МУ по лабораторным работам ГИДРАВЛИКЕ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ ИМПЕРАТОРА АЛЕКСАНДРА I»

(ФГБОУ ВПО ПГУПС)

Кафедра «Водоснабжение, водоотведение и гидравлика»

ГИДРАВЛИКА

Методические указания к лабораторным работам

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2015

УДК 532

ББК 22.253.3я73 Г46

Гидравлика : метод. указания к лабораторным работам / Сост. Г46 А. Б. Пономарев, И. П. Пылаев, Е. В. Русанова, Е. А. Соловьева, В. И. Штыков, А. А. Яковлев ; под общ. ред. В. И. Штыкова. – СПб. : ФГБОУ

ВПО ПГУПС, 2015. – 56 с.

В первой части методических указаний к лабораторным работам рассматриваются вопросы гидростатики, режимы движения жидкости, геометрический и энергетический смысл членов уравнения Бернулли, а также потери напора по длине и местные. Во второй части методических указаний рассмотрены процессы истечения из отверстий и насадков, параметрические и кавитационные испытания центробежного насоса и гидродинамической передачи.

Методические указания предназначены для студентов, обучающихся по программам подготовки бакалавров и специалистов факультетов: «Промышленное и гражданское строительство», «Транспортное строительство», «Транспортные и энергетические системы», а также вечернего и заочного по специальностям, в программе которых предусматривается изучение общего курса гидравлики.

УДК 532

ББК 22.253.3я73

© ФГБОУ ВПО ПГУПС, 2015

2

Часть 1

Лабораторная работа № 1

ПРОВЕРКА МАНОМЕТРА

Цель работы:

1.Ознакомиться с методикой проверки механических манометров.

2.Установить соответствие манометра присвоенному ему классу точ-

ности.

Основные теоретические сведения

Манометры – приборы для измерения давления жидкостей и газов. Различают манометры механические и жидкостные. В механических манометрах давление показывает стрелка, которая перемещается по шкале прибора с помощью механической системы рычагов и шестерен при изменении измеряемого давления.

Классом точности механического манометра называется его наибольшая допустимая относительная погрешность, вычисленная в процентах относительно верхнего предела измерительной шкалы прибора:

где pдоп– наибольшая допустимая абсолютная погрешность манометра; pmax– верхний предел шкалы манометра.

Класс точности указывается заводом-изготовителем на циферблате манометра. Исправный манометр должен обеспечивать точность измерения давления не ниже присвоенного ему класса.

Зная класс точности К и pmax, можно вычислить величину допустимой абсолютной погрешности манометра:

p К рmax .

Принципиальная схема лабораторной установки для проверки манометров показана на рис. 1.1. Она представляет собой металлическую трубу 1, наполненную минеральным маслом, в котором создается давление. Масло в процессе измерения остается неподвижным. Давление в неподвижной жидкости называется гидростатическим.

3

Гидростатическое давление (ГСД) – это сжимающее напряжение в данной точке покоящейся жидкости, измеряемое в паскалях (Па) и обозначаемое р.

Рис. 1.1. Схема установки для проверки манометров

Два основных свойства ГСД:

1)всегда направлено по нормали к поверхности, на которую дей-

ствует;

2)в любой точке жидкости абсолютная величина ГСД по всем направлениям одинакова.

Величина ГСД определяется основным уравнением гидростатики:

где p0–давление на поверхности жидкости; ρ–плотность жидкости, кг/м3;g

– ускорение свободного падения, м/с2;h – заглубление точки, в которой определяется p, относительно поверхности жидкости, м.

Из уравнения(1.3) вытекает закон Паскаля: внешнее давление на жидкость, находящуюся в замкнутом сосуде, передается во все точки жидкости без изменения. Действительно, согласно уравнению (1.3), давление p0входит в величину pдля любой точки жидкости.

Методика проверки манометров основана на законе Паскаля.

На трубе 1 (см. рис. 1.1) установлены вертикальные патрубки 2и 3, которые тоже заполнены маслом. На патрубок 2 герметично навинчивается проверяемый манометр 4. В патрубок 3плотно вставляется поршень 5 с платформой 6. На платформу устанавливаются грузы7.Поршень опирается торцом на свободную поверхность масла, заполняющего систему. По-

4

этому вес поршня и грузов передается на эту поверхность и создает на ней давление p0, вычисляемое по формуле

где G– вес поршня вместе с гирями; ω– площадь торца поршня.

Согласно закону Паскаля, созданное таким образом давление р0 передается во все точки масла без изменений и воздействует на манометр.

Разность высот расположения манометра и торца поршня незначительна. Поэтому при вычислении давления р, которое воздействует на манометр, величиной ρghв уравнении можно пренебречь и считать, что измеряемое манометром давлениеpравно p0, вычисленному по формуле (1.4):

При проверке манометров давление p, вычисленное по формуле (1.5), принимается за истинное. Абсолютная погрешность манометра определяется по формуле:

где pм– показание манометра.

Найденное значение абсолютной погрешности сравнивают с наибольшей допустимой абсолютной погрешностью pдоп. Если p pдоп , то

му ему классу точности.

Порядок выполнения лабораторной работы

Приведя установку в рабочее состояние, следует поставить на платформу 6 первый груз и вращать платформу вокруг вертикальной оси, чтобы убедиться в отсутствии «заедания» поршня. После этого производится отсчет показания манометра по его шкале. Массу грузов, установленных на платформе, последовательно увеличивают, чтобы проверить манометр в пределах всей его шкалы.

Результаты проверки записываются в табл. 1.1. Вес нагрузки вычисляется по формуле: G = m g, где m– масса грузов вместе с поршнем, кг;

g – ускорение свободного падения, равное 9,81 м/с2. Площадь торца поршня ω = 0,000191 м2.

5

В заключение лабораторной работы необходимо записать вывод о пригодности или непригодности проверяемого манометра для эксплуатации.

6

Лабораторная работа № 2

РЕЖИМЫ ДВИЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ

Цель работы:

1. Путем визуальных наблюдений убедиться в том, что жидкость может двигаться в двух принципиально разных режимах.

2. Ознакомиться с методикой расчетного определения режима движения жидкости.

Основные теоретические сведения

Существование двух принципиально разных режимов движения жидкости открыл в 1839 г. немецкий инженер-гидротехник Г. Хаген. В 1880 г.Д. И. Менделеев указал на то, что сопротивление движению жидкости зависит от режима движения. Следовательно, затраты энергии на движение жидкости, называемые в гидравлике потерями напора, тоже зависят от режима движения. Этим определяется значение открытия Г. Хагена.

В 1883 г. английский физик О. Рейнольдс завершил исследования, результаты которых создали основу современных представлений о режимах движения жидкости. Он провел эксперименты, которые позволяют визуально убедиться в том, что жидкость может двигаться в двух принципиально различных режимах, и понять физическую сущность этих режимов.

Лабораторная работа проводится на установке, аналогичной установке О. Рейнольдса. Ее главная часть – горизонтальная стеклянная труба 1 с прозрачными стенками (рис. 3.1). Во время опыта через трубу пропускается поток воды из бака 2. Скорость движения воды в трубе регулируется краном 3. Над баком с водой укреплен небольшой бачок 4 с концентрированным водным раствором красителя, который может подаваться в трубу 1 с помощью крана 5 и трубки 6. Для этого нижний горизонтальный конец трубки 6 с маленьким выходным отверстием введен в трубу 1.

7

Рис. 3.1. Схема установки для изучения режимов движения жидкости

При проведении опыта кран 3 немного приоткрывается, с тем чтобы вода в трубе 1 пришла в движение с очень небольшой скоростью. Одновременно приоткрывается кран 5 и в трубу 1 начинает поступать раствор красителя. Если скорость движения воды в трубе 1 достаточно мала, то раствор красителя образует в ней совершенно прямую линию 7 с четкими границами, параллельную стенкам трубы. Эта линия выглядит так, как будто ее провели рейсфедером по линейке. Если в трубу 1 подавать раствор красителя из нескольких трубок, то из каждой трубки протянется прямая окрашенная линия. Все эти линии будут параллельны между собой и стенками трубы. Очевидно, что при этом все частицы жидкости в трубе движутся по прямолинейным параллельным траекториям, жидкость в процессе движения не перемешивается, поток соответствует понятию струйной модели потока жидкости, т. е. его можно считать состоящим из элементарных струек, которые имеют непроницаемые границы и не изменяют свою форму во времени. Такой режим движения жидкости получил название ламинарного. Его главной чертой является отсутствие перемешивания жидкости при движении.

Ознакомившись с поведением жидкости при ламинарном режиме, постепенно приоткрывают кран 3, увеличивая таким образом скорость движения воды в трубе 1. В течение некоторого времени ламинарный режим сохраняется. Но по достижении некоторой величины скорости окрашенная струя 7 начинает деформироваться. Сначала она становится волнистой затем, по мере увеличения скорости, появляются разрывы, границы струи расплываются, и наконец струя полностью исчезает, а по трубе движется равномерно окрашенный поток.

Очевидно, что в данном случае в трубе 1 установился новый режим движения жидкости, принципиально отличающийся от ламинарного тем, что отдельные частицы жидкости движутся по сложным траекториям, струйная модель потока жидкости не наблюдается.

Такой режим движения жидкости называется турбулентным. Его основная черта – перемешивание жидкости в процессе движения. Скорости, при которых один из режимов движения сменяется другим, называются критическими. Эксперименты показали, что критическая скорость, при которой ламинарный режим переходит в турбулентный, больше, чем та, при которой турбулентный режим переходит в ламинарный. Поэтому первая из них получила название верхней критической скорости(Vкр.в), а вторая – нижней (Vкр.н):

Vкр.в>Vкр.н.

8

Экспериментальные и теоретические исследования О. Рейнольдса показали, что режим движения жидкости определяется не только скоростью, но и вязкостью жидкости, а также размерами и формой живого сечения потока.Ученый получил безразмерный параметр, который в настоящее время называется критерием или числом Рейнольдса и применяется для расчетного определения режима движения жидкостей:

где V – средняя скорость движения жидкости;

R– гидравлический радиус живого сечения потока;

ν – кинематический коэффициент вязкости жидкости.

Формула (3.1) применима для потоков с любой формой живого сечения. Но для круглоцилиндрических труб принято вместо гидравлического радиуса использовать геометрический внутренний диаметр труб d. Поскольку для труб гидравлический радиус

В настоящее время считается, что границей между турбулентным и ламинарным режимом движения жидкости в круглоцилиндрических напорных трубах является число Рейнольдса Re = 2300, вычисленное по формуле (3.2). Поэтомудля расчетного определения режима движения жидкости в напорном трубопроводе необходимо вычислить число Рейнольдса по формуле (3.2).Если Re< 2300 – режим ламинарный.Если Re 2300– режим турбулентный.

При проведении лабораторной работы сначала с помощью кранов 3 и 5 в трубе 1 устанавливается ламинарный режим движения (прямолинейная струя раствора красителя). Определяется расход воды по ее объему W, который накопится в измерительном сосуде за время t, измеренное секундомером:

Затем вычисляется средняя скорость движения воды:

9

Далее измеряется температура воды в баке 2 по термометру 8. По таблице, висящей на стене рядом с прибором, находят кинематический коэффициент вязкости, соответствующий измеренной температуре. В заключение вычисляется Re по формуле (3.2). Все эти данные заносятся в табл. 3.1. В последние графы таблицы записываются выводы о режиме движения по визуальным наблюдениям и по вычисленному Re.

Затем кран 3 приоткрывается до получения ясно выраженного турбулентного движения воды в трубе 1 (равномерно окрашенный поток), повторяются определение расхода, все последующие вычисления и заполняются все графы табл. 3.1.

10