Л.Л. Моисеев Исследование потерь напора по длине трубопровода
.pdfМИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ КУЗБАССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра стационарных и транспортных машин
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОТЕРЬ НАПОРА ПО ДЛИНЕ ТРУБОПРОВОДА
Методические указания к лабораторной работе по курсу “Механика жидкости и газа” для студентов направления 550100 “Строительство”
Составители Л. Л. МОИСЕЕВ В. П. РЫНДИН
Утверждены на заседании кафедры Протокол № 161 от 25.10.99 Рекомендованы к печати учебно - методической комиссией по специально-
сти 550100
Протокол № 31 от 9.11.99 Электронная копия находится в библиотеке главного корпуса КузГТУ
Кемерово 2000
1
1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Освоение методики экспериментального определения потерь напора по длине трубопровода и коэффициента гидравлического трения.
2.ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
2.1.Потери напора по длине трубопровода
Энергия жидкости, приходящаяся на единицу ее веса, называется удельной энергией или напором. Энергия жидкости при движении непрерывно рассеивается. Определение потерь напора - главный вопрос любого гидравлического расчета. Различают потери напора по длине трубопровода и в местных сопротивлениях, где поток деформируется (фасонные части трубопровода, арматура и т. д.).
Потери напора по длине трубопровода определяют по формуле Дар- си-Вейсбаха:
hl = |
λ |
l |
υ 2 |
, |
(2.1) |
|
d |
2g |
|||||
|
|
|
где hl - потери напора по длине трубопровода; λ - коэффициент гидравлического трения; l - длина трубопровода; d - диаметр трубы; υ - средняя скорость жидкости; g - ускорение свободного падения;
Коэффициент гидравлического трения зависит от числа Рейнольдса и относительной шероховатости трубы:
λ = |
|
∆ |
|
|
f Re, |
|
|
(2.2) |
|
|
||||
|
|
d |
||
где Re - число Рейнольдса; ∆/ d - относительная шероховатость трубы; ∆ - абсолютная шероховатость стенок трубы; d - внутренний диаметр трубы;
На рис. 1 показана зависимость λ от числа Рейнольдса для труб с различной искусственной шероховатостью.
На графике следует отметить следующие пять зон или областей: I - область ламинарного режима:
λ = |
64 |
|
Re . |
(2.3) |
2
В этой области коэффициент сопротивления зависит от числа Рейнольдса и от шероховатости стенок трубы.
II - переходная неустойчивая зона от ламинарного к турбулентному режиму.
III - область гидравлически гладких труб, где
λ = 0,34 16 . |
(2.4) |
Re |
|
Трубы называются гидравлически гладкими, когда толщина ламинарной пленки у стенки δ больше абсолютной величины выступов шероховатости ∆ . В этом случае шероховатость скрыта под ламинарной пленкой и не влияет на движение жидкости. С увеличением числа Рейнольдса ламинарная пленка становится тоньше, и выступы будут омываться турбулентным ядром потока. Труба станет гидравлически шероховатой.
IV - переходная область от гладких труб к зоне шероховатых труб. Здесь λ зависит от числа Re и шероховатости, его определяют по формуле
λ |
= |
|
∆ э |
+ |
68 0,25 |
|
|
|
0,11 |
|
|
|
, |
(2.5) |
|||
d |
|
|||||||
|
|
|
|
Re |
|
|
||
где ∆ э - эквивалентная шероховатость; d - диаметр трубопровода. Эквивалентную шероховатость определяют с помощью гидравличе-
ских испытаний.
V - область шероховатых труб (квадратичного сопротивления), изображают линиями, параллельными оси абсцисс. Здесь коэффициент λ зависит только от шероховатости, его определяют по формуле
λ = |
|
∆ э |
0 ,25 |
|
|
0,11 |
|
|
. |
(2.6) |
|
|
|||||
|
|
d |
|
|
|
Формула (2.5) - универсальная. Она может быть использована вместо формул (2.4) и (2.6).
3
Рис. 1. График Никурадзе
Рис.2 Схема экспериментальной установки
4
3.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
3.1.Описание лабораторной установки
Экспериментальная установка для определения потерь напора по длине трубопровода состоит (рис. 2) из прямой горизонтальной трубы 1, вентиля 2, пьезометра 3, мерного бака 4 с пьезометром 5 и вентиля для слива воды 6.
3.2.Порядок выполнения работы
Открыв вентиль 2, подаем воду с небольшой скоростью через трубу 1
вмерный бак 4. Показания пьезометра должны быть в начале шкалы, и
внем не должно быть пузырьков воздуха.
После достижения установившегося движения вентиль слива 6 в мерном баке закрывают и с помощью пьезометра 5 и секундомера измеряют изменение уровня воды в мерном баке за время 1 - 2 мин. Для этого отмечают показания пьезометра 5 в начале и в конце отсчета времени по секундомеру. Измеряют температуру воды. Опыты начинают с минимальных показаний пьезометра 3. Количество опытов - около 10. Данные размеров вносят в табл. 1.
3.3.Обработка экспериментальных данных
По данным замеров (табл. 1) производится вычисление требуемых величин.
1.Объём воды, вытекшей за время опыта: |
|
W = S∆ h , |
(3.1) |
где S - площадь сечения мерного бака; ∆ h - приращение уровня воды в баке за время наблюдения:
∆ h = h1 − h0 ;
h0 - уровень воды в мерном баке в начале опыта; h1 - уровень воды в мерном баке в конце опыта.
2.Секундный расход воды:
Q =
где τ - время проведения опыта.
3.Скорость движения воды:
υ =
где ω - площадь сечения трубы.
5
W
|
, |
(3.2) |
τ |
Q
ω , |
(3.3) |
4.Потери напора hl определяют по уравнению Бернулли, составленному для сечений трубопровода у пьезометра и на выходе из трубы
(рис. 2):
hl = hП ,
где hП - показания пьезометра.
5.Опытные значения коэффициента сопротивления λ ОП вычисляют по формуле Дарси-Вейсбаха (2.1).
6.Число Рейнольдса определяют по формуле
Re = |
υ |
d |
|
|
|
|
, |
(3.4) |
|
ν |
|
|||
где υ - средняя скорость воды в трубе; ν - коэффициент кинематической вязкости воды (определяют по таблице в зависимости от температуры); d - диаметр трубы.
7.Расчетные (теоретические) значения λ Т определяют для турбулентного режима по формуле (2.5). Эквивалентная шероховатость трубопровода ∆ э = 0,1 мм.
8.Результаты расчетов сводят в табл. 2. Опытные значения коэффициентов сопротивления сопоставляют с теоретическими.
9.Строят график функции (напорную характеристику трубопровода) и наносят на нее экспериментальные точки.
6
3.4.Контрольные вопросы
1.Что называется напором (удельной энергией жидкости)? 2.Как определить потери напора по длине трубопровода? 3.От чего зависит коэффициент гидравлического трения? 4.Назовите характерные зоны графика Никурадзе.
5.Что такое гидравлически гладкие трубы?
6.В какой зоне графика Никурадзе λ не зависит от числа Рейнольдса?
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 1 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Продолжи- |
|
Площадь |
|
|
Уровень воды в мерном баке, м |
Показания |
||||||||
|
тельность |
|
мерного ба- |
|
в нач. опыта, |
|
в конце |
разность |
пьезомет- |
|
|||||
|
опыта, с |
|
ка, м2 |
|
|
м |
|
опыта, м |
уровней, м |
|
ра, м |
|
|||
|
|
τ |
|
S |
|
|
h0 |
|
h1 |
∆ h |
|
P/ρ g |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 2 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
№ |
|
Расход |
Коэф. |
|
Ско- |
Число |
Коэффициент сопротивления |
Потери |
|
|||||
|
опы- |
|
воды, |
кинемат. |
|
рость |
Рейнольд- |
опытные |
теоретические |
напора, |
|
||||
|
та |
|
м3/с |
вязк., |
|
воды, |
са |
значения |
значения |
|
м |
|
|||
|
|
|
|
|
м2/с |
|
м/с |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Q |
ν |
|
|
υ |
Re |
λ ОП |
λ Т |
|
hl |
|
||
СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1.Гидравлика и гидропривод /В.Г. Гейер, В. С. Дулин, А.Г. Боруменский, А.Н. Заря. - М.: Недра, 1981. - 295с.
2.Гидравлика, водоснабжение, канализация /В.Н. Калицун, В.О. Кедров, Ю.М. Ласков, П.В. Сафонов. - М.: Стройиздат, 1980. - 280с.
7
Составители Лев Львович Моисеев
Владимир Прокопьевич Рындин
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОТЕРЬ НАПОРА ПО ДЛИНЕ ТРУБОПРОВОДА
Методические указания к лабораторной работе по курсу “Механика жидкости и газа” для студентов направления 550100 “Строительство”
Редактор Е.Л. Наркевич
ЛР № 020313 от 23.12.96
Подписано в печать.10.12.99. Формат 60 х 84/16. Бумага офсетная. Отпечатано на ризографе. Уч.-изд. л. 0,6.
Тираж 75 экз. Заказ Кузбасский государственный технический университет.
650026, Кемерово, ул. Весенняя, 28.
Типография Кузбасского государственного технического университета. 650099, Кемерово, ул. Д. Бедного, 4а.