, производится градуирование (тарирование) данного типа расходомера. Для объяснения и описания гидравлических процессов используется уравнение Д. Бернулли. Экспериментальное исследование выполняется на установке, схема которой приведена на рис. 3.2.2.

56

Рисунок 3.2.1 – Схема экспериментальной установки

влабораторной работе № 1

1– питающий бак (в рабочем отделении поддерживается постоянный уровень воды и неизменный действующий напор H в начале трубопровода во всех опытах эксперимента что является необходимой предпосылкой поддержания установившегося движения потока воды); 2 – горизонтальный круглоцилиндрический трубопровод постоянного диаметра dвн (мм) по всей

длине и выполненный из прозрачного материала; 3 – запорный вентиль (предназначен для регулирования расхода потока воды Q в различных опытах эксперимента); 4 – емкость с окрашенной жидкостью (индикатором), оборудованная трубкой малого диаметра, обеспечивающей дозированное введение индикатора в начало трубопровода 2; 5 – мерная емкость объемом W; 6 – хронометр (для измерения времени τ заполнения емкости 5); 7 – термометр (измерение температуры воды t необходимо для последующего определения справочного значения коэффициента кинематической вязкости ν); 8 – струенаправляющая воронка.

57

Энергетическое толкование уравнения Д. Бернулли позволяет объяснить различие гидродинамических давлений в сечениях 1-1 и 2-2 потока воды, т.е.

обосновывает неравенство p1 > p2 и закономерный характер измеряемого параметра h. Для описания составляется и анализируется (при выбранных сечениях 1-1 и 2-2, размещении плоскости сравнения О-О на уровне оси трубопровода) уравнение Д. Бернулли:

	p			V2		p			2	V2
z1	1			1 1	z2	2				2	hf ,
	g			2g		g			2g

где z1 0 – геометрическая высота в сечении 1-1; z2 0 – геометрическая высота в сечении 2-2;

	p1 p2				h ;
		g
1		2			1;
V			QТ		; V	QТ		;
1				2			2
		1
hf		0 (т.е. используется модель «идеальной жидкости»).
								QТ		2 g h				A		,
															h
										1		1
										2		2
										2	1

(3.2.4)

(3.2.5)

где QТ – расход потока жидкости теоретический, т.е. определяемый без учета гидравлических сопротивлений на пути движения воды от сечения 1-1 к

сечению 2-2;

A – некая конструктивная константа, в которой учтены особенности конструктивной реализации расходомера, включенного в состав экспериментальной установки.

58

Рисунок 3.2.2 – Схема экспериментальной установки в лабораторной работе № 2

1 – питающий бак (внутреннее секционирование водосливной стенкой обеспечивает постоянный действующий напор H во всех опытах эксперимента); 2 – напорный трубопровод с внутренним диаметром dвн d1 (т.е. утрированное выделение элемента 3 обеспечивает необходимую информативность приведенной на рис. 3.2.2 схемы); 3 – расходомер Вентури, конструктивные части которого имеют внутренние диаметры d1 и d2 (в результате чего p1 > p2, V1 < V2); 4 – два пьезометра, предназначенные для измерения параметра h – т.е. разности пьезометрических высот в сечениях 1-1 и 2-2 расходомера Вентури; 4 – дифференциальный пьезометр, обеспечивающий удобное измерение параметра h; 5 – запорный вентиль; 6 – мерная емкость; 7 – хронометр; 8 – термометр.

59

При этом складывается ситуация, когда фактически измеряемый расход воды Qф , который характерен для реального потока, преодолевающего

гидравлические сопротивления, меньше расчетного QТ , определяемого по формуле:

Q

Q Q ; ф 1,0, (3.2.6)

ф Т QТ

Для определения расхода воды с требуемой точностью по расчетной зависимости необходимо использовать поправочный коэффициент :

Qф QТ A h ,

(3.2.7)

В ходе эксперимента требуется выполнить 7 – 10 опытов для определения статистически достоверного значения коэффициента .

Лабораторная работа № 3

В лабораторной работе определяется значение коэффициента гидравлического трения в зависимости от интенсивности взаимодействия

(трения) слоев (частиц) жидкости в турбулентном потоке и шероховатости внутренней поверхности трубопровода, контактирующей с транспортируемым потоком воды. Экспериментальные исследования выполнены на установке,

схема которой приведена на рис. 3.2.3.

Для организации эксперимента используется преобразованная формула Дарси-Вейсбаха:

					2 g dвн hl	,	(3.2.8)
					L ν2
			Э
где f R ,				– коэффициент гидравлического трения;
	e
		dвн

Э – эквивалентная абсолютная шероховатость внутренней поверхности трубы, зависящая от материала, из которого изготовлены трубы, и

степени их эксплуатационного старения; dвн – внутренний диаметр трубы;