8.4 Выводы

В выводах по работе следует сделать сопоставление полученных кривых с характеристиками, получающимися при расчетах шлюзов (смотри, например, Н.А. Панчурин. Сборник задач по гидравлике, ч. 1).

Лабораторная работа № 9 измерение продольных осредненных скоростей и пульсаций скорости в турбулентном потоке

9.1 Основные сведения из теории

Большинство воздушных и водных потоков, наблюдаемых в природе, являются турбулентными. Именно поэтому изучению и развитию теории турбулентности в гидромеханике уделяются первостепенное значение.

Движение потока в турбулентном состоянии отличается тем, что его частицы перемещаются не по параллельным (как при ламинарном движении), а по сложным, не повторяющимся траекториям. Такой неупорядоченный неустановившийся (нестационарный) характер движения происходит из-за непрерывного изменения (пульсаций) скоростей отдельных частиц как по величине, так и по направлению. Это приводит к интенсивному перемешиванию частиц потока и, следовательно, к более равномерному распределению скоростей, примесей и тепла по его сечению.

Изменение скоростей в любой точке турбулентного потока имеет случайный неустановившийся характер, но, тем не менее, на определенном временном интервале оно колеблется около какого-то значения, называемого осредненной скоростью в данной точке. На рис. 9.1 в качестве примера для одной из точек поперечного сечения потока показан график изменения во времени проекции на ось Х мгновенной скорости движения (ось Х является продольной координатой, совпадающей с направлением течения).

Рис. 9.1. Изменение продольной составляющей мгновенной скорости

Здесь — проекция на ось движения (продольная составляющая) мгновенной скорости;

— осредненная продольная скорость за достаточно большой промежуток времени Т, соответствующая по оси отсчету в некоторой точке потока из условия равенства положительных и отрицательных площадей;

— пульсационная скорость — отклонение продольной мгновенной скорости от ее среднего значения ; . Осредненная скорость определяется выражением:

.

Так как осредненное за период Т значение пульсационной скорости из-за равенства положительных и отрицательных заштрихованных на рис. 9.1 площадей, то за меру интенсивности пульсации скорости за этот период принимается среднеквадратическое ее значение, т. е. :

В лабораторной работе необходимо измерить, вычислить и проанализировать следующие характеристики напорного турбулентного потока:

1. Распределение продольных осредненных скоростей по сечению круглой трубы.

2. Распределение по сечению среднеквадратичных значений пульсации продольной скорости.

3. Среднюю скорость по измеренному перепаду напора и сравнить ее со значением, полученным при графической обработке эпюры скоростей.

4. Коррективы кинематической энергии α и количества движения по опытным данным и сравнить их со значениями, приведенными в теории.

9.2 Описание экспериментального стенда

Схема экспериментального стенда представлена на рис. 9.2.

Рис. 9.2. Схема экспериментального стенда по изучению турбулентности:

1 — вентилятор; 2 — всасывающий воздуховод; 3 — прямолинейный участок всасывающего воздуховода; 4 — дифференциальный манометр; 5 — прозрачная вставка; 6 — измерительный зонд

Он включает в себя вентилятор 1, всасывающая линия 2 которого включает в себя прямой горизонтальный участок трубы 3 с подключенным к нему дифференциальным манометром 4. В центре рабочего участка трубы вмонтирована прозрачная вставка 5, через которую в трубу введен измерительный зонд 6, перемещаемый по сечению трубы с помощью микрометрического винта.

Измерительный зонд входит в состав комплекса термоанемометрической аппаратуры, позволяющей фиксировать целый ряд кинематических характеристик турбулентного потока, проводить статистическую обработку измерений и регистрировать их в аналоговом, цифровом или графическом виде. В данной лабораторной работе используется блок, к которому подключается измерительный зонд, линеарезатор и два вольтметра. Показания одного из них (цифрового) пропорциональны осредненной скорости , а другого (стрелочного) — среднеквадратической пульсации в точке потока, где установлен измерительный зонд. Перемещение и установка измерительного зонда по сечению трубы осуществляется с помощью микрометрического приспособления с точностью 0,1 мм.

В виду симметрии кривой распределения скоростей по сечению потока достаточно провести измерения в пределах радиуса данного сечения. Измерения осуществляются в 8-ми точках через каждые 5 мм по радиусу, начиная от оси трубы. В каждой точке берутся отсчеты по обоим вольтметрам и заносятся в табл. 9.1, где Δ₁ — показание (отсчет) цифрового вольтметра, пропорциональное U_х; Δ₂ — показание (отсчет) стрелочного вольтметра, пропорциональное ; k₁ и k₂ — коэффициенты пропорциональности, зависящие от абсолютных значений измеряемых скоростей и пульсации, их значения задаются во время проведения эксперимента; у — расстояние от стенки трубы до точки, в которой производится измерение (так как диаметр трубы a=70 мм, то y=35 мм соответствует оси трубы).

Одновременно в табл. 9.1 записывается значение перепада напора с дифференциального манометра.

Таблица 9.1

Сводные данные измерений параметров турбулентного потока

№ п/п	y, мм	1	, м/с	Δ2	, м/с	, см
1	35
2	30
3	25
4	20
5	15
6	10
7	5
8	1