Калинина В.С., Наумченко И.С.,Смирных А.А. Лабораторный практикум по гидравлике и гидравлическим машинам

Подождите немного. Документ загружается.

Методика проведения работы

Включить тумблер 9 и при помощи ручки 8

выпрямителя с реостатом установить заданное

преподавателем число оборотов сосуда. Выждать пока

жидкость в сосуде не придет в состояние относительного

равновесия, о чем судят по стабилизации свободной

поверхности и неизменяемой высоте параболоида.

Замерить высоту h , для чего использовать разметку,

нанесенную на стенку сосуда.

Обработка результатов эксперимента

Определить окружную скорость



, м/с стенки сосуда

по формуле

Рис.2.2. Схема экспериментальной установки

1 0

πDn





, (2.3)

где D – внутренний диаметр сосуда, м; n – частота

вращения объема, мин

-1

Рассчитать высоту параболоида вращения h

, м, по

формуле

Δh





. (2.4)

Сравнить рассчитанную высоту параболоида

вращения h

с фактической величиной h и пояснить

причину возможного расхождения.

Данные замеров и результаты вычислений занести в

табл.2.1.

Таблица 2.1

D, м h, м

n, мин



, м/с h

, м

Контрольные вопросы

1. Относительное равновесие (покой) жидкости.

Примеры такого равновесия, встречающиеся в природе и

использующиеся в технике.

2. Вывод дифференциальных уравнений Эйлера.

Физический смысл слагаемых, входящих в уравнения

Эйлера для поля сил земного тяготения.

3. Силы, действующие на жидкость при

равномерном вращении ее вокруг вертикальной оси в

цилиндрическом сосуде. Вывод уравнения свободной

поверхности для рассматриваемых условий.

4. Экспериментальная установка и порядок

выполнения работы на ней. Правила безопасной работы на

установке.

5. Анализ результатов эксперимента и выводы по

работе.

С п и с о к о с н о в н ы х и с т о ч н и к о в : [1, с.31-34].

Лабораторная работа № 2

ИЗУЧЕНИЕ РЕЖИМОВ ДВИЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ

Ц е л ь р а б о т ы – визуально наблюдать режимы

движения жидкости, установить опытным путем

критическое значение числа Рейнольдса, соответствующее

переходу ламинарного режима в турбулентный.

Т е о р е т и ч е с к а я ч а с т ь . Существует два режима

течения: ламинарный и турбулентный. Обычно при малых

скоростях струйки жидкости движутся параллельно,

скользя относительно друг друга. При непрерывном

возрастании скорости потока будут нарастать потери

напора из-за трения жидкости (пропорционально

скорости). Такой режим называется ламинарным. Когда

значение числа Рейнольдса (Re), определяемого средней

скоростью потока



, диаметром трубы@d, плотностью

жидкости



и динамической вязкостью жидкости



достигнет определенного критического значения (Re

кр

2300), режим движения резко, скачкообразно начинает

меняться. Проявляет действие всеобщий закон о переходе

количества в качество. При больших скоростях

наблюдается поперечное перемещение струек жидкости за

счет образования вихрей. Потери напора на трение будут

нарастать и стремиться к квадратичной зависимости от

скорости.

Если Re < 2300, то должен иметь место ламинарный

режим; если Re > 2300, то режим турбулентный.

Необходимо отметить, что приведенное критическое

значение число Рейнольдса является в известной степени

условной величиной, так как трудно обнаружить резкий

переход от ламинарного режима к турбулентному. В

действительности наблюдается так называемая

«переходная» область исчезновения ламинарного режима,

установления турбулентного состояния потока. Числовые

значения критерия Рейнольдса для неразвитого

турбулентного режима находятся в пределах 2300  10000.

При Re > 10000 режим потока становится развитым

турбулентным.

При уменьшении скорости жидкости возможен

обратный переход к ламинарному режиму движения.

При движении реальных жидкостей возникают силы

сопротивления, вследствие чего как при ламинарном, так и

при турбулентном режиме часть напора теряется на

преодоление гидравлических сопротивлений. Эти потери

различны, так как условия движения жидкости при разных

режимах различны, поэтому при проведении

гидравлических расчетов систем и решении задач,

связанных с движением жидкости, необходимо вначале

установить режим движения жидкости.

В большинстве технологических аппаратов

наблюдается турбулентный режим движения,

обеспечивающий более интенсивное протекание

тепломассообменных процессов.

Описание установки

Установка для определения числа

Рейнольдса@(рис.2.3) состоит из напорного бака 1,

питательного трубопровода 2 с регулирующим вентилем 3,

успокоителя 4, мерного бака 5, стеклянной трубы 6

диаметром@0,03 м, предназначенной для наблюдения за

режимами движения, и бачка с раствором красителя 7. Во

избежание переполнения бака в нем предусмотрен

водослив. Подача красителя регулируется краном 8.

Методика проведения работы

Наполнить водой напорный бак 1. Уровень воды в

баке при проведении опытов должен поддерживаться

постоянным. Это достигается с помощью водослива.

Все опыты проводить при установившихся потоках.

Рис.2.3. Схема экспериментальной установки

È ç â î ä î ï ð î â î ä à

Â ñ ë è â

Приоткрыть вентиль 3 на питательном трубопроводе

и для подачи красителя открыть кран 8. Подкрашенная

струйка при ламинарном режиме должна быть прямой.

Зарисовать наблюдаемую картину движения жидкости в

трубе.

Открывая вентиль 3 и плавно увеличивая расход

воды, добиться начала разрушения ламинарного режима.

При некотором открытии вентиля окрашенная струйка

начинает искривляться и становиться волнообразной.

Закрыть кран на сливной трубе 9 и определить расход

жидкости и помощью мерного бака и секундомера.

Измерить температуру воды и найти соответствующее

значение кинематического коэффициента вязкости

(приложение@А).

По полученному значению расхода и критической

скорости определить критическое значение числа

Рейнольдса, соответствующее переходу ламинарного

режима в турбулентный (определение Re

кр

повторить не

менее 3-х раз).

Открыть полностью вентиль 3. Наблюдать

турбулентный режим течения и зарисовать картину

движения ее подкрашенной части.

Обработка результатов эксперимента

Определить расход, м

/с

Q 

, (2.5)

где W – объем жидкости в мерном баке, м

;



- время

наполнения, с.

Определить среднюю скорость движения, м/с





, (2.6)

где S – площадь сечения трубы, м

Определить число Рейнольдса







. (2.7)

Результаты опытов и расчетов внести в табл.2.2.

Таблица 2.2

Наименование

параметра

Опыт

Объем жидкости в

мерном баке W, м

Время наполнения



, с

Расход воды в

трубе Q, м

/с

Средняя скорость

движения



, м/с

Число Рейнольдса Re

Режим движения

Контрольные вопросы

1. Ламинарный режим движения, его особенности.

2. Турбулентный режим движения, его особенности.

3. Число Рейнольдса для цилиндрических труб и для

потоков с некруглым сечением.

4. Значение режима движения для расчета

трубопроводов.

5. Причины разрушения ламинарного режима.

С п и с о к о с н о в н ы х и с т о ч н и к о в : [1, с.62-65; 2,

с.65-67; 3, с.38-41].

Лабораторная работа № 3

МАТЕРИАЛЬНЫЙ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ

БАЛАНСЫ ПОТОКА

Ц е л ь р а б о т ы – освоение техники

экспериментального определения гидродинамических

характеристик потока, а также получение наглядного

представления о том, как закон сохранения энергии

определяет взаимосвязь параметров потока; усвоение роли

скорости течения жидкости на изменение величины потерь

напора.

М а т е р и а л ь н ы й б а л а н с установившегося

потока описывается уравнением расхода

SQ 



;

ρSQρМ 



, (2.8)

где Q – объемный расход жидкости, м

/с;



– средняя

скорость потока в сечении, м/с; М – массовый расход

жидкости, г/с;  – плотность жидкости, кг/м

; S – площадь

сечения потока, м

Для трубопровода с переменным сечением

материальный баланс потока описывается уравнением

неразрывности

constSρSρМ

222111





(2.9)

или

2211

SSQ





, если



= const. (2.10)

Энергетический баланс потока идеальной жидкости

характеризуется уравнением Бернулли

constH

2gρg





. (2.11)

Для двух произвольных сечений

const

2gρg





, (2.12)

где Н – гидродинамический напор, или полная удельная

энергия, приходящаяся на единицу веса жидкости, М

столба перекачиваемой жидкости; z – геометрический

напор, м; z + p/(



g) – пьезометрический напор (удельная

потенциальная энергия потока жидкости), м;



/(2g) –

скоростной напор (удельная кинетическая энергия потока

жидкости), м.

Реальная жидкость вследствие вязкости испытывает

сопротивление при движении, и удельная энергия не

может сохраняться неизменной вдоль потока. В этом

случае в уравнение Бернулли вводится поправка на потери

напора (h

пот

) при переходе от некоторого сечения потока к

сечению, расположенному ниже по течению:

пот

2gρg

z 



. (2.13)

Потери напора (потери энергии), затрачиваемого на

преодоление сопротивлений при движении жидкости

слагаются из 2-х видов потерь

м.с.впот

hhh 

, (2.14)

где h

– потери на трение (линейные потери), м; h

м.с.

–

местные потери из-за резкого изменения конфигурации

потока, м.

Из уравнения Бернулли следует, что все

составляющие полного напора равноправны в создании

напора. При изменении сечения трубопровода происходит

превращение энергии.

Величина напора определяет затраты энергии на

перемещение жидкости, а по ним подбирается мощность

насоса.

Описание установки

Работа состоит из 3-х частей. Все три части работы

выполняют на одной установке – стенде «Бернулли»

(рис.2.4), состоящем из трубопровода переменного

сечения, имеющего по своей длине ряд пьезометров@(1-18),

снабженного вентилем для регулирования расхода

жидкости, напорным и одновременно приемным баком с

вмонтированным в него мерным баком с

распределительной воронкой, индукционным

расходомером. Все пьезометры выведены на единый

пьезометрический щит с произвольной плоскостью

сравнения.

Основные обозначения и геометрические

параметры трубопровода:

I – сужение трубопровода; VII – резкий поворот;

II – внезапное расширение; VIII – плавный поворот;

III – резкое сужение; IX – фланцевое соединение;

IV – диффузор; 1-18 – пьезометры; V – конфузор; 19 –

напорный бак; VI – расширение трубопровода; 20 –

расходомер индукционный ИР-51.

Длины линейных участков трубопровода:

= 0,695 м; l

= 0,515 м; l

= 0,99 м; l

= 5,75 м.

Диаметры трубопроводов:

= 0,033 м; d

= 0,028 м; d

= 0,070 м.

Часть I. Построение диаграммы уравнения Бернулли

Ц е л ь р а б о т ы – получить наглядное представление

о законе сохранения энергии в потоке и превращении ее.

Т е о р е т и ч е с к а я ч а с т ь . Так как все члены

уравнения Бернулли имеют размерность длины, то

зависимость между членами уравнения наглядно

изображается графически.

Для построения диаграммы уравнения Бернулли от

произвольно выбранной плоскости сравнения 0-0 (рис.2.5)

откладываем вверх над схемой трубопровода в

рекомендуемом масштабе 1:10 в направлении каждого

пьезометра 1-18 ординаты z + p/(



g) и, соединяя концы