3. Экспериментальное определение режима движения жидкости в круглой трубе

Лабораторная работа выполняется на гидравлическом стенде №2, показанном на рис. 2. Схема установки показана на рис. 9.

Последовательность действий:

1) заполните напорный резервуар водой, включив насос тумблером 7 (рис. 2). Кран 6 должен быть открыт;

2) удалите пузырьки воздуха из пьезометров, открывая и закрывая кран 5;

_{3) откройте немного кран 5 для создания минимального расхода}^. Кран ^{6 должен быть открыт;}

_{4) при установившемся режиме I измерьте расход воды с помощью мерного бачка и секундомера. Для этого закройте кран 6 и, когда уровень в бачке поднимется до видимой нижней части шкалы водомерного стекла, снять снимите отсчет и включить включите секундомер. При подходе уровня к верхней части стекла снимите отсчет и выключите секундомер. Оба показания водомерного стекла и продолжительность замера по секундомеру запишите в табл. 5. Откройте кран 6;}

5) увеличьте расход воды с помощью крана 5 и повторите измерение расхода для режима II, результаты измерений занесите в табл. 5;

6) полностью откройте краны 5 и 6;

₇₎ при максимальном режиме III повторите измерение расхода, результаты измерений занесите в табл. 5.

Таблица 5

Результаты эксперимента

Параметр	H1, см	H2, см	ΔV, м3	t, с	W, м/c		Re		Режим движения
					Узкое сечение	Широкое сечение	Узкое сечение	Широкое сечение	Узкое сечение	Широкое сечение
режим I
режим II
режим III

4. Обработка результатов эксперимента

1. Определите для каждого из режимов:

– начальный V₁ и конечный V₂ объём воды в мерном баке по тарировочному графику (рис. 8);

– расход воды Q = (V₁ – V₂)/∆t, м³/с;

– среднюю скорость воды в опытной трубе в узком сечении

W_max = W_{1-4: 9-10} = 4Q/πd²₁

и в широком сечении

W_min = W_5-8 = 4Q/πd²₂;

– число Рейнольдса на участках 1-4 и 5-10

_;

– режим движения жидкости на участках 1-4 и 5-10.

2. Сделайте выводы.

Рис. 8. Тарировочный график для определения объёма воды в мерном бачке

Лабораторная работа №6 Определение коэффициента гидравлического трения и коэффициентов местных сопротивлений при напорном движении жидкости в трубоводе

1. Цель работы

Научиться измерять гидравлическое сопротивление трубопровода и оценивать влияние параметров потока и характеристик трубопровода на его величину.

2. Теоретические основы работы

При движении реальной жидкости часть энергии потока теряется на преодоление сил трения и местных препятствий на пути потока. Эти потери энергии проявляются в снижении полного напора вниз по потоку, что учитывается в уравнении Бернулли (6) членом р. Разность значений полного напора между двумя сечениями потока, называется гидравлическими потерями.

Существует два вида гидравлических потерь: потери на трение (потери по длине трубопровода) и местные гидравлические потери.

Потери напора на трение в трубах и каналах определяются выражением известным как формула Дарси

, Па или , м,

где λ — коэффициент гидравлического трения, который зависит от числа Рейнольдса и относительной шероховатости поверхности.

При ламинарном режиме движения (Re < 2300) .

При турбулентном потоке определение λ зависит от степени турбулентности.

Режим «гидравлически гладких» труб реализуется в диапазоне изменения чисел Рейнольдса 2300 ≤ Re ≤ 4000 или в случае, если .

При таком режиме движения поток характеризуется турбулентным ядром и ламинарным пристенным (пограничным) слоем, толщина которого больше высоты выступов шероховатости Δш.

В области «гидравлически гладких» труб коэффициент λ не зависит от шероховатости и определяется по формуле Блазиуса

В случае если реализуется зона «доквадратичного сопротивления». В этом диапазоне происходит развитое турбулентное движение, при котором толщина ламинарного вязкого подслоя имеет тот же порядок величины, что высота бугорков шероховатости. «Оголенные» выступы шероховатости создают дополнительные вихри и, следовательно, увеличивают сопротивление движению. Коэффициент λ зависит и от Re, и от шероховатости поверхности. Для этой области течения применима формула Альтшуля

.

При больших значениях Re ( высота бугорков шероховатости больше толщины вязкого ламинарного подслоя, бугорки обтекаются с отрывом и за ними образуются объемы с вихрями и пониженными давлениями. Коэффициент трения в этом случае практически не зависит от числа Re, и определяется только величиной относительной шероховатости. Это область квадратичного сопротивления (так как потери пропорциональны квадрату скорости). В этом случае для определения коэффициент гидравлического трения рекомендуется формула Шифринсона .

Средняя величина абсолютной шероховатости Δ_ш определяется по справочным данным, приведённым в табл. 6.

Кроме потерь напора на трение о стенки канала в реальных гидравлических системах возникают потери напора (энергии) на преодоление, так называемых, местных сопротивлений. Местными они называются потому, что реализуются на коротком участке трубопровода в местах каких-либо конструкционных нарушений прямолинейного однообразного протяжения трубы, например, при повороте потока, более или менее резком изменения формы и площади поперечного сечения канала, при прохождении потока через решётки, клапаны и т. п.

Таблица 6

Значение эквивалентной абсолютной шероховатости Δ_ш для труб из разных материалов

Материал и способ изготовления труб	Характеристика труб	Δш, мм (диапазон)	Рекомендуемые значения
Бесшовные стальные	Новые и чистые, тщательно уложенные	0,01 – 0,02	0,014
Стальные сварные	После нескольких лет эксплуатации	0,03 – 0,12	0,05
	С незначительной коррозией, после очистки	0,1 – 0,2	0,15
	Умеренно заржавленные	0,3 – 0,7	0,5
	Старые заржавленные	0,8 – 1,5	1,0
	Сильно заржавленные или с большими отложениями	2– 3	3
Стальные оцинкованные	Новые и чистые	0,1 – 0,2	0,15
	После нескольких лет эксплуатации	0,4 – 0,7	0,5
Чугунные	Новые асфальтированные	0,08 – 0,26	0,12
	Новые без покрытия	0,2 – 0,5	0,3
	Бывшие в эксплуатации	0,5 – 0,15	1,0
	Очень старые	До 3,0

Энергия, регистрируемая как потеря напора, затрачивается на образование вихрей и деформацию поля скоростей. В этих процессах одна форма механической энергии переходит в другую и частично в теплоту, что и определяет необратимость таких потерь. В практике гидравлических расчетов все местные потери напора обычно определяются по единой формуле, иногда называемой формулой Вейсбаха

(7)

или , (8)

где _i — коэффициент местного сопротивления, индекс i указывает на соответствующий номер местного сопротивления.

Значения определяются экспериментально или по справочникам гидравлических сопротивлений.