Лаболаторный курс гидравлики

Министерство образования Российской Федерации

ВОСТОЧНО-СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ЛАБОРАТОРНЫЙ КУРС ГИДРАВЛИКИ (МЕХАНИКА ЖИДКОСТИ И ГАЗА)

Учебное пособие

Издательство ВСГТУ Улан-Удэ 2003

Рецензент: Г.Ф.Ханхасаев, д.т.н., проф., ВСГТУ В.Г.Буркин, к.т.н., доц., БГСХА

Авторы: Полякова Л.Е. Ямпилов С.С. Николаев Г.И. Ухеев Г.Ж.

Блекус В.Г. Норбоева Л.К. Хантургаев А.Г. Хараев Г.И.

Лабораторный курс гидравлики (механика жидкости и газов): Учебное пособие / Под ред. Л.Е. Поляковой. – УланУдэ: Изд-во ВСГТУ, 2003.– 88 c.

ISBN

Вучебном пособии приведены основные положения гидравлики, необходимые для выполнения различных инженерных расчетов. Особое внимание уделено гидравлике трубопроводов при движении жидкости. Изложено описание теоретических основ лабораторных работ, порядок их выполнения, расчетов и оформления. Приведены материалы, необходимые для оценки точности экспериментов.

Впособии учтены особенности заочной формы обучения. Лабораторный курс охватывает основные вопросы, необходимые для изучения курсов «Гидравлика», «Гидравлика и гидравлические машины», «Гидравлика и аэродинамика» для технологических, механических, строительных специальностей вузов.

ISBN	© Полякова Л.Е.
	с соавт., 2003г.

Введение При выполнении лабораторных работ по курсу

"Гидравлика и гидравлические машины" студенты знакомятся с основными измерительными приборами, применяемыми в гидравлическом эксперименте, методикой измерения гидравлических параметров, получают практические навыки при выполнении гидравлических расчетов и некоторые сведения о методах статистической обработки экспериментальных данных.

До начала лабораторного занятия студент обязан проработать соответствующий раздел настоящего руководства.

Необходимо найти ответы на контрольные вопросы и заранее заготовить отчет по работе, содержащий:

1.Название работы;

2.Цель работы;

3.Вывод необходимых расчетных соотношений;

4.Схему лабораторной установки;

5.Краткое описание последовательности в выполнения работы;

6.Протокол наблюдения.

В лабораторию студент обязан являться, имея при себе:

а) методические указания по лабораторному практикуму; б) отчет по лабораторной работе; в) калькулятор;

г) конспект лекций.

В начале занятий преподаватель проверяет подготовку студентов к лабораторной работе. Студенты, не успевшие усвоить материал лабораторной работы, к занятию не допускаются и выполняют работы в дополнительное время.

3

Студенты выполняют лабораторные работы под руководством преподавателя, измерочные величины записывают в журнал наблюдений и производят необходимые расчеты.

Предварительно подготовленный протокол работы позволяет студенту на этом же занятии полностью оформить отчет (заполнить журнал наблюдений и записать подробный расчет определяемых величин). Работа считается сданной после того, как она подписана преподавателем.

В схему обработки результатов некоторых лабораторных введены элементы статистического анализа и формализация экспериментальных данных.

ЕДИНИЦЫ ИМЕРЕНИЯ

Вычисления начинают только тогда, когда все величины переведены в одну систему единиц СИ (ГОСТ 9867-61) является универсальной системой и призвана заменить все существующие системы. Кроме основных едини система СИ допускает образование кратных и дольных единиц путем умножения на 10II

Деци (дц)	-10-1
Санти (с)	-10-2
Милли	-10-3
(мк)	-10-6
Микро
(мк)	-10-9
Нано (н)
Пико (п)	-10-12

Кило (к)	-103
Гекто (га)	-104
Мега (м)	-106
Гига (г)	-109
Тера (т)	-10-12

4

	Единицы измерения величин и их обозначение
Обозначе	Название		Единица		Размер	Зависим
ние	величины		измерения		ность	ость
1	2	3			4	5
Основные	единицы		Метр
l	Длина				М	-
m	Масса		Килограмм		Кг	-
t	Время		Секунда		С	-
T	Температура		Градус		0С	-
			Цельсия
			Градус		0К	-
			Кельвина
Производные единицы
W	Площадь	-			м2	w=l2
V	Объем	-			м3	v=l3
U	Скорость	-			м/u	u=l/t
a	Ускорение	-			м/с2	a=l/t2
ρ	плотность	-			кг/м3	ρ=m/v
F	cила		Ньютон		кгм/с2	F=m a
γ	удельный вес	-			н/м3	γ=F/ ν
p	давление		Паскаль,		н/м2	p=F/ω
			Па
τ	напряжение	-			н/м2	τ=F/ω
μ	динамически	-			кг/мс	μ =τ	dl
	й
							du
	коэффициент
	вязкости	-
ν	кинематическ				м2/с	ν= μ/ p
	ий
	коэффициент
	вязкости	-
Q	расход				м3/с	Q= ν/t
		5

1	2	3	4		5
h	глубина,	-	м
	высота
N	мощность	Ватт, Вт	дж/с
hu	потери	-	м
	гидродина
	мического
	напора
H	гидродина	-	м
	мический
	напор
ω	угловая	Радиан	рад/с
	скорость
μ	коэффицие	-	-	ε =	Sc	= (	dc	)2
	нт расхода				S0		d0

Соотношения между наиболее употребляемыми единицами системы СИ и единицами других систем.

Величина	Систе	Техническая	Физическая
	ма СИ	система	система
Сила	Н	I кгс=9,81 н	н≠105 дин
Давление	па	I атм=Iкгс/см2=	-
		=9,81 х 104 Па
Динамический	кг/мс	-	Iпуаз=10-I кг/мс
коэффициент
вязкости
Кинематический	м2/с	-	1стокс=10-4 м3/с
коэффициент
вязкости
I мм ртутного столба = 133,3 н/м2
I мм водного столба = 9,81 н/м2
		6

Лабораторная работа №1

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЯЗКОСТИ ЖИДКОСТИ

Цель работы: Определение вязкости жидкости вискозиметром Энглера.

Основные положения

Вязкостью называется способность жидкости сопротивляться напряжением сдвига (касательным напряжениям). Вязкость жидкости обуславливает наличие сил внутреннего трения, возникших при движении реальной жидкости.

Закон Ньютона для сил вязкости:

T = ± μS dUdR ; τ = TS = ±μ dUdh , где

T - сила внутреннего трения;

S - площадь соприкосновения трущихся слоев; dUdh - градиент скорости;

μ - динамический коэффициент вязкости; τ - касательная напряжения.

В инженерной практике используется кинематический коэффициент вязкости, который равен

ν = μρ

Вязкость жидкости может быть выражена и так называемой условной вязкостью в градусах Энглера (0Е), путем сравнения времени истечения одинаковых объемов исследуемой и стандартной жидкостей из специальных приборов.

Для капельных жидкостей характерно уменьшение вязкости с повышением температуры. Для газов, в т.ч. и для воздуха, повышение температуры приводит к увеличению

7

вязкости. С увеличением давления вязкость жидкости возрастает.

Опытное определение вязкости жидкости производится с помощью приборов, называемых вискозиметрами.

Рис.1. Схема экспериментальной установки:

1- Стержень; 2 -термометр; 3 - крышка; 4 - внутренний цилиндр; 5 - внешний цилиндр; 6 - нагреватель; 7 - сборник; 8 - исследуемая жидкость; 9 - подогревающая вода; 10 - калиброванное отверстие.

Вискозиметр Энглера состоит из двух концентрически расположенных цилиндров 4 и 5 с отверстием 10, перекрываемым стержнем 1. Полость между внутренним 4 и внешним 5 цилиндрами заполняется водой 9, которую подогревают до заданной температуры подогревателем 6. Во внутренний цилиндр, закрываемый крышкой 3, наливают испытываемую жидкость 8. Температуру жидкости контролируют термометром 2. Сливаемую через отверстие в цилиндре жидкость собирают в сборник 7.

8

Порядок выполнения работы:

1.Во внутренний цилиндр 4 заливают 200 см3 исследуемой жидкости 8.

2.Цилиндр 5 закрывают крышкой 3 и устанавливают термометр 2.

3.В цилиндр 5 наливают воду, которую подогревают при помощи нагревателя 6, до тех пор, пока температура исследуемой жидкости 8 не достигнет заданной.

4.Засекают время вытекания исследуемой жидкости до первых двух капель, секундометр выключают. Когда уровень жидкости достигнет рис???? в сб.7, секундомер выключают. Полученное время tж в секундах и есть время вытекания 200 см3 исследуемой жидкости.

5.Для исключения возможных ошибок работу по определению tж повторяют 3 раза для каждой температуры и берут среднее значение.

6.Водное число t5 , т.е. время вытекания 200 см3 дистиллированной воды при температуре 200С, определяют в такой же последовательности. Водное число для каждого вискозиметра является постоянным и указывается заводом-изготовителем. В данном случае t5 =

51 ±1c .

Обработка экспериментальных данных

1.По результатам измерений рассчитываются средние

опытные значения tж , которые позволяют определить вязкость жидкости в градусах Энглера по формуле:

0Е= tж

t5

2.Переход от вязкости в градусах Энлера к кинематическому коэффициенту вязкости производится по эмпирической формуле Уббелоде:

ν =	0 ,0731	0	E −	0 ,0631	,	см 2
				0 E		С

9

3.По зависимости μ = νp рассчитывается динамический коэффициент вязкости.

4.Полученные значения коэффициентов вязкости сопоставляются со справочными.

5.Все данные измерений и вычислений результатов опытов вносятся в журнал работы.

Журнал работы №1

Иссле-

Темпе

Плот-

Время

Вязкость исследуемой

дуемаяратура

ность

истечения

жидкости

жиджид-

жид-

исследуе-

Условная

КинематДинамиче

кость

кости

кости

мой

в градусах

ический

ский

жидкости

Энглера

коэффц коэффици

иент

ент

Размер

Т, 0С

ρ

t, c

0E

ν

2

/с

н* с

,

, м

μ1

-ность

кг/м3

м2

1 сред-

2 нее

3

Плотность воды при различных температурах

Темпера-

4

10

20

30

40

50

60

70

80

100

тура

0С

Плот-

1000

999,7

998,2

995,7

992,2

988,1

983,2

977,8

971,8

956,4

ность,

кг/м3

10

Рассчитать среднеквадратичные отклонения Wt,ν и доверительный интервал: σt, ν

ν

= ν1 +ν2 + ... +νn

=

t1 +t2 + ... +tn

t

n

n

συ =

Σ(ν −ν )2

σt = ±

Σ( t −t )2

1

1

n −1

n −1

W =

σν * 100%

W =

σt * 100%

ν

t

ν

t

Контрольные вопросы

1.Какое физическое тело называется жидкостью, какие жидкости бывают?

2.Понятие плотности. удельного веса. формула пересчета, размерность.

3.Сжимаемость, температурное расширение, модуль упругости.

4.Понятие вязкости. Формула Ньютона для сил вязкости, влияние температуры на вязкость жидкости. Природа сил вязкости.

5.Понятие удельной жидкости. В каких случаях реальная жидкость ведет себя как идеальная?

6.Устройство и принцип действия вискозиметра Энглера. Понятие водного числа и градуса Энглера.

7.Коэффициенты вязкости. Формула пересчета. Размерность вязкости.

11

Лабораторная работа №2 ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЙ

Цель работы: 1. Ознакомиться с устройством механических и жидкостных приборов для измерения давлений. 2. Измерить давление и вакуум пьезометром, V - образным манометром, манометром абсолютного давления.

Основные положения

Напряжения сжатия в жидкости называют абсолютным давлением, оно всегда положительно, т.е. больше нуля. Отрицательные напряжения, т.е. напряжения растяжения, в жидкости существовать не могут, поскольку жидкость на сопротивляется растяжению.

Абсолютное давление определяется основным уравнением гидростатики:

Раδс = Р0 + jh,

где Р0 - давление на поверхности жидкости;

jh - давление обусловленное весом самой

жидкости;

h - глубина погружения в жидкость.

Таким образом, абсолютное давление изменяется от нуля до плюс бесконечности, начало отсчета расположено в начале числовой оси. Однако на практике более удобно смещать начало отсчета в точку, соответствующую атмосферному давлению РАТМ или 9,81*104 Па. При смещении нуля отсчета на числовой оси появляются положительные значения и отрицательные. Отрицательные значения называют вакуумом, они изменяются от нуля до РАТМ или от нуля до 9,81*104 Па. Положительные значения называют избыточным давлением, они изменяются от нуля до плюс бесконечности при условии, что смещенный ноль отсчета находится в точке абсолютной шкалы, соответствующей РАТМ, или манометрическим давлением,

12

если смещенный ноль отсчета находится в точке абсолютной шкалы, соответствующей 9,81*104 Па. В этом смысле можно говорить об абсолютной шкале давления, шкале избыточного и манометрического давления.

Проиллюстрируем сказанное схематически.

Приборы, измеряющие только манометрическое давление называются манометрами, вакуум - вакуумметрами, манометрическое давление и вакуум - мановакуумметрами. Приборы, измеряющие по абсолютной шкале атмосферное давление, называются барометрами. Если манометр используется для измерения разности давлений, он называется дифференциальным.

По принципу действия приборы для измерения давления делятся на две группы: жидкостные и механические. В жидкостных приборах жидкость под действием давления либо поднимается, либо опускается на высоту h. Измеряя h, рассчитывают давление по соотношению P = jh.

В механических приборах для измерения давлений, давление преобразуют в линейное перемещение трубчатой пружиной, мембраной или сильфоном.

По классу точности приборы принято делить на рабочие и образцовые: рабочие имеют класс точности

13

0,35 - 6, образцовые 0,005 - 0,2. Образцовые приборы служат эталоном и используются для высокоточного измерения давлений.

При выполнении лабораторной работы используются пьезометры и U-образные манометры. Пьезометры используются для измерения давления в капельной жидкости, а U-образные - в основном, газообразных жидкостях, причем жидкость в приборе не должна смешиваться со средой, в которой измеряют давление.

Рис.2 Жидкостные приборы для измерения давления: а) пьезометр; б) U-образный манометр. Пьезометр представляет собой стеклянную трубку с линейкой. При помощи пьезометра измеряется разность давлений Paδc в точке присоединения пьезометра и

атмосферного давления:

Paδc - PАТМ = jh.

U-образный манометр стеклянная трубка, изогнутая в виде латинской буквы U, один конец ее открыт в атмосферу, второй присоединяется к точке измерения давления, P0 - PATM = jh. Пьезометр и U-образный манометр - приборы для измерения избыточного давления в точке их присоединения.

Порядок выполнения работы 1.Резервуар 1 заполняют водой. К резервуару в различных точках по вертикали подсоединены пьезометры 4.

14

2.В соответствии с правилом сообщающихся сосудов поверхности жидкости в резервуаре 1 и пьезометрах 4 располагают в одной горизонтальной плоскости.

3.Измеряют атмосферное давление.

4.При помощи насоса 6 с ручным приводом создают давление в резервуаре 1.

5.Зафиксировать подъем жидкости в пьезометрах 4 на высоту h от первоначального уровня на щите с измерительной линейной сеткой 3.

6.Зафиксировать показания U-образного манометра.

7.Соединительные трубки 2 подсоединяют к насосу в положение π и создают вакуум, показания снимают в той же последовательности.

Журнал работы №2

Показатели			Показания		Показания U-об-		Абсолютно
барометра			пьезометра		го манометра		е давление
мм рт.	н/м2		мм	н/м2	мм	н/м2		н/м2
столба			водн.столба		водн.столба

Рис. 3. Схема установки для измерения давлений: 1- резервуар; 2- соединительные трубки; 4 –миллиметровый щит; 4- пъезометры; 5 – U-образный манометр; 6-насос.

15

Обработка опытных данных

1.Определяем атмосферное давление по показанию

барометра в мм рт.ст. и переводим в н/м2: 1 мм рт.ст. = 133,3 н/м2

Pδ = hS*γPT, где γPT - удельный вес ртути.

2. Определяем избыточное давление в точке подсоединения U-образного манометра в мм водного столба и переводим в н/м2: 1 мм вод.ст. = 9,81 н/м2:

PМ = hγВ , где γВ - удельный вес воды.

3. Определяем избыточное давление в точке подсоединения пьезометра в мм вод.ст. и перводим в н/м2:

PП = hγВ .

4. Определяем абсолютное давление в точке подсоединения пьезометра:

Pабс=Pб+PП.

Плотность воды и ртути при различных температурах

Температура,	4	10	20	30	40
0С
Плотность воды,	1000	999,7	998,2	995,7	992,2
кг/м3
Плотность ртути,	--	13570,8	13546,2	13521,7	13497,3
кг/м3

Контрольные вопросы

1.Понятие гидростатического давления в точке и среднего гидростатического давления.

2.Физический смысл гидростатического давления.

3.Свойства гидростатического давления.

4.Основное уравнение гидростатики, его составляющие.

5. Понятие плоскости сравнения.

16

6.Понятие высоты положения, пьезометрической высоты, гидростатического напора.

7.Геометрический и физический смысл основного уравнения гидростатики.

8.Закон Паскаля и его демонстрация на установке.

9.Принцип работы гидравлического пресса, расчет силы прессования.

10.Понятие абсолютного избыточного, манометрического и вакуумметрического давлений, их предельное значения, графическая интерпретация этих понятий на числовой оси.

11.Жидкостные приборы для измерения давлений.

12.Механические приборы для измерения давлений, их классификация.

13.Класс точности манометров. Определение класса точности манометра.

14.Соотношение между высотой столба жидкости и давлением, которое он создает.

15.Соотношение между единицами давления в технической системе единиц и системе СИ.

16.Устройство лабораторной установки.

Лабораторная работа №3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФОРМЫ СВОБОДНОЙ ПОВЕРХНОСТИ

ЖИДКОСТИ ПРИ РАВНОМЕРНОМ ВРАЩЕНИИ СОСУДА

Цель работы: Определить форму свободной поверхности, сопоставить результаты измерений с теорией.

Основные положения Свободная поверхность – это поверхность равного

давления, которая разделяет две среды: жидкость и газ.

17

Уравнение свободной поверхности при равномерном вращении сосуда:

Z =	ω	2 r 2	,
		2 g

где Z - вертикальная координата; ω - угловая скорость; r - радиус вращения (ОЕ).

Угловая скорость определяется по числу оборотов π сосуда, совершенных за определенное время t.

ω = 2πt n .

Рис.4. Схема установки для определения свободной поверхности: 1 - стол; 2 - электродвигатель; 3 - редуктор; 4 - ременная передача; 5 - цилиндр; 6 - линейка; 7 - мерный координатник; 8 - стойки.

На столе 1 закреплены три цилиндра 5, которые приводятся во вращение от электродвигателя 2 через редуктор 3 и ременную передачу 4.

На стойках 8 на столе закреплены горизонтальные линейки 6 с ползунками, в которых по вертикали перемещаются мерные координатники 7. Линейка и мерный координатник образуют опытную систему отсчета.

18

Рис. 5. Форма свободной поверхности Порядок выполнения работы

1.Залить цилиндрические сосуды водой.

2.Включить электродвигатель.

3.Определить число оборотов и время их вращения.

4.Перемещая координатник по вертикали до соприкосновения с жидкостью и вдоль диаметра цилиндра найти центр цилиндра.

5.Отметить нулевое положение на координатнике 7 при перенесении с центром цилиндра на координате r.

6.Перемещая координатник 7 по диаметру цилиндра и фиксируя его на целых значениях r, определить величину Z, вводя координатник при этом до соприкосновения с жидкостью.

7.По экспериментальным данным построить кривую свободной поверхности.

Журнал работы №3

№/№	Число	Время	Угловая	Ради	Вертикальная
п/п	обротов	вращения	скорость	ус	координата
					расчетн	эксперим
					ая	ентальная
1	n,об/с	t, с	ω, рад/с	r, м	Zр, м	ZЭ, м
			19

Обработка опытных данных

1. По n и t определить угловую скорость ω = 2πn .

t

2.Принять ряд целых значений r от 0 до r0 (r0 - радиус сосуда).

3.По принятым значениям r рассчитать соответствующие

им значения Z =	ω 2 r 2 .
	2 g

4. Построить теоретическую кривую свободной поверхности жидкости.

5. На теоретическую кривую нанести экспериментальные точки.

6. Построить доверительный интервал.

Контрольные вопросы

1.Что такое относительный покой?

2.Понятие поверхности уровня, свободной поверхности, их свойства.

3.Силы, действующие в жидкости.

4.Основное дифференциальное уравнение гидростатики.

5.Уравнение свободной поверхности при равномерном движении сосуда, равномерно ускоренном, при равномерном вращении.

6.Переход от экспериментальной к расчетной системе координат.

7.Ход выполнения лабораторной работы.

8.Измерение величин. характеризующих форму свободной поверхности.

20