МОСКОВСКИЙ

АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ

(ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к лабораторным работам

по общему курсу гидравлики

Москва 2011

МОСКОВСКИЙ

АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ИНСТИТУТ

(ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

Кафедра гидравлики

УТВЕРЖДАЮ

Зав. Кафедрой, профессор

________ С.П.Стесин

« ___ « _________ 2011 г.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к лабораторным работам

по общему курсу гидравлики

Москва 2011

УДК 627.133

ББК 26.222

Московский автомобильно-дорожный институт

(государственный технический университет), 2005

ИНСТРУКЦИЯ ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ

Правила работы на лабораторных установках

1. Запрещается студентам находиться в помещениях лаборатории гидравлики без сотрудников кафедры или лаборатории.

2. Лабораторные работы выполняются студентами в присутствии преподавателя и дежурного лаборанта.

3. Пуск и остановка лабораторной установки производится дежурным лаборантом.

4. К самостоятельным работам на лабораторных установках допускаются студенты, прошедшие инструктаж и ознакомление с порядком пуска, регулирования режима и остановки данной установки и расписавшиеся в журнале по технике безопасности.

5. Студенты, не прошедшие инструктаж, не допускаются к самостоятельным работам на установках.

6. Переход от одной установки к другой производится с разрешения преподавателя или дежурного лаборанта.

Запрещается при работе в лаборатории:

1. Выключать и включать рубильники.

2. Работать или находиться около силовых щитов лаборатории.

3. Курить.

4. Снимать и перевешивать предупреждающие и запрещающие плакаты.

5. Касаться одной рукой корпусов электрооборудования и линий заземления, а другой рукой – труб и металлических каркасов лаборатории.

6. Допускать перелив воды через борт лотка.

Студенты, не выполняющие данную инструкцию, удаляются из лаборатории гидравлики и допускаются в дальнейшем к учебным занятиям только с разрешения декана факультета.

Лабораторная работа № 1

ИЗМЕРЕНИЕ УРОВНЯ, ДАВЛЕНИЯ, СКОРОСТИ

И РАСХОДА ЖИДКОСТИ

Цель работы. Целью является измерение основных характеристик движения жидкости. Измерение уровня свободной поверхности в лабораторных условиях обычно необходимо в емкостях покоящейся жидкости, при движении в лотках, в вертикальных трубках простейших приборов – пьезометрах, вакуумметрах, дифференциальных манометрах.

Методика проведения и обработки экспериментов. С достаточно высокой точностью – до 0,1 мм уровень свободной поверхности можно измерить с помощью иглы 1 шпитценмасштаба (рис.1.1), перемещая каретку 2 прибора до касания иглы свободной поверхности потока, и читая отсчет: в миллиметрах по основной шкале 3 и десятые доли – по нониусу 4.

С помощью шпитценмасштаба можно измерять и отметки точек твердой поверхности, например, дна. В последнем случае глубина потока будет равна разности отметок свободной поверхности и дна лотка.

Наиболее простой способ фиксации уровня – с помощью шкалы водомерной трубки (рис.1.2,а). Отсчет в этом случае берется по низу мениска, обычно с точностью до 1 мм. Пьезометр – аналогичная водомерной вертикальная прозрачная трубка, присоединенная к исследуемой точке потока жидкости. Он позволяет измерить пьезометрическую высоту, пьезометрический напор и избыточное давление. Отметка уровня в пьезометре является показателем превышения давления над атмосферным, так как свободная поверхность в пьезометре находится под воздействием атмосферы. Вакуумметрическое давление, как перепад атмосферного давления в открытой емкости и пониженного по сравнению с ним в исследуемой точке, измеряется с помощью вакуумметра (рис.1.2,б).

Дифференциальный манометр предназначен для измерения перепада давления в двух исследуемых точках по разнице уровней h в правой и левой трубках (рис.1.2,в).

Отмеченные способы определения давления и его перепадов оправданы при относительно малых величинах определяющего их столба жидкости, обычно в пределах нескольких десятков сантиметров. Более широкие возможности имеют механические манометры и вакуумметры. Они изготавливаются заводским способом, и на их шкале указана цена деления. Показание стрелки с учетом цены дает значение давления в точке установки прибора. Принцип работы и устройство манометров и вакуумметров излагаются в соответствующих разделах курса.

Простейшее устройство для измерения скорости – трубка Пито (рис.1.3). Прибор состоит из двух трубочек, входные отверстия которых подведены к точке измерения скорости в потоке жидкости. Выходные части трубочек подсоединены к дифференциальному манометру. К плоскости входного отверстия правой трубки вектор измеряемой скорости в данной точке направлен по касательной, а левой трубки – по нормали. Поэтому уровень в правой трубке дифференциального манометра характеризует полную механическую энергию, а в левой – только потенциальную. Разность уровней h равна кинетической энергии U²/2g. С учетом коррекции этой связи с помощью коэффициента скорости   0,95…0,97 получаем возможность определения местной скорости

U = 2h. (1.1)

Определение расхода жидкости в подавляющем большинстве случаев одна из основных задач эксперимента. В лаборатории гидравлики МАДИ (ГТУ) на разных установках используется несколько способов определения расхода.

Объемный способ заключается в фиксации объема жидкости, протекающей в исследуемом потоке за заданный промежуток времени. Конкретно это сводится к определению объема W жидкости в мерном баке на момент начала эксперимента (см.табл.1.1), времени замера t и объема W после эксперимента (рис.1.2, а).

Таблица 1.1

№ опыта	W1, л	W2, л	t , c	W=W2 –W1	Q=W/t , л/с
1	2	3	4	5	6

Объем воды в баке устанавливается по шкале водомерной трубки, разградуированной в объемах мерной емкости. Расход получается от деления объема воды W, налитой в бак за время замера, на его продолжительность. На ряде установок расход определяется с помощью водослива с тонкой стенкой (рис.1.4, б), имеющего устойчивую связь Q = Q(H) (рис.1.4, в) между расходом и напором Н перед водосливом. В эксперименте замеряется иглой шпитценмасштаба отметка  свободной поверхности перед водосливом (на расстоянии 3…5 Н). Вычитая из нее заранее установленную отметку гребня водослива , получаем напор Н = - , и по нему на тарировочной кривой Q = Q (H) – расход.

Аналогичная связь Q = Q(h) существует из-за перепада давления под действием разницы центробежных сил на выпуклой и вогнутой стороне изогнутой части трубы (рис.1.4). Величина h, определяющая перепад давлений и разницу центробежных сил, для заданной конструкции зависит от расхода. При тарировке поворота как расходомера получают график Q = Q (h) или эмпирическую формулу Q = K h. Численный размерный коэффициент «К» следует взять с плаката к учебной установке, обратив при этом внимание на размерность Q и h.

а б в

Рис.1.1 Рис. 1.2

Рис. 1.3 Рис. 1.4

Лабораторная работа № 2

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ОСНОВНОГО

УРАВНЕНИЯ ГИДРОСТАТИКИ

Цель работы. Экспериментально обосновать основное уравнение гидростатики и гидростатический закон распределения давления в покоящейся жидкости. Для этого сопоставить пьезометрические напоры и давления в исследуемых точках покоящейся жидкости.

Методика проведения и обработки эксперимента.

Экспериментальная установка (рис.2.1) представляет собой сосуд, состоящий из двух отсеков, частично заполненных водой. При помощи сильфонов в правом отсеке создается избыточное (манометрическое) давление, а в левом – вакуумметрическое. К точкам А, В, С, Д в сосуде подключены пьезометры. Положительное избыточное давление на свободной поверхности в отсеках измеряется механическим манометром М, а вакуумметрическое (отрицательное избыточное давление) – вакуумметром V.

Для определения давления в любой точке покоящегося объема жидкости, например в точке А (рис.2.1), с помощью пьезометра делают два отсчета. Один – на уровне жидкости в пьезометре Zp, другой – на уровне исследуемой точки Z_A. По разности отсчетов Zp_A-Z_A рассчитывают избыточное давление с помощью закона гидростатического давления. Данные по измерению Z и вычислению Р в исследуемых точках А, В, С, Д записываются в табл.2.1. Сюда же заносятся соответствующие характеристики Zo b Po для точек Е и F свободной поверхности в левом и правом резервуарах. Итогом вычислений являются пьезометрические напоры в исследуемых точках свободной поверхности в обоих резервуарах и на глубине в точках А, В, С, Д.

Таблица 2.1

Исследдуе мые точки	Z, см	Zp, См	Zp-Z, см	P=g x (Zp-Z), кПа	P/g, см	Poι, кПа	Poװ, КПа	Z+P/g, См
1	2	3	4	5	6	7	8	9

При измерении избыточного давления с помощью манометра и вакуумметра необходимо снять показания с циферблата приборов и это будет давление Ро, Рoװ на свободной поверхности в сосуде.

Полученные из опыта геометрические Z и пьезометрические P/g высоты используются для доказательства основного уравнения гидростатики.

, (1)

где Z – расстояние от плоскости сравнения до рассматриваемой точки, которое называют высотой положения или геометрической высотой (удельная энергия положения); Р/g – пьезометрическая высота, отвечающая избыточному давлению в данной точке, или высота такого столба жидкости, который своим весом способен создать давление, равное избыточному давлению в рассматриваемой точке (удельная энергия давления); Нр – гидростатический напор (удельная потенциальная энергия – запас потенциальной энергии, отнесенной к единице веса покоящейся жидкости, относительно выбранной плоскости сравнения).

Согласно уравнению (1), полная удельная потенциальная энергия покоящейся жидкости величина постоянная, одинаковая для всех частиц жидкости, заключенной в данном объеме.