Учебное пособие 1312

Лабораторные работы №1-6 – Гидравлика

Составитель д-р техн. наук Г.И. Скоморохов

УКД 621.465-52

Методические указания к лабораторным работам № 1-6 по дисциплине «Гидравлика» для студентов направления подготовки 110800.62 «Агроинженерия» (профиль «Энергоснабжение и электрооборудование сельскохозяйственных предприятий») очной и заочной форм обучения. Ч. 1 / ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»; сост. Г.И. Скоморохов.

Воронеж, 2015. 40 с.

Методические указания содержат краткие теоретические сведения и описание виртуальных лабораторных работ № 1-6 по дисциплине «Гидравлика». Раскрываются приёмы и методы исследования видов гидростатического давления, членов уравнения Бернулли, режимов движения жидкости, коэффициентов трения и местного сопротивления, истечения жидкости из отверстий и гидравлического удара.

Издание соответствует требованиям Федерального государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению подготовки 110800.62 «Агроинженерия», профиль «Энергоснабжение и электрооборудование сельскохозяйственных предприятий», дисциплине «Гидравлика».

Предназначены для студентов 2 и 3 курсов.

Лабораторные работы оформляются согласно требованиям СТП ВГТУ 62-

2007.

Методические указания подготовлены в электронном виде в текстовом ре-

дакторе MS Word и содержатся в файле GidroLab1-2015.doc.

Табл. 6. Ил. 17. Библиогр.: 3 назв.

Рецензент д-р техн. наук, проф. И.Г. Дроздов

Ответственный за выпуск зав. кафедрой д-р техн. наук, проф. В.С. Рачук

Издаётся по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета

© ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2015

2

Лабораторные работы №1-6 – Гидравлика

Содержание

Введение………………………………………………………………………. 4

1.Лабораторная работа № 1. Измерение гидростатического

2.Лабораторная работа № 2. Экспериментальное определение слагаемых уравнения Д.Бернулли. Построение напорной и

пьезометрической линии……………………………………………… 13

3.Лабораторная работа № 3. Экспериментальное исследование

4.Лабораторная работа № 4. Изучение гидравлических сопротивлений напорного трубопровода с определением

коэффициентов трения и местных сопротивлений………………….. 26

5.Лабораторная работа № 5. Истечение жидкости через малые отверстия в тонкой стенке и насадки в атмосферу

при постоянном напоре………………………………………………... 32

6.Лабораторная работа № 6. Определение параметров

Библиографический список…………………………………………………. 42

3

Лабораторные работы №1-6 – Гидравлика

Введение

Курс «Гидравлика» является одной из основополагающих инженерных дисциплин при подготовке специалистов, работающих в области энергоснабжения и электрооборудования сельскохозяйственных предприятий. При изучении курса «Гидравлика» важно ознакомить студентов на практике (в лаборатории) с методикой экспериментальных исследований гидравлических процессов и течения жидкости в напорных трубопроводах.

Компьютерная версия лаборатории гидравлика предназначена для ими тационного выполнения лабораторных работ при изучении дисциплин «Гид равлика» с цель выработки навыков измерения параметров гидравлических устройств и систем, обработки получаемых результатов, закрепления основных теоретических положений дисциплины.

Лаборатория включает в себя одну лабораторную установку по разделу гидростатики для демонстрации закона Паскаля и пять лабораторных установок по разделу гидродинамики: установка для изучения составляющих уравнения Д. Бернулли, установка для изучения режимов течения вязких жидкостей в трубах, стенд для экспериментального изучения гидравлических потерь в местных сопротивлениях и по длине, установка для изучения истечения жидкости через отверстия и насадки, установка для изучения явления гидравлического удара в трубах.

Программа позволяет имитировать измерения параметров физического процесса с помощью применяемых в практике гидравлического эксперимента приборов, таких как пьезометры, манометры, вакуумметры для измерения гидростатического напора, трубки Пито и датчики скорости для измерения скоростного напора, мерные емкости и секундомеры для определения объемного расхода жидкости. В процессе компьютерного эксперимента программа воспроизводит случайное отклонение измеряемого параметра, что дает возможность оценить точность измерений методами статистического анализа.

Обработка результатов измерений и вычисления параметров эксперимента выполняются в табличной форме по формулам и уравнениям, приведенным в практикуме для соответствующей работы.

Из главного меню программы осуществляется выбор выполняемой работы, получение информации о программе и выход из неё. После выбора выполняемой работы программа предоставляет доступ пользователя к меню настройки лабораторной установки, информации о ней и выполнению лабораторной работы в диалоговом режиме.

Методика выполнения лабораторных работ в оболочке виртуальной лаборатории с применением компьютерной версии лаборатории сводится к следующему:

В соответствии с выполняемой работой в разделах настоящего руководства выбирается описание работы.

4

Лабораторные работы №1-6 – Гидравлика

Выполняется изучение теоретических основ выбранной работы, ознакомление с описанием и принципом действия лабораторной установки или стенда, целью и порядком выполнения экспериментов, формой таблицы для записи и обработки получаемых данных, основными расчетными формулами и контрольными вопросами.

Выполняется подготовка протокола выполняемой работы по следующей форме:

1.Номер и название лабораторной работы. Фамилия, И. О. и No группы исполнителя.

2.Теоретическая часть.

3.Схема экспериментальной установки и ее состав.

4.Цель и порядок выполнения работы (заполняется после проведения экспериментов на установке или стенде).

5.Результаты измерений и вычислений. Форма таблицы принимается

всоответствии с формой, приведенной в руководстве по выполняемой работе.

6.Основные расчетные формулы. Приводятся формулы, необходимые для расчета таблицы.

7.Вкладыш из миллиметровой бумаги для графического представления результатов работы.

8.Вывод по работе. Заполняется после полного завершения и обработки работы и представляет самостоятельную оценку и анализ проведенного исследования.

9.Письменные ответы на контрольные вопросы.

Обратиться к программам “HYDLAB.EXE” и выбрать выполняемую лабораторную работу. Войти в меню настройки лабораторной установки, ознакомиться при необходимости с информацией по лабораторному стенду и произвести выбор постоянных параметров лабораторной установки.

Включить режим выполнения лабораторной работы, произвести измерения необходимых параметров и внести полученные данные в таблицу протокола. Повторить измерения в других режимах с целью получения достаточного количества данных для анализа изучаемого явления.

Выйти из программы, обработать результаты измерений, построить необходимые графики и характеристики, сделать вывод по выполненной лабораторной работе и представить её к защите преподавателю.

5

1. Лабораторная работа № 1. Измерение гидростатического давления и экспериментальное подтверждение закона Паскаля

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 опытов в масштабе эпюру манометрического

давления по глубине h.

Краткие теоретические сведения. В общем случае поверхностная силаF , действующая в точке А на площадке жидкости S, направлена под некоторым углом к ней, и её можно разложить на две силы: Р- нормальную сжимающую силу и T - тангенциальную силу или силу трения (рис. 1.1).

Рисунок 1.1 - Разложение поверхностной силы на две составляющие

Гидростатическим давлением p называют нормальное сжимающее

напряжение, возникающее в покоящейся жидкости под действием поверхностных и массовых сил,

Для определения истинного значения напряжения в точке А необходимо перейти к пределу этого отношения при условии, что площадка S уменьшении до нуля

На внешней поверхности силы давления всегда направлены по нормали внутрь объёма жидкости и, следовательно, являются сжимающими. Таким образом, в неподвижной жидкости возможен лишь один вид напряжения - на-

пряжение сжатия, т.е. гидростатическое давление.

Единицы давления. Как следует из самого определения давления, его размерность совпадает с размерностью напряжения, т.е. представляет собой размерность силы, отнесенную к размерности площади.

3

Лабораторные работы №1-6 – Гидравлика

За единицу давления в Международной системе единиц (СИ) принят паскаль (Па) — давление, вызываемое силой 1Н, равномерно распределенной по

нормальной к ней поверхности площадью 1м2 , т.е. 1Па 1 Нм2 . Наряду с этой

единицей давления применяют укрупненные единицы: килопаскаль (кПа) и мегапаскаль (МПа):

1Па 1 Нм2 ; 1кПа 10 3 Па ; 1МПа 10 6 Па .

В технике в настоящее время в некоторых случаях продолжают применять также техническую МКГСС (метр, килограмм-сила, секунда, а) и физическую СГС (сантиметр, грамм, секунда) системы единиц. Используются также внесистемные единицы — техническую атмосферу и бар. Соотношение между ними выражается следующим образом:

1ат 1кгссм2 10000кгсм2 10м вод.ст. 735,6мм рт.ст.

0,98066 бар 98066,5Па 105 Па.

Давление абсолютное ( pабс ) , избыточное ( pизб ) , вакуум ( pвак ) . Чи-

словое значение давления определяется не только принятой системой единиц, но и выбранным началом отсчета. Исторически сложились три системы отсчета давления: абсолютная, избыточная и вакуумметрическая (рис.1.2).

Рисунок 1.2 - Шкалы давления. Связь между давлением абсолютным, избыточным и вакуумом

Абсолютное давление pабс отсчитывается от абсолютного нуля (рис.

1.2)

абсолютное давление всегда является величиной положительной. Избыточное давление pизб отсчитывается от атмосферного давления,

т.е. от условного нуля

4

Лабораторные работы №1-6 – Гидравлика

Таким образом, гидростатическое давление, отсчитываемое от нуля, называют абсолютным ( pабс), а отсчитываемое от атмосферного ( pат) – избы-

точным ( pизб).

В гидравлических расчётах величину нормального атмосферного давления можно принять равным pат 1ат 98100 Па 100 кПа 0,1МПа . Иногда

избыточное давление называют манометрическим.

Вакуумметрическим давлением или вакуумом pвак называется недоста-

ток давления до атмосферного

Избыточное давление показывает либо избыток над атмосферным давлением, либо недостаток до атмосферного.

Давление в любой точке покоящейся жидкости можно вычислить по

Полученное уравнение (1.6) называют основным уравнением гидростатики. Это давление, как видно из уравнения, складывается из двух величин:

давления p0 на внешней поверхности жидкости и давления h , обусловленно-

го весом вышележащих слоёв жидкости.

Закона Паскаля. Давление, приложенное к внешней поверхности жидкости, передается всем точкам этой жидкости и по всем направлениям одинаково, т.е. внешнее давление p0 является одинаковым для всех точек объема

жидкости. Это положение известно под названием закона Паскаля.

Из формул 1.3 и 1.4 видно, что в зависимости от соотношения между pабс и pат избыточное давление pизб может быть и положительной, и отрицатель-

ной величиной. Положительное избыточное давление называют манометрическим, а отрицательное – вакуумметрическим. Приборы, применяемые для измерения + pизб и - pизб , называют соответственно манометрами и вакуумметра-

ми.

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:

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

5

Лабораторные работы №1-6 – Гидравлика

Действие механических приборов основано на деформации под действием давления упругого элемента (пружины или мембраны). Пружинный манометр показывает давление в точке жидкости на уровне оси вращения его стрелки. Если высотное положение оси вращения стрелки и точки подключения манометра не совпадает (рис 1.3), в показание манометра ( pм ) вводят поправку

( gy ). Для лабораторной установки, изображённой на рис.1.3,

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

Описание экспериментальной установки и методики проведения эксперимента. Виртуальная лабораторная установка (рис. 1.3) представляет собой толстостенный стальной цилиндр 1, частично заполненный водой, уровень которой измеряется водомерной трубкой 2 со шкалой 3.

Для изменения гидростатического давления над свободной поверхностью жидкости (в т. М1) и в точках М2 и М3, заглублённых под уровень со-

ответственно на hМ2 и hМ3, подключены пружинные манометры 4 - М1, М2,

М3.

Впространство над свободной поверхностью можно подавать сжатый воздух от компрессора 5. Для сброса избыточного гидростатического давления

вцилиндре служит вентиль. В крышке цилиндра имеется предохранительный клапан, отрегулированный на давление 500 кПа.

Вданной лабораторной работе предусмотрено измерение манометрического давления пружинными манометрами.

Когда на покоящуюся жидкость действует только сила тяжести, распределение гидростатического давления p по глубине h (рис. 1.2) описывается

p0 - внешнее давление, т.е. гидростатическое давление на свободной по-

верхности жидкости, Па;

h - глубина погружения в жидкость рассматриваемой точки, М ;

gh - весовое давление, т.е. гидростатическое давление, создаваемое ве-

сом столба h жидкости, Па.

Из уравнения (1.6) видно, что при p0 const и g const давление p с

изменением величины h изменяется по линейному закону. Вычислив по уравнению давление p в двух точках, заглублённых на разную величину h , можно

построить диаграмму распределения гидростатического давления по глубине, называемую эпюрой гидростатического давления (см. рис. 1.2). Диаграмма наглядно подтверждает справедливость закона Паскаля.

6

Лабораторные работы №1-6 – Гидравлика

Рисунок 1.2 - Закон распределения давления по глубине

Рисунок 1.3 - Схема установки для экспериментального определения давления и подтверждения закона Паскаля

7