40

«Гидрогазодинамика» исследование кинематики и динамики потоков капельной жидкости

1. Устройство гидравлических лабораторных установок

Лабораторные работы по «Гидродинамике» выполняются на нескольких лабораторных установках.

1. Гидравлическая установка «Переносная гидравлическая лабо­ратория» (ПГЛ).

Внешний вид «ПГЛ» в рабочем положении представлен на рис. 1.1.1, а ее схема приведена на рис. 1.1.2.

ПГЛ состоит из напорного резервуара с панелью 2 на шарнирах, на которой располагаются шкала 3 и пьезометры 4.

Внутри резервуара имеется водосливная перегородка 18, разделяющая резервуар на две части: рабочую и сливную. К рабочей части подводится вода от водопроводного крана че­рез штуцер 19, из сливной части резервуара вода отводится через трубку 20 к стоку.

В одной стенке резервуара имеются 5 патрубков, к ним при помощи коротких резиновых трубок (длиной 4-5 см) присоединяются рабочие трубки: стеклянная 6, в патру­бок которой вставляется тонкая трубка с цветной жидкостью для подкра­шивания воды; металлическая переменного сечения 7; металлическая постоянного сечения 8; разъемная 9, состоящая из двух коротких трубок, меж­ду которыми помещается плексигласовый патрон 10 со встав­ленной в него диафрагмой с отверстием малого диаметра.

Рис. 1.1.1. Переносная гидравлическая лабо­ратория (ПГЛ)

Рис. 1.1.2. Схема переносной гидравлической лабо­ратории (ПГЛ)

На трубках 7, 8, 9 имеются штуцера 11 для присоедине­ния их к пьезометрам посредством резиновых трубок 12. Все рабочие трубки опираются на подставку 13 и заканчиваются пробковыми кранами 14.

В другой стенке резервуара имеются отверстие 17 и насад­ки 15 и 16, закрываемые резьбовыми крышками.

2. Гидравлическая установка «Экспериментальная иллюстрация уравнения Бернулли».

С использованием лабораторной установки «Экспериментальная иллюстрация уравнения Бернулли» могут выполняться лабораторные работы № 2-4.

Внешний вид лабораторной установки «Экспериментальная иллюстрация уравнения Бернулли» в рабочем положении представлен на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Лабораторная установка «Экспериментальная иллюстрация уравнения Бернулли»

Лабораторная установка «Экспериментальная иллюстрация уравнения Бернулли» состоит из напорного резервуара 1, каналом переменного сечения 2 с пьезометрами 3 и трубками Пито 4.

Напорный резервуар наполняется водой насосом, который подает воду из внутреннего автономного резервуара. В правой стенке резервуара имеется отверстие, к которому подсоединен канал переменного сечения, закрепленный наклонно.

В пяти сечениях канала подсоединены по две стеклянные трубки (6,7). Левая трубка (6) является пьезометром, предназначенным для измерения пьезометрического напора (удельной потенциальной энергии давления), правая - трубкой полного гидродинамического напора (7), предназначенной для измерения суммы удельной потенциальной кинетической энергии потока в рассматриваемом сечении. Разность уровней подъема жидкости в этих трубках будет равна удельной кинетической энергии или скоростному напору , зная который можно вычислить скорость движения потока в рассматриваемом сечении. Все трубки смонтированы на щите. Вдоль трубок имеются шкалы для определения с помощью кареток 8 уровней подъема жидкости в них.

Все отсчеты ведутся от горизонтальной плоскости сравнения, каковой является плоскость крышки напорного резервуара 1.

Для измерения геометрической высоты расположения над плоскостью сравнения центров тяжести сечений канала z имеются в каждом сечении линейки 5.

Визуализация потока жидкости, протекающей в канале переменного сечения, достигается за счет прозрачной стенки, выполненной из органического стекла.

Создание в канале переменного сечения установившегося движения жидкости достигается поддержанием постоянного уровня воды в напорном резервуаре 1 с помощью сливной трубы 9 для сброса избыточной жидкости. Регулирование скорости в канале осуществляется краном 10.

Органы управления лабораторной установкой расположены на передней панели и включают:

маховичок регулирования подачи воды в напорный резервуар;

маховичок регулировочного крана перелива воды;

маховички кранов для слива воды из мерного бачка;

глазок контроля уровня воды в баке;

шкала наполнения мерного бака;

маховичок крана на выходе из канала переменного сечения;

каретки для фиксирования положений линии гидродинамического напора и пьезометрической линии;

кран слива жидкости из бака;

сигнальная лампочка сети;

рычажок автомата включения насоса.

3. Гидравлическая установка «Определение коэффициентов гидравлического трения».

С использованием лабораторной установки «Определение коэффициентов гидравлического трения» может выполняться лабораторная работа № 6.

Внешний вид лабораторной установки «Определение коэффициентов гидравлического трения» в рабочем положении представлен на рис. 1.3.

Лабораторная установка «Определение коэффициентов гидравлического трения» состоит из напорного резервуара 1, трубки постоянного сечения 2, панели пьезометров 3, мерной емкости 4.

Напорный резервуар наполняется водой насосом, который подает воду из внутреннего автономного резервуара. При работе насос через кран перекачивает рабочую жидкость в напорный бак. В напорном баке уровень контролируется сливной трубой, через которую избыточная рабочая жидкость сливается в бак. Слив рабочей жидкости из бака - через кран. С передней стороны напорный бак закрыт прозрачной стенкой, которая позволяет визуально наблюдать уровень воды.

В правой стенке резервуара имеется отверстие, к которому подсоединена трубка постоянного сечения. На трубке постоянного сечения имеются штуцера для присоедине­ния их с помощью резиновых трубок к пьезометрам. Пьезометры (10шт.) установлены на панели, где закреплены мерные линейки для определения уровней воды.

Рис. 1.3. Лабораторная установка «Определение коэффициентов гидравлического трения»

На передней панели размещены маховики управления краном подвода, краном слива из мерного бачка и краном слива воды из исследуемой трубы.

Мерный бачок имеет перегородку, контролирующую сливной уровень, через который вода по трубе сливается в бак. Рабочий уровень в мерном бачке контролируется визуально по шкале. Слив из трубопровода осуществляется через трубу в мерный бачок.

4. Гидравлическая установка «Истечение жидкости из отверстий и насадок».

С использованием лабораторной установки «Истечение жидкости из отверстий и насадок» выполняются лабораторные работы № 7-8.

Внешний вид лабораторной установки «Истечение жидкости из отверстий и насадок» в рабочем положении представлен на рис. 1.4.

Рис. 1.4. Лабораторная установка «Истечение жидкости из отверстий и насадок»

Лабораторная установка «Истечение жидкости из отверстий и насадок» состоит из напорного резервуара 1, мерной емкости 2, расположенной в нижней части установки, кронштейна с уровнемерами 3.

Напорный резервуар наполняется водой насосом, который подает воду из внутреннего автономного резервуара. В правой стенке резервуара имеется резьбовое отверстие, куда ввинчиваются сменные насадки.

Напорный резервуар имеет переливную трубу, обеспечивающую наибольший напор (500 мм), и прозрачную стенку с четырьмя рисками, предназначенными для проведения опытов при четырех различных напорах. Высота уровня жидкости, соответствующая этим рискам, составляет 250, 300, 400 и 500 мм. Кроме того, эта стенка снабжена непрерывной вертикальной шкалой для фиксации любого уровня. Постоянство напора может быть обеспечено регулировкой краном 8 подачи жидкости в бак, равной истечению из отверстия или насадки.

Мерная емкость имеет три резервуара прямоугольной формы с мерными линейками, которые позволяют определять уровни воды в соответствующем резервуаре.

Уровнемеры для замера траекторий струи выполнены в виде измерительных игл, двигающихся с помощью резьбовой линейки в вертикальной плоскости. Уровнемеры имеют мерную шкалу, что позволяет определять высоту отклонения струи жидкости от горизонтальной оси при ее истечении из напорного резервуара.

Органы управления насосной установкой расположены на передней панели и включают: маховики кранов для слива воды из мерного бачка; маховик регулирования подачи воды в напорный резервуар; глазок контроля уровня воды в баке; винты регулирования горизонтального уровня воды в баке; шкала наполнения мерного бака; маховики управления мерными иглами; кран слива жидкости из бака; сигнальная лампочка сети; рычажок автомата включения насоса.

Лабораторная работа №1

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ ВЕЛИЧИНЫ ГИДРОСТАТИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ В ТОЧКЕ (ИЛЛЮСТРАЦИЯ ЗАКОНА ПАСКАЛЯ)

Вводная часть. Гидростатическим давлением называют нормальное сжимающее напряжение, возникающее в покоящейся жидкости под действием поверхностных и массовых сил,

, (1.1)

где - элементарная равнодействующая поверхностных и массовых сил (гидростатическая сила), Н;

- элементарная площадка действия, м².

Из формулы (1.1) видно, что гидростатическое давление есть предел отношения элементарной гидростатической силы к элементарной площади действия , когда последняя стремиться к нулю.

За единицу гидростатического давления принято равномерно распределённое давление, создаваемое силой в 1 Н, на площади в 1 м², т.е. (один Паскаль).

Гидростатическое давление, отсчитываемое от нуля, называют абсолютным ( ), а отсчитываемое от атмосферного ( ) – избыточным ( ), следовательно

, (1.2)

Очевидно,

. (1.3)

В гидравлических расчётах величину нормального атмосферного давления считают равной =98100 Па.

Из формулы (1.3) видно, что в зависимости от соотношения между и избыточное давление может быть и положительной, и отрицательной величиной. Положительное избыточное давление называют манометрическим, а отрицательное – вакуумметрическим. Приборы, применяемые для измерения + и - , называют соответственно манометрами и вакуумметрами.

По принципу действия манометры и вакуумметры делятся на две группы: жидкостные и механические.

Жидкостный манометр (пьезометр) представляет собой стеклянную трубку, верхний конец которой открыт в атмосферу, а нижний присоединён к точке, где измеряется манометрическое давление.

Манометрическое давление, выраженное через показания манометра, равно:

, (1.4)

где - объемный вес жидкости;

- пьезометрическая высота, т.е. высота, отсчитываемая от точки подключения пьезометра до уровня жидкости в нём.

Действие механических приборов основано на деформации под действием давления упругого элемента (пружины или мембраны). Заметим, что пружинный манометр показывает давление в точки жидкости на уровне оси вращения его стрелки. Если высотное положение оси вращения стрелки и точки подключения манометра не совпадает (рис 1.1), в показание манометра ( ) вводят поправку ( ).

Для случая, изображённого на рис.1.1,

, (1.5)

где - превышение оси вращения стрелки манометра над точкой его подключения, М.

Рис 1.1 Схема установки для экспериментального подтверждения

закона Паскаля.

В данной лабораторной работе предусмотрено измерение манометрического давления пружинными манометрами.

Когда на покоящуюся жидкость действует только сила тяжести, распределение гидростатического давления по глубине (рис. 1.2) описывается основным уравнением гидростатики:

, (1.6)

где - гидростатическое давление в жидкости на глубине , Па;

- внешнее давление, т.е. гидростатическое давление на свободной поверхности жидкости, Па;

- глубина погружения в жидкость рассматриваемой точки, М;

- весовое давление, т.е. гидростатическое давление, создаваемое весом столба жидкости, Па.

Из уравнения (1.6) видно, что при и давление с изменением величины изменяется по линейному закону (см. рис. 1.2). Вычислив по уравнению давление в двух точках, заглублённых на разную величину , можно построить диаграмму распределения гидростатического давления по глубине, называемую эпюрой гидростатического давления (см. рис. 1.2).

Из уравнения (1.6) следует, что внешнее давление в покоящейся жидкости передаётся во все точки её объёма без изменения (см. рис. 1.2). Это следствие, вытекающее из уравнения (1.6), называют законом Паскаля. Справедливость этого закона предстоит проверить опытным путём в данной работе.

Цель работы: 1. Измерить с помощью пружинных манометров гидростатическое давление в трёх точках (А, В, С), заглублённых на различную величину под уровень жидкости, находящейся в абсолютном покое под действием силы тяжести;

2. Подтвердить на основании опытных данных закон Паскаля;

3. Построить по данным опыта №2 в масштабе эпюру манометрического давления по глубине .

Рис 1.2 К закону Паскаля и его экспериментальному подтверждению

Описание установки. Установка (см. рис. 1.1) представляет собой толстостенный стальной цилиндр 1, частично заполненный водой, уровень которой измеряется водомерной трубкой 5 со шкалой 4.

Для изменения гидростатического давления над свободной поверхностью жидкости (в т. А) и в точках В и С, заглублённых под уровень соответственно на и , подключены пружинные манометры , , .

В пространство над свободной поверхностью можно подавать сжатый воздух от компрессора (на рис. не показан) по трубопроводу 3 открытием вентиля 7. Для сброса избыточного гидростатического давления в цилиндре служит вентиль 6. В крышке цилиндра имеется предохранительный клапан 2, отрегулированный на давление 500 кПа.

Порядок выполнения работы и обработка опытных данных

Необходимо выполнить два опыта, обеспечив в первом , а во втором - .

Опыт №1. Открыть вентиль 6, для обеспечения , далее, измерить с помощью водомерной трубки 5 и шкалы 4 глубины погружения и точек В и С, а также превышения и осей вращения стрелок манометров и над точками их подключения. Затем измерить показания всех трёх манометров ( , , ). Полученные данные записать в таблицу 1.1 (графы 4 и 6).

Опыт №2. Закрыть вентиль 6, а вентиль 7, открыть. Затем включить компрессор и для подачи сжатого воздуха в цилиндр 1. Довести до величины, указанной преподавателем, после чего компрессор отключить. Далее, измерить одновременно показания манометров . Результаты измерений записать в графу 5 таблицы 1.1. Открыть вентиль 6 для сброса давления сжатого воздуха.

Выполнить все вычисления, предусмотренные таблицей 1.1. Дать заключение по результатам работы.

Таблица 1.1

№по зиций	Наименования и обозначения измеряемых и вычисляемых величин		Един. измерен.	Результаты измерений и вычисл.		Примечания
				Опыт № 1	Опыт № 2
1	2		3	4	5	6
1	Показания манометров		Па
			Па
			Па
2	Избыточное гидростатическое давление в точках А, В, С		Па
			Па
			Па
3	Приращение избыточного гидростатического давления		Па
			Па
			Па
4	Средняя величина приращения избыточного гидростатического давления		Па
5	Относительные отклонения приращений давления в точках А, В, С от средней его величины.		-
			-
			-

Примечание к таблице 1.1

Индексы «1» и «2» у величин гидростатического давления (см. позицию 3 таблицы) обозначают номер опыта.

Основные контрольные вопросы

1. Что такое гидростатическое давление и каковы его свойства?

2. Поясните, что такое абсолютное и избыточное гидростатическое давление и какова связь между ними?

3. Объясните, что понимают под терминами: «внешнее давление» и «весовое давление»?

4. Напишите и поясните основное уравнение гидростатики.

5. Сформулируйте закон Паскаля.

6. Назовите приборы для измерения избыточного гидростатического давления и поясните принцип их действия.

7. Поясните, что такое пьезометрическая высота?

8. В чём состояло принципиальное отличие в условиях проведения первого и второго опытов?

9. Для чего нужно знать превышение оси вращения стрелки пружинного манометра над точкой его подключения?