фБТ БИ 2курс / метод / 2

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ «КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ»

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

ДО ВИКОНАННЯ ЛАБОРАТОРНИХ РОБІТ З КУРСІВ «ПРИКЛАДНА ГІДРОМЕХАНІКА», «ГІДРОАЕРОМЕХАНІКА», (ЕЛЕМЕНТИ КІНЕМАТИКИ І ДИНАМІКИ РІДИНИ)

ДЛЯ СТУДЕНТІВ ВСІХ ФОРМ НАВЧАННЯ СПЕЦІАЛЬНОСТЕЙ «ГІДРАВЛІЧНІ І ПНЕВМАТИЧНІ МАШИНИ», «ДИНАМІКА І МІЦНІСТЬ МАШИН»

ЗАТВЕРДЖЕНО

На засіданні кафедри прикладної гідроаеромеханіки і механотроніки Протокол № 1 від 19.01.2011

СХВАЛЕНО

Методичною комісією ММІ Протокол № 8 від 24.03. 2011

Київ – 2011

Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з курсів «Прикладна гідромеханіка», «Гідроаеромеханіка» (Елементи кінематики і динаміки рідини) / Уклад.: Б.А. Скочеляс, В.М. Турик, П.П. Ящук Для студентів всіх форм навчання спеціальностей «Гідравлічні і пневматичні машини», «Динаміка і міцність машин» Київ: НТУУ «КПІ», 2011

Електронне навчальне видання

Рецензент: В.М. Шишкін

Редактор

2

ЗМІСТ

Лабораторна робота № 1. Вивчення режимів руху рідини ……………...4

Лабораторна робота № 2. Дослідне вивчення рівняння Бернуллі………13

Лабораторна робота №3. Прилади для вимірювання витрати рідини. Градуювання витратомірного пристрою змінного перепаду тиску…….20

Список літератури………………………………………………………….33

3

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №1 ВИВЧЕННЯ РЕЖИМІВ РУХУ РІДИНИ

ВСТУП

Установлення режимів руху рідин та газів є необхідною складовою частиною будь-яких розрахунків гідравлічних і теплових характеристик трубопроводів, гідропневмосистем, енергетичного і технологічного устаткування. Причина цього полягає у визначальному впливі режимів течії на гідравлічний опір та тепломасообмін при русі робочих рідин.

Метою лабораторної роботи є: закріплення основних теоретичних понять розділу «Кінематика рідин»; експериментальне вивчення за допомогою установки Рейнольдса ламінарного і турбулентного режимів руху рідини, а також перехід від одного режиму до іншого; з‘ясування фізичного змісту числа (критерію) Рейнольдса; набуття навичок визначення режимів руху рідини в трубах розрахунковим способом.

1. ОСНОВНІ ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ Ламінарний (шаруватий, впорядкований) режим течії — при якому

можливе існування стаціонарних траєкторій руху рідких частинок. При турбулентному (невпорядкованому, безладному) режимі траєкторії хаотично змінюються в просторі і часі завдяки нерегулярним пульсаціям частинок, що призводить до відповідних пульсацій швидкості, тиску, температури та інших локальних параметрів течії. Режими течії можуть виявлятися візуально по поведінці введеної в потік рідини тонкої струминки підфарбовуючої рідини (досліди Осборна Рейнольдса, 1883 р.). При переході від ламінарного режиму до турбулентного струминка фарби під дією наростаючого тривимірного пульсаційного руху частинок у

4

потоці втрачає стійкість, приймає хвилеподібну форму і, зрештою, зникає, змішуючись з усією рідиною, що протікає в трубі. Можна вважати, що турбулентна течія містить велику кількість вихорів, тобто збурень, неоднорідностей, різних масштабів. Однак, треба пом’ятати, що обертання рідких частинок може мати місце і у ламінарних потоках. У турбулентному потоці місцеву миттєву швидкість υr частинки зображують у вигляді суми місцевої усередненої в часі швидкості

кількістю руху частинок в поперечному напрямку під дією пульсацій обумовлює більш рівномірне розподілення усереднених швидкостей υ в проекціях на нормаль в кожній точці живого перерізу стабілізованого потоку (рис. І.І, поз. а) у порівнянні з параболічним розподілом швидкостей при ламінарній течії (коли υ′≡0 ) в трубах ( рис. І.І, поз. б).

Рис. І.І Розрахунковим шляхом режим руху рідини виявляють по величині

безрозмірного комплексу – числу Рейнольдса

Re =υνсрL = ρυμсрL ,

5

де υcp — середня в живому перерізі потоку швидкість, м/с:

υcp = ω1 ω∫υdω = ωQ ; Q – об’ємна витрата рідини, м3 / с ; ω — площа живого

перерізу потоку, м2 ; υ – локальна швидкість, мс ; L — характерний лінійний розмір потоку, м: при течії в трубі круглого перерізу це – внутрішній діаметр труби d, в трубі некруглого перерізу – гідравлічний,

Па с.

При стабілізованих рухах рідини в круглій трубі існує такий зв’язок між середньою та максимальною (на осі труби) швидкостями: при турбулентному режимі течії υcp =(0,75...0,9)υmax , при ламінарному —

υcp =0,5υmax .

Зміна режимів напірного руху рідини в круглих трубах відбувається при критичних значеннях числа Reкр : нижньому Reнкр ≈2000 , нижче

якого ніякі збурення в потоці не призводять до розвитку турбулентності;

нестійкий ламінарний режим, що незворотньо переходить в турбулентний навіть при незначних випадкових збуреннях в потоці, пов’язаних, наприклад, із зміною стану обтічної поверхні труби, вібрацією установки і т. п.). У машинобудівній гідромеханіці зазвичай використовують одне значення згідно з дослідними даними Рейнольдса і Шиллера,

6

що відповідає реальним умовам течії рідини в технічних пристроях, не вільних від різних джерел збурень потоку.

Режими течії великою мірою визначають гідравлічний опір і теплообмін в потоках. Так, при ламінарному русі рідини в трубах ( Re <Reкр) втрати питомої енергії, тобто напору, потоку на подолання

опору тертя пропорційні середній швидкості: hтр υср; однак при

турбулентному режимі інтенсивність тепломасообіну в системі також набагато вище, ніж при ламінарному.

Число Рейнольдса - один з критеріїв динамічної подібності різних потоків. Згідно з теорією подібності, число Re являє собою міру відношення конвективних сил інерції до сил в’язкого тертя в рухомій рідині.

2. ЛАБОРАТОРНА УСТАНОВКА

Схема установки Рейнольдса (рис. 1.2) дозволяє візуально спостерігати різні режими руху рідини і зміни режимів, а також вимірювати параметри потоку, необхідні для обчислення числа Re (у тому числі Reкр ). В даному випадку робочою рідиною є вода.

Рис. 1.2

7

Основні елементи установки: напірна ємкість 1, що розділена на два відсіки 11 і 9 гратчастою перегородкою 10 для заспокоєння рівня рідини і зменшення в ній збурень; скляна труба 7 заданого постійного діаметру d з плавним входом, через яку протікає потік рідини з напірної ємкості; бачок 2 з рідиною-барвником близькою до води густиною, що підводиться до вхідної ділянки труби 7, трубкою 8 з тонким наконечником; п'єзометр 4, що відіграє роль водомірної трубки ємкості 1 (при прозорих стінках ємкості може не бути встановлений); термометр 3 для виміру температури t0 робочої рідини; мірна ємкість («мірник») 5 для вимірювання об'єму W рідини, що витікає з труби 7 за час T ; хронометр 6 для виміру часу T .

3. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕННЯ ДОСЛІДІВ

1. Дослід 1. За допомогою вентиля В встановити невелику витрату води в скляній трубі 7 (див. рис. 1.2). Постійність рівня H води в напірній ємкості, що досягається одночасним відкриттям вентиля B1 мережевого трубопроводу, свідчитиме про постійність витрати води, тобто про сталий характер течії.

2. Обережно відкрити кран К бачка 2 для подачі рідини-фарбника в потік. Витікання її у вигляді окремої струминки, паралельної стінкам труби 7, вкаже на ламінарний режим руху потоку. Спостереджуваний результат позначити літерою "Л" і занести до табл. 1.2.

3. Закрити кран К, підвести мірник 5 під витікаючий з труби 7 струмінь води, виміряти об'єм W і час T заповнення мірника водою.

4. Одночасно виміряти температуру води t0 в установці. Всі дослідні дані занести до таблиці 1.1.

8

5.Дослід 2 провести в тій самій послідовності і при тому ж ламінарному режимі руху води, змінивши вентилем В її витрату, а отже середню швидкість (у загальному випадку температура води може також змінюватися).

6.Дослід 3. Збільшуючи ступінь відкриття вентилів В і B1 , добитися

хвилеподібної форми забарвленої струминки — нестійкого ламінарного режиму або початкової фази розвитку турбулентності. Результат спостереження режиму позначити літерами "Кр", тобто «критичний

Пересвідчитися, що забарвлена струминка зникає і вся рідина приймає однаковий колір. Дані вимірів і результати спостережень режиму руху позначити літерою " Т " і занести в табл. 1.1, 1.2.

4. ОБРОБКА ДОСЛІДНИХ ДАНИХ

При обробці дослідних даних використати систему одиниць СГС як більш зручну для проведення розрахунків.

1. Розрахувати об'ємну витрату води в кожному досліді, тобто об'єм води, що протікає за одиницю часу через будь-який поперечний переріз труби 7

Q=WT , см3с.

2.Середня швидкість руху води в трубі визначається за формулою

υcp = ωQ , смс,

9