Методичка по гидравлике

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет» Кафедра гидромеханики и теплотехники

А.С. ПАВЛОВ, В.Г. УДОВИН

ГИДРАВЛИКА

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К ЛАБОТАТОРНЫМ РАБОТАМ

Рекомендовано к изданию Редакционно – издательским советом государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет»

Оренбург 2004

ББК 30.123я7 П 12

УДК 532(07)

Рецензент к.т.н., доцент Легких Б.М.

Павлов А.С., Удовин В.Г

П12 Гидравлика: Методические указания к лабораторным работам.- Оренбург: ГОУ ОГУ, 2004. - 69 с.

Методические указания для выполнения лабораторных работ по гидравлике предназначены для студентов-строителей, обучающихся по программам высшего профессионального образования, которые изучают курс гидравлики на очном, очно - заочном и заочном факультетах.

ББК 30.123я7

© Павлов А.С., Удовин В.Г., 2004 © ГОУ ОГУ, 2004

Введение

Гидравлика является наукой, где лабораторные эксперименты, а также наблюдения за различными гидравлическими явлениями играют исключительно большую роль.

Без широко поставленного лабораторного эксперимента, гидравлика не смогла бы достигнуть уровня своего современного развития. Это объясняется сложностью многих гидравлических явлений, которые приходиться рассматривать и изучать при решении ряда важных инженерных проблем, и необходимостью соответственной корректировки результатов, получаемых с применением различных упрощающих допущений.

Отдельные вопросы гидродинамики в настоящее время еще не могут быть решены теоретическим путем, поэтому приходиться прибегать к нахождению простых эмпирических и полуэмпирических соотношений, необходимых для использования в инженерной практике. Все эти соотношения и формулы могут быть получены в результате постановки соответствующих лабораторных исследований. Следовательно, роль гидравлического эксперимента в решении многих проблем инженерной практики весьма значительна.

В соответствие с вышеизложенным, проведение лабораторных работ по курсу «Гидравлика» ставит перед студентами следующие задачи:

-овладеть методикой постановки и проведения лабораторного гидравлического эксперимента;

-научиться анализировать полученные экспериментальные данные;

-проверить соответствие, полученной опытным путем величины, величинам, вычисленным по аналитическим зависимостям;

-составить характеристику наблюдаемого при эксперименте гидравлического явления;

-сделать выводы, соответствующие экспериментальным данным;

-получить навыки оформления отчетной документации по проведенным исследованиям.

Кзанятиям в лаборатории гидравлики допускаются студенты, получившие инструкцию по технике безопасности у преподавателя с соответствующим оформлением студента в журнале.

Студентам запрещается подходить к насосным установкам, самостоятельно включать электродвигатели, открывать и закрывать задвижки и вентили трубопроводов, включать измерительные приборы. Эти работы должны выполняться либо лаборантом, либо студентами под наблюдением лаборанта или преподавателя.

Оборудование лаборатории относится к разряду особо опасных в отношении поражения электрическим током, поэтому студенты обязаны строго соблюдать правила защиты, уметь оказать помощь пострадавшим от электротока.

Перед началом работ преподаватель должен ознакомить студентов с лабораторным оборудованием и правилами пользования им.

Прежде чем приступить к работе, необходимо проверить исправность ограждения движущихся частей установок, наличие и крепление заземления, убрать с установок посторонние предметы.

При работе в лаборатории студенту следует выполнять только ту работу, которую поручает ему преподаватель. Запрещается бесцельно ходить по лаборатории, подходить к группе, которая выполняет другую работу, отвлекать разговорами своих товарищей.

При возникновении каких-либо затруднений, немедленно прекратить работу и обратиться за помощью к преподавателю или лаборанту.

Категорически запрещается работать в лаборатории одному. Запрещается находиться в лаборатории в пальто, вешать одежду на

оборудование, снимать запрещающие и предупреждающие плакаты, оставлять установку до конца проведения эксперимента без присмотра.

Закончив выполнение лабораторной работы, необходимо привести в порядок свое рабочее место, поставить в известность об этом преподавателя или лаборанта.

1 Правила выполнения лабораторных работ

1.1Подготовка к работе:

-изучить описание работы, которое изложено в настоящих указаниях;

-усвоить теоретический материал, необходимый при выполнении работы;

-ответить на поставленные вопросы по теоретической и практической частям работы;

-подготовить в тетради форму отчета;

-подойти к лабораторной установке, изучить ее устройство и порядок проведения эксперимента;

-провести пробный эксперимент с целью отработки техники снятия опытных величин.

1.2Выполнение работы

Каждая лабораторная работа выполняется всей группой или бригадой из трех-семи человек. Все вычисления выполняются в лаборатории в процессе работы. Работа считается законченной после просмотра отчета преподавателем.

1.3 Составление и сдача отчета

Отчет выполняется индивидуально каждым студентом в тетради для лабораторных работ и обязательно должен содержать все формулы, которыми пользуется студент, схему лабораторной установки, таблицы с экспериментальными и расчетными величинами, необходимые графики. Все графики и схемы должны быть выполнены аккуратно карандашом или ручкой.

Сдача и защита полностью оформленного отчета производится на текущем или следующем лабораторном занятии.

2 Лабораторная работа №1

Изучение относительного покоя жидкости во вращающемся сосуде

2.1 Основные положения и расчетные зависимости

Стенки круглоцилиндрического сосуда, вращающегося равномерно вокруг своей вертикальной оси благодаря силам трения, будут увлекать за собой жидкость, которой заполнен сосуд. Через некоторое время жидкость начнет вращаться вместе с сосудом с одинаковой угловой скоростью. Таким образом, жидкость будет находиться в покое по отношению к вращающимся осям координат, скрепленным с сосудом. Поэтому для исследования относительного покоя жидкости можно воспользоваться уравнением Эйлера равновесия жидкости:

dp =ρ(Xdx +Ydy +Zdz),

(1)

где X,Y,Z – проекции на соответствующие оси координат равнодейст -

вующей массовых сил, отнесенных к единице массы (проекции ускоре - ний), м/с2;

ρ – плотность жидкости, кг /м3;

p – гидростатическое давление, Н/м2;

x,y,z - проекции длины на оси координат, м.

В рассматриваемом случае массовая (объемная) сила, входящая в это уравнение, будет слагаться из силы тяжести и силы инерции, которая направлена нормально к оси вращения сосуда.

Теоретические исследования показывают, что в случае равномерного вращения вокруг вертикальной оси круглоцилиндрического сосуда, свободная поверхность жидкости, находящейся в нем, имеет вид поверхности параболоида вращения с вертикальной осью сосуда. В этом случае можно утверждать, что линия пересечения свободной поверхности с вертикальной плоскостью, проходящей через ось сосуда, то есть кривая свободной поверхности жидкости, есть парабола с вертикальной осью.

Отметки z (рисунок 1) точек свободной параболической поверхности АОВ относительно горизонтальной плоскости Оr, проведенной через наинизшую точку свободной поверхности АОВ, находят по теоретической зависимости:

ZT = ω2r2/2g ,

(2)

полученной из уравнения (1),

где r – кратчайшее расстояние от оси вращения до соответствующей точки свободной поверхности, м; ω - угловая скорость сосуда, 1/с;

g – ускорение свободного падения, м/с2.

Угловую скорость ω определяют по формуле:

ω = πn/30,

(3)

где n – число оборотов сосуда в минуту, об/мин

2.2 Описание экспериментальной установки

Для изучения относительного покоя жидкости, находящейся во вращающемся сосуде, используется установка, схема которой показана на рисунке 1.

Рисунок 1

Установка состоит из следующих основных частей:

-круглоцилиндрического сосуда 2, открытого сверху и заполненного на некоторую высоту водой;

-электрического приводного двигателя 1, имеющего постоянное число оборотов n;

-измерительного устройства 3.

Сосуд 2 вращается вокруг своей вертикальной оси электромотором 1 через червячный редуктор. Измерительное устройство 3 служит для измерения величин a и r точек, принадлежащих кривой свободной поверхности АОВ. Игла устройства может перемещаться в вертикальном и горизонтальном направлениях.

2.3 Задачи работы

2.3.1Экспериментальное определение величин a и r точек кривой свободной поверхности жидкости, которое осуществляется в процессе опыта только для одной (максимальной) ветви кривой;

2.3.2Теоретическое определение ZТ при известных r по формуле (2);

2.3.3Определение величин Z0 и сопоставление их с величинами ZТ.

2.3.4Построение теоретической и опытной кривых свободной поверхности АОВ. Эти две кривые следует совместить на одном чертеже.

2.4Порядок проведения опытов

Впроцессе опытов заполняют таблицу 1 формы отчета.

Проверяют заполнение сосуда водой (заполнение сосуда не более, чем на 0,5 его высоты) и включают в работу электродвигатель пускателем, расположенным на раме установки. Жидкость будет приведена в состояние относительного покоя не раньше, чем через 30-40 секунд.

Первое измерение проводят при совпадении оси иглы с осью OZ сосуда. При этом замеряют величину а, касаясь концом иглы свободной поверхности воды. Затем смещают иглу к стенке сосуда на величину одного сантиметра и снова измеряют отрезок а. Измерение проводят для восьми точек.

2.5 Обработка экспериментальных величин

Обрабатывая величины из таблицы 1, заполняем таблицу 2 отчета, а затем строим график зависимости ZТ = f1 (r) и Z0 = f2 (r)

Вычисляем Z0 как разность максимального а и текущего для каждого значения r:

Z0 = а макс. - а

(4)

По формуле (3) находим угловую скорость. Формула (2) позволяет найти ZТ для текущего r.

Расхождение между величинами Z0 и ZТ определяем по формуле:

	Ζ		− Ζ			×100%	(5)
∆Ζ =		Τ	Ζ0	0

Строим график зависимости ZТ = f1 (r) и Z0 = f2 (r).

2.6 Форма отчета

Исходные данные:

Число оборотов сосуда n = 180 об/мин. Диаметр сосуда D = 0,15 м.

Таблица 1 - Величины, измеренные при проведении опытов (8 точек)

№		Отсчет по горизонтальной рейке,						Отсчет		по	кончику
точки		D/2 - r						измерительной иглы, а
		м						м
	Таблица 2 - Величины ZТ				и Z0
		Кратчайшее			Отметки свободной поверхности						Ошибка,
№		расстояние	от	оси	по	данным			по формуле (2),
точки		вращения	до	точки	опыта, Z0				ZТ		∆Z
		свободной
		поверхности, r
		м			м				м		%

2.7Контрольные вопросы

1.Цель работы.

2.Какие величины измеряют в опытах?

3.Какой вид имеет кривая свободной поверхности и сама поверхность? 4.Зависит ли форма кривой свободной поверхности от свойств жидкости? 5.Какие внешние силы действуют на жидкость?

6.Почему жидкость вращается вместе с сосудом?

7.Какой объем жидкости выльется из сосуда при известных диаметре сосуда, его высоте, числе оборотов и начальном заполнении?

8.Какое избыточное давление будет действовать в различных точках дна сосуда?

2.8Литература, рекомендуемая для выполнения работы

1.Башта Т.М. и др. Гидравлика, гидравлические машины и гидравличе ские приводы. – М.: Машиностроение, 1982, С. 35-38.

2.Угинчус А.А. Гидравлика и гидравлические машины.: – Харьков: Изд.

ХГУ, С. 51-56.

3.Чугаев Р.Р. Гидравлика. – Л.: Энергия, 1982, С. 51-53.

4.Штеренлихт Д.В. Гидравлика. – М .: Энергоатомиздат, 1991, С. 36-40.