8839

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»

Кафедра гидравлики

М.И. Зонов, А.К. Битюрин, Д.И. Миндрин

Гидростатические экспериментальные исследования

Учебно-методическое пособие по выполнению лабораторных работ по дисциплине «Гидрогазодинамика»

для обучающихся по направлению подготовки 13.03.01 Теплоэнергетика и теплотехника (профиль) Промышленная теплоэнергетика

Нижний Новгород ННГАСУ

2022

2

УДК 532(075)

Зонов, М. И. Гидростатические экспериментальные исследования:

учебно-методическое пособие. / М. И. Зонов, А. К. Битюрин, Д. И. Миндрин;

Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет. –

Нижний Новгород: ННГАСУ, 2022. – 33 c. : ил. - [Текст]: электронный

Представлены теоретико-прикладные методические материалы для проведения лабораторных работ по разделу «Гидростатика» учебной дисциплины «Гидрогазодинамика».

Предназначено для обучающихся в ННГАСУ по направлению подготовки 13.03.01 Теплоэнергетика и теплотехника (профиль)

Промышленная теплоэнергетика.

© М.И. Зонов, А.К. Битюрин,

Д.И. Миндрин, 2022

© ННГАСУ, 2022

3

4

Вв е де ни е

Одной из методологических основ т.н. «метода гидравлики» является теория инженерного эксперимента, необходимая для организации исследований сложных процессов, физические закономерности которых не выводятся из существующих (неполных и слабоструктурированных)

научных предпосылок. В частности, на определенном физическом отображении модели объекта исследований в неявном виде может быть изучена взаимосвязь входящих физических воздействий и выходящих реакций (откликов); при достаточном массиве таких экспериментальных данных и в результате их правильной математической обработки получается требуемое описание связи (точность которого может корректироваться) всех значимых параметров гидравлического процесса, характеристика которого,

например, необходима для принятия практически важных технических решений.

Лабораторные работы, выполняемые в рамках изучаемой дисциплины,

позволяют упрощенно, но достаточно полно провести инженерный эксперимент по изучению гидравлических процессов; удается, в некоторой степени, повторить все основные шаги алгоритма исследования: этапы предварительного теоретического осмысления проблемной ситуации,

формирования экспериментальной установки, постановки эксперимента, его проведения и обработки полученных данных. При этом студенты могут осознать «технологию» получения тех математических зависимостей и рабочих формул, которые в уже законченно систематизированном виде приводятся в лекциях, а также используются при решении задач – при переводе знаний в навыки и умения; понимание относительности

«рецептурных знаний» создает тот необходимый потенциал саморазвития подготавливаемых специалистов, который порождает возможность перехода на уровень решения нестандартных задач, обусловленных усложнением инженерной практики, например при совершенствовании (реконструкции и модификации) инженерно-строительных комплексов.

5

Объем и содержание лабораторного практикума ограничены и заданы,

во-первых, учебным временем, отпущенным на изучение дисциплины и, во-

вторых, ориентацией на характерные потребности профессиональной деятельности.

Продолжительная реализация полноценного проведения лабораторного практикума формируется с учетом ряда условия, включая в себя:

обеспечение необходимой теоретической подготовки для понимания физического смысла изучаемых гидравлических процессов и явлений, что возможно лишь в конце периода накопления достаточных знаний и умений на лекционных и практических занятиях;

детальное изучение структурно-функциональных характеристик конкретных лабораторных установок, что обеспечивает готовность студентов к упрощенному воспроизведению инженерных экспериментов;

выполнение экспериментальных исследований непосредственно в лабораториях, получение необходимого массива данных и его

математическую обработку с итоговым заполнением отчетного бланка.

Успешность всего комплекса действий проверяется – контролируется защитой выполненных лабораторных работ.

6

1 . Теоретические предпосылки исследований

1.1. Информация о гидростатическом давлении и умении ее

практического применения

1.) Общая характеристика давления Напряжение сжатия в некоторой точке, лежащей на площадке

размером ∆ в объеме жидкости, от действия внешних сил давления ∆

можно определить следующим образом:

где − «гидростатическое давление в точке» (скалярная величина), Па.

2.) Определение абсолютного (полного) давления Равновесие однородной несжимаемой жидкости в поле сил тяжести

можно пояснить и описать с помощью рис. 1.1 и «основного уравнения гидростатики»:

= (во всех точках плоскости)

7

газ/капельная жидкость - г ж), в расчетах можно пренебрегать весовым давлением столба газа, т.е. принимать г 0.

3.) Измерение давления приборами

В технических измерениях и расчетах обычно целесообразно отмерять значение давления от уровня поднятого над нулевым на 1ат (1кгс/см2 = =9,8∙ 105 Па), где 1ат – это «техническая атмосфера». При этом имеем:

Для измерения этих параметров используются приборы различных принципов действия и конструкций. В частности, в лабораторной практике для измерения изб используется жидкостные манометры, показанные на

рисунке 1.2 :

Рисунок 1.2

П1 – пьезометр (это жидкостный манометр, в котором рабочей жидкостью является жидкость, содержащаяся в резервуаре, где измеряется давление); конструктивно исполнен в виде стеклянной трубки с открытыми концами и внутренним диаметром, достаточным для необходимого снижения капиллярного эффекта; П2 – U-образный жидкостный манометр; « − » –

8

«пьезометрическая плоскость», на уровне которой в объеме жидкости

характеристику вак («вакуумметрическая высота»).

Для измерения давления могут использоваться разнообразные деформационные манометры; например, при определенных условиях удобно использовать полупроводниковые тензорезистивные преобразователи давления (с конструктивной реализацией для измерения абс , изб , вак ,

∆ ); структурно-функциональное описание см. в источнике [4].

4.) Примеры практического применения основного уравнения гидростатики

Пример 1.

1 – баллон, заполненный сжатым газом; 2 – соединительные шланги; 2’ – перемычка; 3 – U-образные жидкостные манометры; 4 – прибор для измерения абс (с

тензорезистивным датчиком).

Необходимо определить плотность неизвестной жидкости, заполняющей один из U-

образных приборов, если известны

(измерены) показания в и х. Рисунок 1.3

Плоскости 1-2 и 3-4 – плоскости равных давлений, поэтому:

9

Проведя алгебраические преобразования, получаем:

10