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

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

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 и прилагаются к отчету.

И Н С Т Р У К Ц И Я

по технике безопасности при работе в лаборатории гидромеханики и теплотехники.

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

5. 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.

6. 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.

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

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

9. Запрещается в лабораторию приносить верхнюю одежду.

10. 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 β_Т, 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 +0,22Т^2)

(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 ρ_ш– 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 t_p 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:

1. 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°)).

2. Измерить ареометром (спиртомером) 2 объемную концентрацию (крепость) водно-спиртового раствора С_с.

3. Перевернуть корпус опытного устройства и измерить секундоме­ром время t_p прохождения шариком расстояния l_p между двумя мет­ками в приборе 3. Опыт провести три раза. Занести в таблицу наблюдений 1.1. среднеарифметическое значение t_p, величину l_p.

4. Медленно повернуть корпус устройства в его плоскости на 180° против часовой стрелки и в приборе 4 измерить перепад уровней масла h и время t_M прохождения грузом расстояния l_M между двумя метками. Записать значения в таблицу наблюдений 1.1.

5. Перевернуть устройство в его плоскости против часовой стрелки и определить время t_в 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.

6. 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:

1. 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 β_Т и сравнить его со справочным значением: β^’_T=1,1·10^-3K^-1.

2. Из таблицы 1.1. определить плотность водно-спиртового раствора ρ_c.

Таблица 1.1.

Плотность водно-спиртового раствора (T=20 °C)

Cc	%	0	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100
ρc	кг/м^3	998	985	974	962	948	930	909	885	859	829	789

3. 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 С_р, причем:

(12)

где ρ_в=998 кг/м³ – плотность воды;

ρ_Г =1260 кг/м³ – плотность глицерина.

Таблица 1.2

Динамический коэффициент вязкости водно-глицеринового раствора (Т=20 °С)

Ср, %	8	21	44	76	94	100
· 10^3, Па·с	1,3	2,1	6,0	61,8	543,5	1490,0

4. Вычислить значения плотности и кинематического коэффициента вязкости масла "Турбинное 22" по формулам:

(13) (14)

5. Вычислить значение кинематического коэффициента вязкости трансформаторного масла в приборе 5 по формуле (15) и сравнить его со значением ν′_в, определенным по справочнику.

(15)

6. 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	мм^3	см^3	К^-1	К^-1	%	кг/м^3	с	мм
		0,001	257

d	D	ρ	ρш			h	tм	А	В	ρгр
м	м	кг/м^3	кг/м^3	Па·с	Па·с	мм	с	м^-1	м/с^2	кг/м^3
0,005	0,02	1260	3984					36	77·10^-6	2240

ρм	vм	tв	M	νв	T	v`в	n	K
кг/м^3	м^2/с	с	м^2/с^2	м^2/с	°С	м^2/с		м^3/с^2	H/м	H/м
			18·10^-9					11·10^-3

Отчет по работе:

Отчет по работе должен включать следующие пункты:

1. Титульный лист.

2. Наименование и цель работы.

3. Схему опытной установки.

4. Таблицу наблюдений.

5. Обработку результатов опыта.

6. Определение погрешности измерений основных величин.

7. Выводы.

Лабораторная работа № 2

ИЗМЕРЕНИЕ ГИДРОСТАТИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ

Цель работы:

Закрепление знаний по разделу "Гидростатика", приобретение навыков измерения гидростатического давления жидкостными прибо­рами.

Задание:

1. Определить абсолютное давление над жидкостью в резервуаре при избыточном давления, а затем при разрежении.

2. Определить абсолютное давление на дне резервуара с помощью пьезометра и по пока­заниям U-образного мановакуумметра.

3. 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 p_а, 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.