РАБОТА № 28 ВОЛНОВОЕ ДВИЖЕНИЕ ЖИДКОСТИ.

ПОВЕРХНОСТНЫЕ ВОЛНЫ

Цель лабораторной работы

Получить графическую картину распространения прогрессивных волн и определить их основные параметры: высоту, длину, период и скорость распространения.

Описание учебно-лабораторной установки

Опыты с волнами проводятся в специальном лотке, выполненном из прозрачного материала (рис. 28.1). Волны создаются колебаниями пластины 2, приводимой в движение электродвигателем 3 с регулируемым числом оборотов. Для воспроизведения профиля волны установлены два датчика уровня 4 и 5. Датчики уровня действуют на принципе изменения электрического сопротивления между двумя электродами при изменении уровня жидкости в месте его установки. Электродами служат два проводника, закреплённые на малом расстоянии друг от друга на стержне, изготовленном из изоляционного материала. Схема расположения датчиков и генератора волн представлены на рис. 28.1. Каждый из датчиков подключается к усилителю, а затем производится запись изменения тока в цепи на экране компьютера с выводом на печать. По записи мгновенного уровня жидкости в месте установки датчика можно судить о высоте и частоте волн.

Рис. 28.1. Специальный лоток для проведения опытов с поверхностными волнами. 1 – корпус лотка; 2 – пластина для возбуждения колебаний; 3 - электродвигатель; 4, 5 – датчики уровня; l – расстояние между датчиками 4 и 5.

Порядок проведения опытов

1.Включают источник питания усилителей.

2.Датчики уровня погружают под уровень воды на глубину большую, чем ожидаемый минимум волны на несколько сантиметров.

126

3.Подбирают пределы усиления таким образом, чтобы диаграмма выходила за пределы экрана компьютера.

4.Производится тарировка одного из датчиков уровня: датчик поднимается так, чтобы стержень касался воды. Начиная с этого положения датчик уровня, опускается и через каждые 5 мм записывается величина отклонения луча от первоначального положения.

5.Датчики уровня устанавливают на расстоянии друг от друга несколько меньшим, чем длина ожидаемой волны.

6.Датчики заглубляются на величину, подобранную так, чтобы они не оголялись полностью при прохождении впадины волны.

7.При спокойном уровне включается компьютер и записывается положение нулевых линий.

8.Подаётся питание на электропривод пластины для возбуждения

волн.

9.Производится запись на компьютер 5 – 6 волн.

10.Записывается положение нулевых линий при спокойном уровне

жидкости.

Методика обработки осциллограмм

1. По данным тарировки датчика уровня строится зависимость отклонения луча осциллографа от величины погружения датчика. На миллиметровой бумаге получают тарировочную кривую.

При обработке осциллограммы определяют высоту волны h (рис. 28.2), и длину λ как среднее значение нескольких измерений по циклам. Период волны Т определяют по «отметкам времени» на диаграмме.

2. Зная расстояние в лотке между датчиками уровня l и время прохождения одного и того же гребня от первого датчика до второго ti , определяют экспериментальную скорость распространения волны СЭ несколько (i) раз

СЭi = l/ti.

(28.273)

3. Определяют теоретическое значение скорости волны сТ по формуле

СТi = gTi /(2π).

(28.274)

127

4. Сравниваем значения Cэi и CТi по формуле

(28.275)

5. Результаты экспериментов и расчётов заносят в таблицу 28.1.

Рис. 28.2. К определению геометрических параметров поверхностных волн. λ - длина волны; h – высота волны; а – амплитуда.

Таблица 28.1

128

ИСТЕЧЕНИЕ ГАЗОВЫХ СТРУЙ РАБОТА 29

Определение расхода вертикальной газовой струи, истекающей в слой жидкости, по измеренным геометрическим параметрам газожидкостного бугра на поверхности жидкости

Учебно-лабораторная установка для исследования внедрения газовых струй в слой жидкости

Принципиальная схема установки показана на рис. 29.1.

Установка состоит из бака 1, сделанного из прозрачного оргстекла, который заполняется жидкостью (водопроводной водой) до некоторого уровня. Сменные сопла при помощи резьбового соединения установлены на держателе 2. Положение держателя можно изменять по отношению к свободной поверхности жидкости, как по высоте, так и по углу наклона. Сжатый воздух подаётся к соплу от компрессора 3 через трубку, подсоединённую к держателю 2. Для сглаживания пульсаций воздуха, после компрессора установлен ресивер 4. Для устранения влияния на формирование газожидкостного бугра отраженных от стенок волн установлен волногаситель 12 в виде рамки, расположенный по периметру бака 1 на уровне свободной поверхности.

Рис. 29.1. Схема установки. 1 – бак; 2 – держатель; 3 – компрессор; 4 – ресивер; 5 – кран; 6

– датчик давления; 7 – электронный расходомер; 8 – электронная линейка; 9 – датчик концентрации; 10 – измерительная система PowerLab; 11 – источник света; 12 – волногаситель; 13 – Г – образная штанга; 14 – направляющий элемент штанги; 15 – подводящая линия к соплу; Нс – глубина погружения сопла под свободную поверхность жидкости; Нб – высота газожидкостного бугра; Dб – диаметр газожидкостного бугра.

129

Для измерения геометрических размеров бугра и гидродинамических параметров вытекающей струи газа использованы как стандартные приборы промышленного изготовления, так и сконструированные в лаборатории.

Размеры бугра измеряются по теневому отражению с помощью сконструированного датчика - электронной линейки 8 (рис. 29.2). Принцип работы линейки основан на непрерывной записи изменения напряжения на выходе электронной схемы в зависимости от количества затенённых фотодиодов бугром. Линейка выполнена в виде пластины, в которую вмонтирован ряд фотодиодов. Линейка позволяет успешно решить задачу измерения геометрических размеров газожидкостного бугра, непрерывно изменяющего свои параметры во времени.

Рис. 29.2. Электронная линейка с блоком питания и усилителем

Явления истечения струй в слой жидкости имеют место во многих технологических процессах нефтегазовой промышленности (струйные насосы, флотационные технологии, истечение из насадков и так далее), а также могут возникать в аварийных ситуациях (аварийное фонтанирование скважин при затопленной области вокруг устья; разрыв газопровода, проложенного по дну водоёма и так далее). Измерение расхода газа (дебита) аварийнофонтанирующей скважины по параметрам газожидкостного бугра производится, когда недоступны другие методы измерения. Знание этого дебита необходимо для создания оптимального глушения скважины, в том числе, мини-

130

мальных затрат по времени на глушение и, следовательно, меньшее воздействие выброшенного газа на состояние окружающей среды.

Геометрическая схема истечения вертикальной газовой струи плотностью ρg из отверстия (сопла) диаметром dc через слой жидкости конечной толщины h и плотностью ρl представлены на рис. 29.3.

Рис. 29.3. Геометрическая модель истечения струи через слой жидкости. H – высота бугра; h – толщина слоя жидкости; D –диаметр бугра; d –диаметр струи у поверхности слоя жидкости; dс – диаметр сопла; S – площадь круглого сопла; Qm – массовый расход газа.

Известны экспериментальные формулы, связывающие параметры исте-

чения

(29.276)

где ρL – плотность жидкости.

131

В формулы (19.156) не входит диаметр бугра, так как он функционально связан с высотой бугра и это обстоятельство учтено в формулах.

Методика обработки результатов опыта

Сравнивают полученный расчётный результат расхода по формуле (19.156) с замеренным расходом с помощью компьютерной системы PowerLab. Для этого вычисляют относительное расхождение результатов по формуле

(29.277)

Результаты измерений и расчётные параметры заносят в таблицу 29.1.

132