Лабораторная работа №2. Экспериментальное определение коэффициента сопротивления трения 

1. Цель и теоретические основы работы

1. Цель работы: а) получить зависимость коэффициента сопротивления трения жидкости в трубе из нержавеющей стали от числа Рейнольдса;

б) определить абсолютную эквивалентную шероховатость стенок трубы.

2. Теоретические основы.

Потеря энергии, возникающая при движении жидкости на прямых участках труб без местных сопротивлений, отнесённая к единице веса протекающей жидкости, называется потерей напора на трение. Она определяется по формуле Дарси:

, (2.1)

где  - коэффициент сопротивления трения,

l – длина трубы,

D – диаметр трубы,

V – средняя скорость течения жидкости.

Коэффициент  зависит от структуры потока в трубе, определяемой числом Рейнольдса и относительной гладкостью трубы . Здесь  - абсолютная шероховатость стенки (средняя высота гребешков шероховатости)

Число Рейнольдса:

, (2.2)

где D – диаметр трубы, м;

 - кинематический коэффициент вязкости жидкости, м²/с.

Число Re представляет собой безразмерную величину, характеризующую влияние сил вязкости на поток. На рис. 5 изображен график зависимости . Из графика следует, что при малых значениях числа Рейнольдса и большой относительной гладкости ,  зависит от числа Рейнольдса, но не зависит от шероховатости стенок трубы. Это гидравлически гладкие трубы. При больших значениях Rе коэффициент сопротивления трения  зависит от шероховатости стенки, но не зависит от Re. Эта область называется областью квадратичного сопротивления. Структура потока и коэффициент сопротивления трения  зависит не только от высоты гребешков шероховатости, но и от их формы. Поэтому за абсолютную шероховатость принимается так называемая эквивалентная шероховатость – это такая однородная зернистая шероховатость (с одинаковой высотой гребешков), которая в квадратичной области равноценна по гидравлическому сопротивлению данной неоднородной шероховатости.



Re

Рис. 5. Зависимость

2. Методика проведения эксперимента

Работа выполняется на гидравлической линии II (см. рис. 1). Схема участка трубопровода с мерным соплом приведена на рис. 6. Экспериментальное определение потерь на трение выполняется на прямолинейном участке круглой цилиндрической трубы длиной l=2730 мм и диаметром D = 21 мм.

Потеря напора на трение h_тр для горизонтального трубопровода равна разности гидростатических напоров в начальном и конечном сечениях трубопровода и определяется по показаниям подключенных манометров:

, (2.3)

где М – показания манометров, Па.

Рис. 2. Схема участка для определения коэффициента сопротивления трения

Расход воды определяется с помощью расходомерного устройства и подключенных к нему манометров по тарировочному графику .

2.1. Порядок проведения лабораторной работы.

1. Подготовить экспериментальную установку к работе и запустить насос.

2. Открыть регулировочные вентили 14 и 22 в напорной сети насоса.

3. Выбрать такое открытие вентиля, чтобы перепад показаний манометров соответствовал желаемому расходу (пользоваться тарировочным графиком из лабораторной работы №1).

4. Выдерживать заданный режим не менее 1 минуты.

5. Во время каждого опыта измерить:

M1 и M2 – на трубе, Па
M8 и M9 – на расходомерном устройстве, дел.

t – температура воды в установке, ^оС – в начале и в конце опыта, взять среднее значение.

6. Эксперимент повторить для различных расходов, охватывая максимальные числа Re. Измеренные величины занести в протокол испытаний.

2. Указания по обработке результатов и оформлению отчёта.

1. Определить расход Q по тарировочному графику расходомера

2. Определить среднюю скорость и скоростной напор на участке трубопровода диаметром D = 0,021 м и длиной l = 2,73 м

(2.4)

3. Коэффициент сопротивления трения

. (2.5)

4. Число Рейнольдса

(2.6)

где

D – диаметр трубы, м;

 - кинематический коэффициент вязкости воды, м²/с – определяется по графику =f(t), приведённому в приложении.

Обработка результатов проводится в табличной форме (см. приложение, протокол испытаний). Полученные значения  нанести на график зависимости , по графику определить относительную эквивалентную гладкость трубы . Затем вычислить абсолютную эквивалентную шероховатость стенок трубы .

2.3. Содержание отчёта по лабораторной работе №2

1. Протокол испытаний – на схеме установки отметить измерительные приборы и сечения, написать расчётные формулы с необходимыми пояснениями;

2. График зависимости с нанесёнными экспериментальными точками;

3. Выводы:

а)максимальные числа Re и зоны, для которых определены коэффициенты  (диапазон по Re), особенности полученного движения жидкости и необходимые условия для их существования (установившееся, равномерное, напорное, турбулентное, ламинарное, гладкие трубы, шероховатые);

б) сходимость полученной шероховатости стенок трубы с литературными данными.