ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ по курсу...
Transcript of ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ по курсу...
Министерство путей сообщения Российской Федерации
Филиал Уральского государственного университета путей сообщения
Челябинский институт путей сообщения
ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ
по курсу «Гидравлика»
Руководство по выполнению и журнал
лабораторных работ
Студент _______________________
Шифр ________________________
Челябинск
2004
2
УДК 532
Л 12
Предназначено для студентов следующих специальностей:
290900 – Строительство железных дорог, путь и путевое хозяйство;
290300 – Промышленное и гражданское строительство;
150800 – Вагоны.
Составитель канд. техн. наук, доцент Г.Г. Проценко
Одобрено учебно-методическим советом
Челябинского института путей сообщения
© Филиал Уральского государственного
университета путей сообщения.
Челябинский институт путей сообщения, 2004
3
ПОРЯДОК РАБОТЫ В ЛАБОРАТОРИИ «ГИДРАВЛИКА»
1. Занятия в лаборатории проводятся одновременно для всей группы сту-
дентов.
2. К занятиям допускаются студенты, ознакомившиеся с содержанием
предстоящих работ по данной разработке и изучившие необходимые
разделы по рекомендуемой литературе.
3. Студенты допускаются к практическому выполнению лабораторных
работ после изучения мер безопасности при работе на лабораторном
стенде и соответствующей подписи в журнале по технике безопасно-
сти.
4. Во время выполнения лабораторных работ студент обязан вести записи
всех измерений карандашом. Обработка результатов измерений прово-
дится фронтально всей группой с записью на аудиторной доске. В
журнал заносятся ручкой итоговые результаты расчѐтов. Преподава-
тель проставляет в личном журнале студента подпись о его участии в
выполнении лабораторной работы.
5. Оформление отчѐтов лабораторных работ должно быть аккуратным,
необходимые рисунки выполняются карандашом с применением чер-
тѐжных инструментов. Студенты, не успевшие оформить отчѐт на за-
нятиях, заканчивают оформление журнала дома.
6. В лаборатории студент обязан соблюдать трудовую дисциплину, не за-
ниматься посторонними делами, бережно относиться к государствен-
ному имуществу.
7. После выполнения всех намеченных работ производится их защита.
Студентам, показавшим при выполнении лабораторных работ хоро-
шую подготовленность и сознательное отношение к делу, отметка о
зачѐте проставляется автоматически после оформления в журнале всех
работ.
8. Студенты, пропустившие лабораторные занятия или не защитившие
отчѐты лабораторных работ к экзамену по курсу «Гидравлика» не до-
пускаются.
4
Лабораторная работа №1
ИЗУЧЕНИЕ КОНСТРУКЦИИ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА
Цель работы: изучение конструкции и технических возможностей лабораторного стенда.
Описание лабораторного стенда
Лабораторный стенд (рис. 1) состоит из напорного бака 1, мерного
бака 14, трех горизонтальных и одного вертикального исследуемых тру-бопроводов. Напорный бак 1 для поддержания постоянного уровня жид-кости снабжен водосливом.
В верхнем горизонтальном трубопроводе вмонтирована прозрачная труба 4 для исследования режимов движения жидкости. Подкрашенная жидкость поступает в трубопровод из бака 2 через краник 3.
В нижнем трубопроводе установлен расходомер Вентури 10. Средний трубопровод представляет собой последовательное соеди-
нение двух простых трубопроводов с диаметрами 8 и 19 мм, в кото-рых вмонтированы исследуемый участок трубопровода 18 и местные со-противления: двойное колено 20, внезапное расширение 21, вентиль 9.
На конце вертикального трубопровода устанавливаются сменные насадки 12 для исследования истечения жидкости.
Измерение напора (давления) жидкости осуществляется прямыми пьезометрами 16, 5, установленными в необходимые сечения гидравличе-ской системы.
Избыточное давление в трубопроводе определяется по показаниям пьезометра расчѐтом по формуле
P=ρgh.
Измерение расхода жидкости Q может измеряться двумя способами: объемным с помощью мерного бака 14 с подсоединенной к нему мер-
ной трубкой 19:
Q=V/t; V=Sh,
где V – объем воды, поступившей в мерный бак 14 за время t; S – площадь дна мерного бака 14; h – разность показаний пьезометра 19 за время t.
с помощью расходомера Вентури 10.Методика измерения расхода Q с по-мощью расходомера Вентури 10 рассмотрена в лабораторной работе № 2.
В установке вмонтированы вентили 6, 8, 11, 13, 15, 17, обеспечива-ющие движение жидкости по необходимым участкам трубопроводов. Вентиль 7 предназначен для удаления воздуха из системы.
5
20
19
14
15
11 10
9
21 12
8
13
16
18
17
6
7
5 2 1
3
4
Рис 1. Схема лабораторного стенда
6
Технические возможности лабораторного стенда Лабораторный стенд позволяет выполнить следующие лаборатор-
ные работы: Лабораторная работа № 2 – Тарирование расходомера Вентури. При
открытии вентилей 6, 8, 11 через расходомер 10 обеспечивается поток жидкости. Измерение действительного расхода жидкости осуществляется объѐмным способом при помощи мерного бака 14 и по показаниям пье-зометров 5 расходомера Вентури.
Лабораторная работа № 3 – Исследование режимов движения жид-кости. При открытии вентилей 6, 8, 11 обеспечивается поток жидкости по прозрачной трубе 4 и через расходомер Вентури 10. Подкрашенная жид-кость вводится в прозрачную трубу 4 из бака 2 через краник 3. По харак-теру движения подкрашенных слоѐв жидкости в прозрачной трубе опре-деляется режим движения жидкости.
Лабораторная работа № 4 – Определение коэффициента гидрав-лического трения в трубопроводе. При открытии вентилей 17, 9 и 11 обеспечивается поток жидкости через исследуемый трубопровод 18 и расходомер Вентури 10. Потери напора в трубопроводе 18 измеряются посредством прямых пьезометров 5.
Лабораторная работа № 5 – Определение коэффициентов местных гидравлических сопротивлений. При открытии вентилей 17, 9, 11 обеспечи-вается поток жидкости через исследуемые гидравлические сопротивления: двойное колено 20, внезапное расширение 21, вентиль 9 и через расходомер Вентури 10. Потери напора на местных сопротивлениях измеряются по-средством прямых пьезометров 5.
Лабораторная работа № 6 – Исследование уравнения Бернулли. При открытии вентилей 17, 9 и 11 обеспечивается поток жидкости через иссле-дуемый средний горизонтальный трубопровод и расходомер Вентури 10. По показаниям пьезометров 5 строится пьезометрическая линия и расчѐтным путѐм с учѐтом измеренного расхода – напорная линия трубопровода.
Лабораторная работа № 7 – Экспериментальное определение гид-равлической характеристики трубопровода. При открытии вентилей 17, 9 и 11 обеспечивается поток жидкости через исследуемый средний гори-зонтальный трубопровод и расходомер Вентури 10. Зависимость потерь напора на трубопроводе от расхода жидкости в нѐм определяет гидравли-ческую характеристику трубопровода.
Лабораторная работа № 8 – Истечение жидкости через отверстия и насадки. При открытии вентилей 17 и 13 обеспечивается поток жидко-сти через исследуемый насадок 12. Приведѐнный напор перед насадком измеряется пьезометром 16, а расход жидкости объѐмным способом при помощи мерного бака 14. В лабораторной работе используются несколько сменных насадков 12.
7
Меры безопасности при работе на лабораторном стенде
1. Лабораторные работы проводятся только на исправном стенде. 2. Включение подачи воды и работа на стенде осуществляется под
наблюдением преподавателя или лаборанта. 3. Не прилагать усилий и не наносить удары по пьезометрам, что может
привести к их разрушению и получению травмы стеклянными оскол-ками.
4. Следить за уровнем воды в мерном баке 14, открывать вовремя вентиль 15 и закрывать вентили 13 и 11, исключая перелив воды через верхние кромки мерного бака.
5. Вентиль 7 открывать только для спуска воздуха из системы. При появ-лении воды вентиль закрыть.
6. При открытии вентиля 13 следить, чтобы не было перелива воды через верхнюю кромку пьезометра 16.
7. При обнаружении неисправности в трубопроводе слива воды в систему канализации отключить подачу воды в лабораторный стенд и закрыть вентили 13, 11, 15.
Содержание отчѐта
В целях экономии времени отчѐт лабораторной работы № 1 не вы-
полняется. При защите лабораторной работы № 1 необходимо знать устройство, работу и назначение каждого элемента лабораторного стенда.
Контрольные вопросы
1. Расскажите общее устройство лабораторного стенда. 2. Укажите назначение напорного бака 1. 3. Какую роль в гидравлической системе стенда выполняют колено 20,
внезапное расширение 21 и вентиль 9? 4. Укажите назначение трубопровода 18. 5. Где на стенде установлен расходомер Вентури? Укажите его назначе-
ние. 6. Как измеряются в лабораторном стенде напоры и давления? 7. Какова методика измерения расхода объемным способом? 8. Укажите назначение мерного бака 14 и трубки 19. 9. С какой целью в стенде установлена прозрачная труба 4? 10. Укажите назначение блока пьезометров 5. 11. Площадь дна мерного бака 14 S = 375 см
2. За время t = 25 с уровень
воды в баке поднялся на 5 см. Определите расход жидкости в гидрав-лической системе.
12. Центр сечения трубопровода расположен на высоте 30 см относитель-но нулевой линии отсчѐта. Уровень жидкости в пьезометре 90 см. Определите давление в трубопроводе.
8
Лабораторная работа № 2
ТАРИРОВАНИЕ РАСХОДОМЕРА ВЕНТУРИ
Цель работы: изучение конструкции и принципа действия расхо-домера Вентури и определение его характеристик на основании опытных данных.
Конструкция и принцип работы расходомера Вентури
Конструкция расходомера Вентури приведена на рисунке 1.
Рис 1. Конструкция расходомера Вентури
Расходомер Вентури состоит из участков 1 и 2 диаметром d1=20 мм и участка 3 диаметром d2=10 мм, соединѐнных между собой коническими участками 4 и 5. Посредством резьбы участки 1 и 2 подсоединяются к гидравлической системе. Отверстия 6 и 7 служат для подключения пьезо-метров. На рис. 2 приведена схема, раскрывающая принцип работы рас-ходомера Вентури.
Рис 2. Схема действия расходомера Вентури
Z
Z1 Z2 1 2
v1 v2
P1 P2
P1/ρg P2/ρg
v12/2g
v22/2g
Δh
0
Линия полного напора
9
Действие расходомера Вентури описывается уравнением Бернулли:
,22
222
2
211
1gg
PZ
gg
PZ
vv
(2.1)
где Z1, Z2 – геометрические напоры;
g
P
g
P
21 , – пьезометрические напоры;
gg 2,
2
22
21 vv
– скоростные напоры;
Индексы: 1 – сечение 1, 2 – сечение 2.
Скорости жидкости в сечениях 1 и 2 связаны уравнением неразрыв-
ности потока
2
112211A
AAAQ v v;vv 2 , (2.2)
где 4
21
1d
A
– площадь сечения 1; 4
22
2d
A
– площадь сечения 2;
Q – расход жидкости через расходомер.
Учитывая, что 12
1 A
A, имеем 21 vv и, следовательно,
gg 22
22
21 vv . Это
означает, что уровень жидкости в пьезометре 2 будет ниже, чем в пьезо-
метре 1, как и изображено на рис. 2. Из рис. 2 имеем:
,2
v
2
1v
2
v
2
v 2
1
2
2
11
2
1
2
2
ggA
A
ggh
1
2v
2
2
1
2
A
A
hg
(2.3)
Теоретический расход жидкости через расходомер
,
1
2v
2
2
1
1
11 ha
A
A
hgAAQт
(2.4)
где
1
2
2
2
1
1
A
A
gAa – теоретическая конструктивная постоянная расходомера.
10
Так как в расходомере имеют место потери напора, неточности раз-
меров при изготовлении, то действительная конструктивная постоянная
расходомера Вентури и, следовательно, действительный расход будут не-
сколько отличаться от теоретического.
В лабораторной работе действительная конструктивная постоянная
расходомера Вентури определяется опытным путѐм. Если измерить рас-
ход жидкости Q через расходомер Вентури и потери напора Δh на нѐм, то
действительная конструктивная постоянная расходомера определяется
выражением:
h
Qa
(2.6)
Порядок выполнения работы
1. Включить подачу воды из водопровода и заполнить напорный бак 1 до
начала сброса воды через водослив.
2. Открыть вентили 17, 6, 8, 11 и заполнить гидравлическую систему тру-
бопроводов водой. Закрыть вентиль 11 и проверить показания пьезо-
метров 5 расходомера Вентури: уровни жидкости в пьезометрах долж-
ны быть на одной высоте, в противном случае удалить воздух из под-
соединительных трубок и пьезометров.
3. Открыть вентиль 11 и установить минимальный расход воды. Опреде-
лить действительный расход жидкости с помощью мерного бака 14 и
секундомера, а также снять показания с пьезометров 5. Данные изме-
рений опыта внести в таблицу.
4. Повторить п. 3 (5 опытов) последовательно увеличивая расход жидкости
с помощью вентиля 11. Данные измерений внести в таблицу.
5. Рассчитать действительную постоянную а расходомера Вентури из соот-
ношения (2.6) для каждого опыта и определить еѐ среднее значение аср.
6. Рассчитать и построить график тарировочной зависимости расходоме-
ра Вентури haQ ср .
7. Оформить отчѐт лабораторной работы. Отчѐт должен содержать цель
работы, таблицу результатов опыта, тарировочный график расходоме-
ра и выводы.
Контрольные вопросы
1. Устройство расходомера Вентури.
2. Уравнения Бернулли и неразрывности потока как основа действия
расходомера Вентури.
3. В чѐм смысл отличия теоретической и действительной постоянных
расходомера Вентури?
4. Для чего необходим тарировочный график расходомера Вентури?
11
Отчѐт по лабораторной работе №2 Тарирование расходомера Вентури
Цель работы: __________________________________________________ _______________________________________________________________
Данные измерений и результатов расчѐта
Параметры Опыты
1 2 3 4 5
Высота воды в мерном баке, см Объем воды, см
3. Sбака=375 см
2
Время наполнения контрольного объѐма, с
Действительный расход жидкости, gQ , см3/с
Показание пьезометра в сечении 1—1, см Показание пьезометра в сечении 2—2, см Разность показаний пьезометров, h, см Действительная постоянная расходомера, а, см
2,5/с
Среднее значение аср , см2,5
/с
Тарировочная зависимость haQ ср , см3/с
Рис. 3. Тарировочный график расходомера Вентури
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0 1 2 3 4 5 h,см
Q, см3/с
Выводы:_______________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Работа выполнена ―____‖ __________________ 200___ г.
12
Лабораторная работа № 3
ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ ДВИЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ
Цель работы: изучение ламинарного и турбулентного режимов дви-жения жидкости в трубопроводе.
Общие сведения
Различают два режима движения жидкости: ламинарный и турбу-лентный.
При ламинарном (от лат. laminare – слоистый) режиме жидкость движется отдельными параллельными струями, не перемешиваясь между собой.
При турбулентном (от лат. turbulentus – бурный, беспорядочный) режиме, струи жидкости перемешиваются между собой.
В 1883 году английский физик О. Рейнольдс теоретически обосновал закономерности ламинарного и турбулентного режимов движения жидко-сти. Существование ламинарного и турбулентного режимов движения жидкости определяется безразмерным параметром:
,v
Re
d
(3.1)
где v – скорость движения жидкости; d – диаметр трубопровода; – кинематическая вязкость жидкости.
Впоследствии данный безразмерный параметр получил название число Рейнольдса.
Кинематическая вязкость воды при температуре t рассчитывается по формуле
.00022,0037,01
0178,02tt
t
(3.2)
По данным О. Рейнольдса имеется некоторое критическое число
Рейнольдса Reкр, при котором режим ламинарный переходит в турбулент-ный и наоборот. Для труб круглого сечения Reкр=2320. Ламинарный режим характеризуется условием
2320Rev
Re кр
d
. (3.3)
Турбулентный режим характеризуется условием
2320Rev
Re кр
d
. (3.4)
13
Знание режимов движения жидкости является важным, так как при различных режимах движения наблюдаются свои закономерности потерь напора и давления:
– при ламинарном режиме потери пропорциональны скорости vAh ; – при турбулентном режиме
nBh v , где A, B – коэффициенты пропорциональности; n – показатель, зависящий от степени турбулизации потока.
Порядок выполнения работы
1. Закрыть вентили 8, 11, 13, 17, включить подачу воды из водопровода и
заполнить напорный бак 1 до начала сброса воды через водослив. 2. Открыть вентили 6, 8, 11, обеспечив устойчивый расход жидкости. 3. Резко открыть и закрыть краник 3, направив в поток каплю подкра-
шенной жидкости. По характеру движения подкрашенной жидкости убедиться, что режим ламинарный (слои покрашенной жидкости не размываются). Снять показания пьезометров 5 расходомера Вентури 10 и заполнить таблицу.
4. Увеличить расход воды, дополнительно открыв вентиль 11. Повторить п. 3, убедившись, что в прозрачном трубопроводе турбулентный режим (слои подкрашенной жидкости перемешиваются).
5. Рассчитать числа Рейнольдса для проведѐнных опытов и убедиться в правильности теории О. Рейнольдса.
6. Оформить отчет лабораторной работы. Отчет должен содержать цель работы, таблицу измерений и результатов расчета, выводы. Контрольные вопросы
1. Назовите виды режимов движения жидкости. В чем их особенности? 2. Какова роль числа Рейнольдса для инженерных расчетов? 3. От каких параметров зависит режим движения жидкости? 4. Укажите критическое значение числа Рейнольдса для круглых трубо-
проводов. 5. По трубопроводу диаметром d=20 мм движется минеральное масло с
расходом Q=0,628 дм3/с. Изменится ли режим движения, если темпера-
тура масла увеличилась от температуры t=20оС, υ20=32 сСт до темпера-
туры t=70оС, υ20=8 сСт?
14
Отчѐт по лабораторной работе № 3
Исследование режимов движения жидкости
Цель работы __________________________________________________ ______________________________________________________________
Данные измерений и расчѐтов
Параметры
Опыты
1 2
Разность показаний пьезометров расходомера Вентури 5h , см
Расход жидкости 5haQ ср , см3/с
Скорость v, см/с
Вязкость жидкости при температуре Ct ____ , ,Ст
Число Рейнольдса, Re
Режим движения
Расчѐты числа Рейнольдса:
Опыт 1 Re= Опыт 2 Re= Выводы: _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Работа выполнена ―____‖ __________________ 200___ г.
15
Лабораторная работа № 4
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ТРЕНИЯ В ТРУБОПРОВОДЕ
Цель работы: теоретическое и экспериментальное определение ко-
эффициента гидравлического трения в трубопроводе.
Общие сведения
Потери напора по длине трубопровода определяются по формуле Дарси – Вейсбаха
gdh
2
v2
где h – потери напора по длине, м; – коэффициент гидравлического трения; d, l – диаметр и длина трубопровода, м; v – скорость потока жидкости, м/с. При ламинарном режиме движения жидкости коэффициент гидрав-
лического трения определяют по формуле Дарси:
.Re
64
При турбулентном режиме движения коэффициент гидравлического трения определяется по следующим зависимостям:
– при 2320 < Re < 105 (гидравлически гладкие трубопроводы) по фор-
муле Блазиуса
,Re
316,04
(4.3)
– при Re >10
5 и 20d/э < Re < 500d/э (переход от гидравлически глад-
ких к гидравлически шероховатым трубопроводам) по формуле Аль-тшуля
,Re
6811,0
25,0
d
э (4.4)
где э – эквивалентная шероховатость трубопровода; – при Re >10
5 и Re > 500d/э (гидравлически шероховатые трубопро-
воды) по формуле Шифринсона
.11,0
25,0
d
э (4.5)
Таким образом, зная параметры трубопровода (d, , э), режим дви-жения жидкости – число Рейнольдса Re, можно теоретически определить
16
коэффициент гидравлического трения по одной из вышеперечисленных зависимостей (4.2)...(4.5).
Если известны параметры трубопровода (d, ), скорость жидкости v и величина потерь напора h , то коэффициент гидравлического трения λ определяется из формулы (4.1)
.2
2v
hgd (4.6)
Порядок выполнения работы
1. Закрыть вентили 8, 11, 13, включить подачу воды из водопровода и за-
полнить напорный бак 1 до начала сброса воды через водослив. 2. Открыть вентиль 11, обеспечив устойчивый расход жидкости через ис-
следуемый участок трубопровода 18. С помощью пьезометров 5 расхо-домера Вентури 10 произвести измерения расхода жидкости. Снять по-казания с пьезометров 5, определяющих потери напора в трубопроводе 18. Данные измерений внести в таблицу.
3. Повторить п.2 (3 опыта), изменяя расход жидкости в гидравлической системе. Данные измерений внести в таблицу.
4. Рассчитать скорость потока жидкости и экспериментальные значения коэффициента гидравлического трения. Параметры трубопровода 18 (d=0,8 см, =30см).
5. Определить режим движения жидкости и рассчитать теоретическое значение коэффициента гидравлического трения.
6. Данные расчѐтов внести в таблицу и сравнить экспериментальные и теоретические значения коэффициента гидравлического трения.
7. Оформить отчѐт лабораторной работы. Отчѐт должен содержать цель работы, таблицу измерений и результатов расчѐта, выводы. Контрольные вопросы
1. Физический смысл коэффициента гидравлического трения в трубопро-
воде. 2. Какими параметрами определяются потери напора в трубопроводе? 3. Какова зависимость коэффициента гидравлического трения от режимов
движения жидкости? 4. Как экспериментально определить коэффициент гидравлического тре-
ния? 5. Как теоретически рассчитать коэффициент гидравлического трения? 6. По трубопроводу диаметром d=100 мм и длиной l=100 м движется вода
с расходом Q=0,02 м3/с при температуре t=10
оС. Определить потери
давления и мощность, затрачиваемую на перемещение воды в трубо-проводе.
17
Отчѐт по лабораторной работе № 4 Определение коэффициента гидравлического трения в трубопроводе
Цель работы: __________________________________________________ _______________________________________________________________
Результаты измерений и расчѐта коэффициента гидравлического трения
Параметры Опыты
1 2 3
Разность показаний пьезометров 5 расходомера Вентури, 5h , см
Расход жидкости, haQ ср , см
Скорость потока жидкости, v, см/с
Потери напора в исследуемом трубопроводе 18, h ,см
Коэффициент гидравлического трения по экспериментальным данным,
Режим движения жидкости, Re
Теоретическое значение коэффициента гидравлического трения, Т
Расчѐты коэффициента гидравлического трения Т
Опыт 1 Re= Т= Опыт 1 Re= Т= Опыт 1 Re= Т= Выводы: ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________
Работа выполнена ―____‖ __________________ 200___ г.
18
Лабораторная работа № 5
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТОВ МЕСТНЫХ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ СОПРОТИВЛЕНИЙ
Цель работы: экспериментальное определение коэффициентов мест-
ных сопротивлений: колена, внезапного расширения трубы и вентиля.
Общие сведения
При движении реальной жидкости возникают местные потери напора в разного рода устройствах: кранах, задвижках, отводах, коленах, внезап-ных расширениях и сужениях трубы, тройниках и др., которые получили название местные сопротивления. Местные потери энергии (напора) воз-никают вследствие деформации потока: поворота, сжатия или расшире-ния, разделения потока.
Потери напора в местных сопротивлениях рассчитываются по фор-муле Вейсбаха:
,2
v2
max
ghM (5.1)
где – коэффициент местного сопротивления; v mах – максимальная скорость потока на входе или выходе местного
сопротивления. Ориентировочные значения коэффициентов местных сопротивлений
приводятся в справочной литературе в виде эмпирических формул, таб-лиц и графиков.
В инженерной практике довольно часто возникает необходимость определения коэффициентов местных сопротивлений опытным путем. При экспериментальном определении коэффициента местного гидравли-ческого сопротивления необходимо определение расхода жидкости и по-терь полного напора. На рисунке приведена схема, раскрывающая прин-цип измерения полного напора в местном сопротивлении.
В соответствии с уравнением Бернулли для реальной жидкости имеем:
HI=HII+hM , 5.2)
где HI, HII – полный напор в сечениях I, II, соответственно, до и после сопротивления;
hМ – потери напора в местном сопротивлении. Полная запись уравнения Бернулли:
,2
v
2
v 2
22
22
2
11
11 Mh
gg
PZ
gg
PZ
(5.3)
19
Схема измерения потерь полного напора
Учитывая, что Z1 = Z2 , имеем
,
2
vv 2
22
2
1121
gg
PPhM
(5.4)
где hg
PP
21 – разность показаний пьезометров;
– коэффициент Кориолиса; =2 – для ламинарного режима; =1,13 – для турбулентного режима.
Если v1=v2 , то hM=h.
Таким образом, чтобы определить опытным путѐм коэффициент местного сопротивления , необходимо: 1) измерить расход Q и разность показаний пьезометров h ; 2) рассчитать скорости 1v , 2v , определить 1Re , 2Re и принять соот-
ветствующие значения 1 , 2 ; 3) по зависимости (5.4) рассчитать потери напора в местном сопротивле-нии Mh ; 4) рассчитать коэффициент местного сопротивления
,v
22
max
Mhg (5.5)
где maxv – наибольшая из скоростей 1v , 2v .
v2 v1
hМ
1v12/2g
2v22/2g
h
H1 P1/g
P2/g
Q P1
P2
II
I Z1 Z2
0
20
Порядок выполнения работы 1. Закрыть вентили 8, 11, 13, включить подачу воды из водопровода и за-
полнить напорный бак 1 до начала сброса воды через водослив. 2. Открыть вентиль 11, обеспечив устойчивый расход жидкости через ис-
следуемый участок местных сопротивлений: двойное колено 20; вне-запное расширение 21 с параметрами d1=0,9 см, d2=1,9 см, вентиль 9. С помощью пьезометров 5 расходомера Вентури 10 произвести измере-ния расхода жидкости. Снять показания с пьезометров 5, определяю-щих потери на соответствующем местном сопротивлении.
Данные занести в таблицу. 3. Повторить п.2 (3 опыта), изменяя расход жидкости в гидравлической
системе. Данные измерений занести в таблицу. 4. Рассчитать 1v , 2v , 1Re , 2Re , 1 , 2 , Mh , . 5. Сравнить опытные значения коэффициентов местных сопротивлений
со справочными: - 1 колено 1,1 ;
- внезапное расширение
2
2
11
A
A;
- вентиль при полном открытии 0,5 . 6. Оформить отчѐт лабораторной работы. Отчѐт должен содержать цель
работы, таблицу измерений и результатов расчѐта, выводы.
Контрольные вопросы 1. Что понимается под термином местное гидравлическое сопротивле-
ние? 2. Как рассчитываются потери в местных гидравлических сопротивлени-
ях? 3. Как определяются коэффициенты различных местных сопротивлений
при расчѐтах гидравлических систем? 4. В чѐм заключается методика экспериментального определения коэф-
фициентов местных сопротивлений? 5. Через местное сопротивление с коэффициентом =2 движется вода.
Скорость на входе в местное сопротивление v1=5 м/с, на выходе v2=2 м/с. Определить потери напора и давления на местном сопротивлении.
6. Прямому трубопроводу диаметром d=50 мм, длиной l=20 м и λ=0,025 изменили трассу, выполнив два колена с коэффициентами местных сопротивлений =1,2. Определить, на сколько процентов увеличились потери напора и дав-ления в трубопроводе.
21
Отчѐт по лабораторной работе № 5 Определение коэффициентов местных
гидравлических сопротивлений
Цель работы:__________________________________________________ ______________________________________________________________
Результаты измерений и расчѐта коэффициентов местных сопротивлений
Параметры Опыты
1 2 3
Разность показаний пьезометров расходомера Вентури h5 , см
Расход жидкости 5haQ ср , с
см 3
Разность показаний пьезометровh , см
Колено Скорость v, см/с
Коэффициент местного сопротивления
Скорость v, см/с v1
v2
Внезапное Режим движения жидкости Re1
расширение Re2
Коэффициент Кориолиса 1
2
Разность показаний пьезометровh, см
Потери напора hМ , см
Коэффициент местного сопротивления
Разность показаний пьезометровh, см
Вентиль Скорость v, см/с
Коэффициент местного сопротивления
Выводы: _________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________
Работа выполнена ―____‖ __________________ 200___ г.
22
Лабораторная работа № 6
ИССЛЕДОВАНИЕ УРАВНЕНИЯ БЕРНУЛЛИ
Цель работы: исследование закономерностей изменения механической энергии жидкости вдоль потока в трубопроводе переменного сечения.
Энергетические характеристики потока. Уравнение Бернулли
Энергетическую характеристику потока можно выразить полной
энергией:
,2
v2m
g
PmgmgZE
(6.1)
где mgZ – потенциальная энергия положения частицы жидкости мас-
сой m , поднятой на вертикальную координату Z ; mg(P/ g) – потенци-
альная энергия давления (давление P способно поднять частицу в пьезо-
метре на высоту h= P/ g); m v 2/2 – кинетическая энергия частицы жид-
кости массой m, движущейся со скоростью v . Разделив уравнение (6.1) на mg , получим выражение, характеризующее удельную энергию, отнесенную к весу жидкости:
gg
PZ
mg
EH
2
v2
, (6.2)
где H – удельная полная энергия или полный напор, м; Z – удельная по-тенциальная энергия положения или геометрический напор, м; P/ g – удельная потенциальная энергия давления или пьезометрический напор, м; v
2/2g – удельная кинетическая энергия или скоростной напор, м.
Для частицы жидкости, находя-щейся в горизонтальном слое с координатой Z , давлением P и скоростью v , выражению (6.2) можно дать геометрическую ин-терпретацию (рис. 1). Поток жидкости в любом сече-
нии гидравлической системы ха-рактеризуется тремя параметрами:
- координатой центра сечения Z ; - давлением P ; - скоростью жидкости v .
v2/2g
H
P/g
0 Z 0
Рис. 1
23
Если пренебречь потерями энергии в гидравлической системе, то для любых двух произвольно взятых сечений можно записать:
H1=H2
.22
222
2
211
1gg
PZ
gg
PZ
vv
(6.3)
Выражение (6.3) называется уравнением Бернулли для идеальной жидко-сти. Из уравнения (6.3) видны следующие закономерности: - если площади сечений равны 21 AA , т.е. 21 vv , то с уменьшением Z
(понижением уровня сечения) увеличивается давление P и наоборот, однако сумма Z+P/ g остаѐтся величиной постоянной. Выражение Z+P/ g называют статическим напором (характеризует удельную полную потенциальную энергию);
- если 21 ZZ , то давление P будет зависеть от скорости v : при умень-шении площади сечения )( 12 AA увеличивается скорость )vv( 12 и, следовательно, уменьшается давление 12 PP (часть потенциальной энергии давления преобразуется в кинетическую энергию потока); при увеличении площади сечения )( 12 AA уменьшается скорость )vv( 12 и, следовательно, увеличивается давление 12 PP (часть кинетической энергии потока преобразуется в потенциальную энергию давления);
- если 21 ZZ и 12 AA , то все три параметра v,,PZ изменяются в соот-ветствии с уравнением Бернулли (6.3). С учетом потерь энергии в гид-равлической системе уравнение Бернулли для реальной жидкости принимает вид:
1221 hHH
12
2
22
22
2
11
11
2
v
2
vh
gg
PZ
gg
PZ
, (6.4)
где 12h – потери полного напора между сечениями 1 и 2; – коэффициент Кориолиса, характеризующий неравномерность
распределения скоростей по сечению потока; =1,13 – для турбулентного, =2,0 – для ламинарного режимов движения жидкости.
Потери полного напора 12h происходят в трубопроводах и в мест-ных сопротивлениях. При этом часть механической энергии потока пре-образовывается в тепловую энергию.
На рис. 2 приведена трасса исследуемой гидравлической системы. В лабораторной работе необходимо установить закономерности из-
менения статического Z+P/ g и полного Н напоров для шести сечений гидравлической системы при движении по ней потока жидкости и по-строить пьезометрическую и напорную линии.
24
Порядок выполнения работы 1. Закрыть вентили 8, 11, 13, включить подачу воды из трубопровода и
заполнить напорный бак 1 до начала сброса воды через водослив. 2. Открыть вентиль 11, обеспечив устойчивый расход жидкости через иссле-
дуемую гидравлическую систему. С помощью пьезометров 5 расходоме-ра Вентури 10 произвести измерение расхода жидкости. Снять показания с пьезометров исследуемого трубопровода. Данные занести в таблицу.
3. На рис. 2 исследуемой гидравлической системы отметить в масштабе геометрические и пьезометрические напоры в сечениях 1...6. Провести пьезометрическую линию по уровням показаний пьезометров.
4. Рассчитать скоростные напоры для каждого из сечений, отложить их в масштабе на рис. 2 и построить напорную линию.
5. Проследить и объяснить закономерности изменений статического и полного напоров при движении потока из сечения 1 к сечению 6.
6. Оформить отчѐт лабораторной работы. Отчѐт должен содержать цель ра-боты, таблицу измерений и результатов расчѐта, рис. 2 гидравлической системы с изображениями пьезометрической и напорной линий, выводы.
Контрольные вопросы 1. Каков физический смысл полного, геометрического, пьезометрическо-
го и скоростного напоров? 2. Объяснить рисунок формирования полного напора. 3. Записать и объяснить уравнение Бернулли для идеальной и реальной
жидкости. 4. Объяснить закономерность изменения статического и полного напо-
ров на каждом элементе (трубопровод, колено, внезапное расширение, вентиль) исследуемой гидравлической системы.
5. Какая линия называется пьезометрической? 6. Какая линия называется напорной? 7. По ступенчатому трубопроводу движется жидкость с расходом Q.
Изобразить вид напорной и пьезометрической линий.
Pвых=Pa
d1=d d2>d d3=d
P1
25
Отчѐт по лабораторной работе № 6 Исследование уравнения Бернулли
Цель работы __________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________________________________
Результаты измерений и расчѐта полного напора
Параметры Сечения
1 2 3 4 5 6
Геометрический напор Z , см
Пьезометрический напор P/ g, см
Статический напор Z+P/ g, см
Разность показаний пьезометров h5, см
Расход жидкости Q, см3/с
Скорость жидкости v, см/с
Режим движения Re
Коэффициент Кориолиса
Скоростной напор v2/2g, см
Полный напорH=Z+ P/ g+ v2/2g, см
Рис. 2. Графики напорной и пьезометрической линий
1 2 3 4 5 6
40
100
120
80
60
26
Выводы: ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Графический тест по индивидуальному заданию Построить напорную и пьезометрическую линии
Работа выполнена ―____‖ __________________ 200___ г.
27
Лабораторная работа № 7
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРУБОПРОВОДА
Цель работы: построение характеристики трубопровода и опреде-
ление его гидравлического сопротивления на основе экспериментальных данных.
Общие сведения
В гидравлических системах используются трубопроводы, содержа-щие участки труб различного диаметра, местные сопротивления и гидро-аппараты. При пропускании через трубопровод потока Q возникают поте-ри напора h. Зависимость суммарных потерь в трубопроводе от расхода называется гидравлической характеристикой трубопровода
,2aQh (7.1)
где a – гидравлическое сопротивление по напору. При последовательном соединении трубопроводов
iaa . (7.2)
Гидравлическое сопротивление простого трубопровода определяет-
ся по формуле Дарси – Вейсбаха:
,8
42
i
i
i
i
i
idgd
а
(7.3)
где i и di – длина и диаметр участков трубопровода; i – сумма местных гидравлических сопротивлений; i – коэффициент гидравлических потерь в трубопроводе.
Зная конструктивные параметры трубопроводов можно рассчитать гидравлические характеристики простых трубопроводов ai, суммарное гидравлическое сопротивление a, рассчитать и построить гидравлическую характеристику трубопровода.
Однако часто гидравлическую характеристику определяют экспери-ментальным путем. Для чего через трубопровод пропускают известный расход Q и измеряют суммарные потери в трубопроводе. Зависимость
)(Qfh определяет экспериментальную гидравлическую характеристи-ку трубопровода. Гидравлическое сопротивление определяется из соот-ношения (7.1)
2Q
ha
(7.4)
28
Порядок выполнения работы
1. Закрыть вентили 8, 11, 13, включить подачу воды из водопровода и за-
полнить напорный бак 1 до начала сброса воды через водослив. 2. Открыть вентиль 11, обеспечив устойчивый расход жидкости через ис-
следуемый трубопровод, включающий участки труб диаметрами 81 d мм и 192 d мм и местные сопротивления: два колена, внезапное
расширение, вентиль. С помощью пьезометров 5 расходомера Вентури 10 произвести измерения расхода жидкости. Снять показания с пьезо-метров в начале и в конце исследуемого трубопровода. Данные занести в таблицу.
3. Повторить п. 2 (3 опыта) увеличивая расход жидкости в гидравличе-ской системе. Данные измерений занести в таблицу.
4. Рассчитать Q , 1v , 2v , 1Re , 2Re , 1 , 2 и h .
gg
PZ
gg
PZh
2
v
2
v 2
21
22
2
11
11
5. Рассчитать экспериментальное значение гидравлического сопротивле-
ния трубопровода по формуле (7.4). 6. Построить график экспериментальной гидравлической характеристики
трубопровода )(Qfh (см. рисунок). 7. Рассчитать теоретическое значение гидравлического сопротивления тру-
бопровода по формулам (7.2) и (7.3). Сравнить теоретическое и экспери-ментальное значения гидравлического сопротивления трубопровода.
8. Оформить отчѐт лабораторной работы. Отчѐт должен содержать цель работы, , таблицу измерений и результатов расчѐта, график гидравли-ческой характеристики трубопровода, расчѐт теоретического значения гидравлического сопротивления трубопровода, выводы.
Контрольные вопросы
1. Что понимается под термином гидравлическая характеристика трубо-
провода? 2. Как рассчитать гидравлическую характеристику трубопровода? 3. Какова методика экспериментального определения гидравлического
сопротивления трубопровода? 4. От каких параметров зависит гидравлическое сопротивление трубопро-
вода? 5. Как изменится сопротивление трубопровода а и потери напора h , ес-
ли диаметр трубы увеличили в 1,5 раза? Коэффициент гидравлического трения λ считать постоянным.
29
Отчѐт по лабораторной работе № 7 Экспериментальное определение характеристики трубопровода
Цель работы ___________________________________________________ _______________________________________________________________
Результаты измерений и расчѐта гидравлической характеристики
трубопровода
Параметры Опыты
1 2 3
Разность показаний пьезометров расходомера h5,
см
Расход жидкости Q , см3/с
Показания пьезометров, см Z1+P1/g
Z2+P2/g
Скорость жидкости, см/с v1
v2
Режим движения Re1
Re2
Коэффициент Кориолиса 1
2
Потери полного напора h, см
Гидравлическое сопротивление a, с2/см
5
Гидравлическая характеристика трубопровода
0
20
40
60
80
100
120
140
160
0 10 20 30 40 50 60 70 80 Q,см3/с
Δh,см
Гидравлическая характеристика трубопровода
30
Выводы: ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________
Расчѐт теоретического значения сопротивления трубопровода Параметры первого простого трубопровода: d1=8 мм, 1 =40 см
λ1= 1 =
1
1
1
14
1
21
8
dgdа
Параметры второго простого трубопровода: d2=19 мм, 2 =50 см
λ2= 2 =
2
2
2
24
2
22
8
dgdа
а=а1+а2=
Работа выполнена ―____‖ __________________ 200___ г.
31
Лабораторная работа № 8
ИСТЕЧЕНИЕ ЖИДКОСТИ ИЗ ОТВЕРСТИЙ И НАСАДКОВ
Цель работы: определение коэффициентов расхода через отверстия и насадки.
Общие сведения
Задача об истечении жидкости через отверстия встречается доволь-
но часто в практических расчѐтах различных гидравлических устройств. На рис. 1а) представлена схема истечения жидкости через отверстие
в тонкой стенке. Малым называют отверстие, если его вертикальный ли-нейный размер менее 0,1 полного напора H перед отверстием; тонкой стенкой называют такую стенку, толщина которой не влияет на характер истечения жидкости <(1...1,5)d0.
Рис. 1. Схема истечения жидкости: а) через отверстие;
б) через внешний цилиндрический насадок
Расход жидкости через отверстие определяется по зависимости:
,200 gHSQ (8.1)
где 0S – площадь сечения отверстия;
0 – коэффициент расхода через отверстие, 0 =0,6...0,62;
H – полный приведенный напор перед отверстием, g
PHH
0
0 .
32
В технических системах требуется получение максимального расхо-да через сечение отверстия. Для увеличения расхода используют короткие патрубки различной конфигурации длиной (3...5) 0d , которые называют насадками.
На рис. 1б) изображена схема истечения жидкости через цилиндри-ческий внешний насадок.
В сечении сжатия струи будет максимальная скорость движения жидкости и, соответственно, пониженное давление. Вследствие этого происходит подсос жидкости из бака и дополнительный расход жидкости через отверстие.
Расход жидкости через насадки определяется по зависимости
,20 gHSQ H (8.2)
где H – коэффициент расхода через насадок. В гидравлических устройствах нашли применение различные типы
насадков (рис 8.2), которые позволяют получить эффект увеличения рас-хода или давления.
Рис. 2. Типы насадков:
а) цилиндрический внешний, 82,0H ;
б) цилиндрический внутренний, 71,0H ;
в) конический сходящийся (конфузор), 946,0H ;
г) коноидальный, 98,0H ;
д) конический расходящийся (диффузор), 5,0H
Порядок выполнения работы
1. Включить подачу воды из водопровода и заполнить напорный бак 1 до
начала сброса воды через водослив. Вентиль 11 должен быть закрыт. 2. Установить насадок 12 в виде малого отверстия в тонкой стенке. От-
крыть вентиль 13 таким образом, чтобы при устойчивом расходе жид-кости через отверстие пьезометр 16 показывал напор 50H см. Изме-рить расход жидкости через отверстие при помощи мерного бака и се-кундомера. Данные внести в таблицу.
3. Повторить п. 2 для различных типов насадков. Данные измерений вне-сти в таблицу.
33
4. Рассчитать и сравнить коэффициенты расхода через отверстие и насад-ки.
5. Сравнить опытные коэффициенты расхода со справочными данными (рис. 2).
6. Оформить отчѐт лабораторной работы. Отчѐт должен содержать цель работы, таблицу измерений и результатов расчѐта, выводы.
Контрольные вопросы 1. В чем отличие процессов истечения жидкости через отверстие и через
насадки? 2. Какие виды насадков вам известны и для чего они применяются? 3. От каких параметров зависит расход жидкости через отверстие и через
насадки? 4. Объясните причину отличия коэффициентов расхода для различных
типов насадков. 5. Конфузор заменили на коноидальный насадок. Как изменится величина
расхода?
34
Отчѐт по лабораторной работе № 8 Истечение жидкости из отверстий и насадков
Цель работы: __________________________________________________ _______________________________________________________________
Данные измерений и результатов расчѐтов коэффициентов расхода
Параметры
Типы насадков тонкая
стенка
Ци-
линдр
внеш-
ний
ци-
линдр
внут-
ренний
кон-
фу-
зор
конои-
даль-
ный
диф-
фу-
зор
Высота воды в мерном баке, см
Объем воды в мерном баке, см3
Время наполнения контрольного объѐма, с
Расход жидкости, см3/с
Напор перед отверстием (насадком), см
Диаметр отверстия, см
Площадь сечения отверстия, см2
Опытное значение коэффициента расхода
Справочное значение коэффициента расхода
Выводы: _______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________________________________
Работа выполнена ―____‖ __________________ 200___ г.
35
СОДЕРЖАНИЕ
Порядок работы в лаборатории «Гидравлика» ....................................................... 3
Лабораторная работа № 1. Изучение конструкции лабораторного стенда ......... 4
Лабораторная работа № 2. Тарирование расходомера Вентури ........................... 8
Отчѐт по лабораторной работе № 2 ....................................................................... 11
Лабораторная работа № 3. Исследование режимов движения жидкости .......... 12
Отчѐт по лабораторной работе № 3 ....................................................................... 14
Лабораторная работа № 4. Определение коэффициента гидравлического трения в трубопроводе ............................................................................................ 15
Отчѐт по лабораторной работе № 4 ....................................................................... 17
Лабораторная работа № 5. Определение коэффициентов местных гидравлических сопротивлений ............................................................................ 18
Отчѐт по лабораторной работе № 5 ....................................................................... 21
Лабораторная работа № 6. Исследование уравнения Бернулли ......................... 22
Отчѐт по лабораторной работе № 6 ....................................................................... 25
Лабораторная работа № 7. Экспериментальное определение характеристики трубопровода ............................................................................................................ 27
Отчѐт по лабораторной работе № 7 ....................................................................... 29
Лабораторная работа № 8. Истечение жидкости из отверстий и насадков ....... 31
Отчѐт по лабораторной работе № 8 ....................................................................... 34
Отметка выполнения лабораторных работ
Дата № лабораторной работы Подпись
преподавателя
Лабораторная работа №1
Лабораторная работа №2
Лабораторная работа №3
Лабораторная работа №4
Лабораторная работа №5
Лабораторная работа №6
Лабораторная работа №7
Лабораторная работа №8
36
Лабораторные работы по курсу «Гидравлика»
Руководство по выполнению и журнал лабораторных работ
Составитель Проценко Григорий Григорьевич
Редактор Л.Л. Шигорина
Компьютерная верстка Е.А. Ляшевской
Подписано в печать 16.03.04. Формат 60х84 1/16.
Бумага офсетная. Печать офсетная.
Уч.-изд. л. 2,5. Усл. печ. л. 2,1.
Тираж 140 экз. Заказ 117.
Цена договорная
Отпечатано в Издательском центре ЧИПС
454111 Челябинск, ул. Цвиллинга, 56