Порядок проведения работы
Лабораторная работа по определению режима движения производится на установке, схематически изображенной на рис. 3.1.
Водопроводная вода поступает в напорный бак с некоторым
избытком и протекает в стеклянную трубу внутренним диаметром 26 мм,
Рисунок 3.1. – Схема установки для определения режима
течения жидкости
а затем в приемный бак, откуда уходит в канализацию. В напорном баке установлена переливная воронка и успокаивающая перегородка. Над напорным баком расположен сосуд, из которого краска по тонкой трубке поступает в стеклянную трубку.
Исследование характера движения проводится при равномерном движении. Как известно, равномерным движением жидкости называют установившееся движение в трубопроводе, по длине которого средняя скорость движения остается постоянной.
Установившееся движение жидкости возможно в условиях постоянного напора и неизменных гидравлических сопротивлений системы. В этом случае объемный расход жидкости остается постоянным по времени. Постоянство напора в установке обеспечивается неизменным положением свободной поверхности в напорном баке, совпадающим с верхней кромкой переливной воронки. Напор в данном случае определяется вертикальным расстоянием от верхней кромки переливной воронки до выходного сечения трубопровода. Постоянство гидравлического сопротивления достигается неизменной степенью открытия во время опыта вентиля на конце трубопровода.
При проведении работы необходимо, по возможности, исключить побочные явления, вызывающие турбулизацию; так, успокаивающая перегородка предназначена для локализации возмущений, возникающих в напорном баке при поступлении воды.
Для начала работы необходимо установку наполнить водой и создать движение жидкости в трубопроводе, что осуществляется некоторой степенью открытия запорного крана.
Изменение скорости движения в стеклянной трубке достигается различной степенью открытия вентиля.
Установив малую степень открытия крана (при большом сопротивлении), получаем малую скорость движения. Одновременно с визуальным наблюдением за потоком определяется критерий режима движения, или число Рейнольдса. Для определения числа Рейнольдса необходимо измерить внутренний диаметр стеклянной трубки и вычислить среднюю скорость потока.
Среднюю скорость жидкости находят из уравнения неразрывности потока. Для этого необходимо определить расход жидкости, например, объемным методом:
(3.3)
где V - объем жидкости, набранной в мерный сосуд, м3;
- время, с.
Откуда:
(3.4)
где Q — объемный расход, или объем жидкости, протекающей через площадь живого сечения в единицу времени, м3/с;
S - площадь поперечного сечения гидропровода, м2;
- средняя скорость движения жидкости, м/с.
Если в начале опыта установлен ламинарный режим, то дальнейшие испытания проводят, увеличивая скорость движения (уменьшая сопротивление) до критического ее значения и далее до сверхкритического, при котором существует турбулентный режим движения.
Число Рейнольдса определяют по уравнению (3.1).
Кинематический коэффициент вязкости жидкости определяют по табл. 3.1 в зависимости от температуры t жидкости.
Таблица 3.1
t.0C |
, СМ2/С |
t,0C |
, cм2/с |
0 |
0,0178 |
20 |
0,0101 |
5 |
0,0152 |
30 |
0,0081 |
10 |
0,0131 |
40 |
0,0066 |
15 |
0,0114 |
50 |
0,0055 |
Значение критической скорости находят по уравнению (3.2). результаты испытаний и окончательные расчеты сводят в табл. 3.2.
Таблица 3.2
№ опыта |
Результаты наблюдений |
Вычисленные величины |
||||||||
|
Режим |
d, м |
V,м3 |
, 0С |
S, м2 |
Q, м3/с |
v, м/с |
v, м2/с |
Re |
Vкр,м/с |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Правила и порядок выполнения виртуальной работы
Виртуальная лабораторная установка для исследования режима движения жидкости изображена на рис. 3.2.
Кнопкой «Пуск воды» запустите процесс заполнения напорного бака и прозрачной горизонтальной трубы водой. После наполнения бака до верхнего уровня переливной воронки, приступайте к открыванию главного вентиля. Управлять вентилем можно как непосредственно одиночными щелчками левой кнопкой мыши, так и клавишей клавиатуры со стрелкой «вправо». Управляя степенью открытия вентиля, вы сможете только увеличивать скорость протекания воды. По техническим причинам демонстрационного ролика уменьшать поток в этой лабораторной работе нельзя. Если необходимо будет вернуться к меньшей скорости течения воды, придется воспользоваться кнопкой «сброс», повторить процесс наполнения бака водой и вновь установить нужную скорость.
Рис 3.2. Исходное состояние виртуальной лабораторной работы №3.
Для визуализации режима течения в трубе необходимо открыть вентиль, перекрывающий красящую жидкость, для чего достаточно кликнуть по нему левой кнопкой мыши. Этот вентиль откроется только в том случае, если главный вентиль будет открыт хотя бы на одно деление. Открыв вентиль красящей жидкости, можно будет наблюдать режим движения жидкости в прозрачной горизонтальной трубе. В зависимости от степени открытия главного вентиля можно будет наблюдать вначале ламинарный поток жидкости, который постепенно будет переходить в турбулентный. При этом ламинарным режимом нужно
считать только тот, при котором струя красящей жидкости в общем потоке абсолютно не искажается, а турбулентным - тот, при котором струя краски полностью размывается.
Для измерения скорости потока достаточно кликнуть левой кнопкой мыши по спускному клапану, после чего опорожнится мерный сосуд и автоматически запустится виртуальный таймер. При этом пользоваться любым другим таймером запрещается, ибо скорость воспроизведения ролика напрямую зависит от быстродействия конкретного компьютера и может весьма отличаться от реальной. Как только в мерном сосуде наберется достаточное количество воды, остановите таймер и занесите в табл. 3.2 измеренный объем воды и время таймера. Кроме того, в таблицу необходимо также внести температуру воды и диаметр прозрачной горизонтальной трубы.
Измерения повторяют как минимум для 5-ти - положений крана вентиля.
Далее переходите к вычислениям и заполните необходимые ячейки сводной таблицы.