Экспериментальная установка
В экспериментальной установке, в соответствии с рисунком 3.1, вода из верхнего бачка 6 по стеклянной трубке 2 c диаметром d=16 мм поступает в нижний мерный бачок 8, из которого уходит на слив. В стеклянную трубку введена тонкая трубка 9, по которой поступает краситель из бачка. Для настройки и регулировки служат вентили 1, 3, 4, 5.
П Рисунок 3.1 - Общий вид и схема установки оследовательность проведения опыта
Поворотом рукоятки 5 против часовой стрелки открыть вентиль и наполнить бак 6 водой. Уровень воды в баке 6 поддерживается постоянным благодаря переливной трубке 7.
Далее открыть вентиль 3, приоткрыть вентиль 4, при этом вода движется по стеклянной трубке 2 с небольшой скоростью. Открывая вентиль 1, необходимо отрегулировать поступление краски в стеклянную трубку так, чтобы скорость выпускаемой краски была примерно одинакова со скоростью воды.
Струйчатое движение краски в трубке будет свидетельствовать о наличии ламинарного потока в стеклянной трубке. Измерить температуру воды в бачке 6.
Объемным способом измерить расход воды в стеклянной трубке. При закрытии вентиля 3 будет наполняться мерный бак. После некоторого произвольного наполнения бачка произвести отсчет по шкале указателя уровня с одновременным включением секундомера. Через некоторое время снова произвести замер по шкале и выключить секундомер.
После измерений объема вентиль 3 открыть. Медленно открывая вентиль 4 установить новый, несколько больший расход воды и все измерения повторить. При определенном положении вентиля окрашенная струйка начнет размываться, а затем растворится, что свидетельствует о переходе на турбулентный режим. Произвести замеры при таком состоянии потока. Рекомендуется провести 2 – 3 замера в ламинарной, 2 – 3 в переходной и 2 – 3 в турбулентной зоне с постоянным увеличением от опыта к опыту скорости, а следовательно, и критерия Re жидкости. Все данные измерений занести в табл. 3.1.
После проведения опытов прекратить подачу воды в бачок 6, слить воду и краску из установки. По измеренной температуре, пользуясь формулой Пуазейля, определить кинематический коэффициент вязкости воды. Пользуясь тарировочным графиком, в соответствии с рисунком 3.2, определить расход воды в стеклянной трубке. а затем по известным зависимостям - скорость жидкости и критерий Рейнольдса.
Таблица 3.1 - Определение характера движения воды
№ опыта |
Значение по шкале указателя уровня |
Объем воды м3 |
Время наполнения бака t, с |
Расход воды Q = (W2 – W1)/t, м3/с |
Скорость жидкости v = Q/ω, м/с |
Число Рейнольдса Re=v•d/ν |
Характер движения воды |
||||
n1 |
n2 |
W1 |
W2 |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Температура воды t = , oC, кинематический коэффициент вязкости ν, = м2/сек.
Рис. 3.2. Тарировочный график
По значениям вычисленных величин делается заключение о соответствии расчетных данных визуальным наблюдениям.
Контрольные вопросы
1. Режимы движения жидкости.
2. От чего зависит характер движения жидкости? Как определяется?
3. Критерий Рейнольдса при различных режимах течения жидкости.
4. Как определяется расход и скорость течения жидкости.
5. Как определить гидравлический радиус?
6. Критические числа Рейнольдса при различных условиях.
7. Что такое вязкость и от чего она зависит?
Лабораторная работа № 4
Экспериментальное определение коэффициента гидравлического трения
Задание
1. Определить опытные значения коэффициентов гидравлического трения для двух труб экспериментальной установки при трех различных расходах воды.
2. По этим же данным определить значения λ по графику ВТИ (приложение) и формулам.
3. Вычислить величину отклонения в процентах опытного, расчетного и взятого из графика значения λ.
Пояснение к работе
При исследовании гидравлических сопротивлений в лабораторных условиях наиболее часто пользуются экспериментальными установками, работающими на воде. Наряду с этим используют также установки, работающие на воздухе, что упрощает проведение опытов и создает большие возможности для исследования структуры потоков и визуальных наблюдений.
При исследовании гидравлических сопротивлений в потоках с малыми значениями критерия Рейнольдса в экспериментальных установках используют минеральные масла, водоглицериновые смеси и другие жидкости большой вязкости. Применение той или иной жидкости влияет на устройство экспериментальной установки, а также на выбор соответствующих измерительных средств.
Основными элементами установки, в соответствии с рисунком 4.1, являются: мерный бак, трубы с пьезометрами и вентилями. Питание установки осуществляется забором воды из достаточно большого резервуара. Рабочий участок трубопровода должен быть совершенно прямым, без дефектов и иметь длину l не менее 100 d, чтобы исключить влияние на его сопротивления различных местных особенностей (нарушение формы, размеров, различие в шероховатости поверхности и т. п.). Диаметр d трубы следует измерять более точно, поскольку получаемое из опыта значение коэффициента гидравлического трения λ пропорционально d5.
Рис. 4.1 - Схема экспериментальной установки для определения коэффициента сопротивления трения в трубах
Начало рабочего участка должно быть удалено от входа в трубопровод на расстояние не менее 50 d, чтобы устранить влияние начального участка на результаты опытов. Перед рабочим участком не должно быть также местных сопротивлений, нарушающих стабилизированное распределение скоростей потока, соответствующее режиму течения жидкости в трубе.
Расход измеряется с помощью мерного бака объемным способом. Регулирование расхода (скорости) воды осуществляется изменением степени открытия вентеля.
На трубопроводе, отводящем воду из рабочего участка трубопровода к мерному баку, имеется затвор (вентиль или задвижка) для регулирования режима работы системы.
При движении жидкости по трубам вследствие трения происходят потери напора. Потери напора на трение на участке трубы выражаются формулой (4.1)
, (4.1)
где 
- коэффициент гидравлического трения;
l - длина участка трубы;
- диаметр трубы;
- средняя скорость течения жидкости.
Существует ряд зависимостей для расчетного определения :
1)
ламинарный режим
, (4.2)
2) турбулентный режим - различают три области сопротивления
-
гидравлически гладких труб при
, (4.3)
-
доквадратичного сопротивления при
, (4.4)
-
квадратичных сопротивлений при
, (4.5)
где 
- абсолютная шероховатость трубы.
Трубы называются
гидравлически гладкими, когда толщина
ламинарной пленки у стенки
,
больше абсолютной шероховатости
.
В этом случае шероховатость скрыта под
ламинарной пленкой и не влияет на
движение. С увеличением числа Re ламинарная
пленка становится тоньше, и, когда
шероховатость полностью «обнажается»,
т.е. начинает омываться турбулентным
ядром потока, труба становится
гидравлически шероховатой.
В эксперименте потери напора находят из уравнения Бернулли, составленного для двух сечений трубопровода I-I и II-II, находящихся на расстоянии l друг от друга:
, (4.6)
откуда
. (4.7)
При горизонтальной
трубе z1=z2,
а при постоянном сечении трубы
,
тогда
. (4.8)
Заменяя
и
показаниями пьезометров, получим
. (4.9)
Коэффициент кинематической вязкости ( ) определяем по формуле:
, (4.10)
где t - температура воды, °С.
Коэффициент гидравлического трения (опытный) вычисляем по формуле:
. (4.11)