Дергачева Л.В. Практикум по гидравлике гидрологии. Учеб-метод пособ. Ч.7. Стенд гидравлич универс. 2021

РОСЖЕЛДОР

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Ростовский государственный университет путей сообщения» (ФГБОУ ВО РГУПС)

Л. В. Дергачева, А. В. Коновалов, Д. А. Рудиков

ПРАКТИКУМ ПО ГИДРАВЛИКЕ, ГИДРОЛОГИИ, ГИДРОПНЕВМОПРИВОДУ И ГИДРОГАЗОДИНАМИКЕ

Учебно-методическое пособие

Часть 7

СТЕНД ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ УНИВЕРСАЛЬНЫЙ

Ростов-на-Дону

2021

УДК 532(07) + 06

Рецензент – доктор технических наук, профессор В. А. Финоченко

Дергачева, Л. В.

Практикум по гидравлике, гидрологии, гидропневмоприводу и гидрогазодинамике : учебно-методическое пособие : в 7 ч. Ч. 7. Стенд гидравлический универсальный / Л. В. Дергачева, А. В. Коновалов, Д. А. Рудиков; ФГБОУ ВО РГУПС. – Ростов-на-Дону, 2021. – 20 с.: ил. – Библиогр.: с. 20.

Пособие предназначено для проведения лабораторных работ по гидравлике для студентов всех направлений и специальностей: 23.05.03 «Подвижной состав железных дорог», 13.03.01 «Теплоэнергетика и теплотехника», 23.05.05 «Строительство железных дорог, мостов и транспортных тоннелей», 08.03.01 «Строительство», 23.03.01 «Наземные транспортно-технологические средства», 23.03.03 «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов»; а также для выполнения практических занятий, расчетно-графических и контрольных работ.

Одобрено к изданию кафедрой «Безопасность жизнедеятельности».

Учебное издание

Дергачева Людмила Владимировна Коновалов Анатолий Васильевич Рудиков Дмитрий Алексеевич

ПРАКТИКУМ ПО ГИДРАВЛИКЕ, ГИДРОЛОГИИ, ГИДРОПНЕВМОПРИВОДУ И ГИДРОГАЗОДИНАМИКЕ

Часть 7 СТЕНД ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ УНИВЕРСАЛЬНЫЙ

Печатается в авторской редакции Технический редактор Т.И. Исаева

Подписано в печать 24.03.21. Формат 6084/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,16. Тираж экз. Изд. № 5014. Заказ .

Редакционно-издательский центр ФГБОУ ВО РГУПС.

Адрес университета: 344034, г. Ростов н/Д, пл. Ростовского Стрелкового Полка Народного Ополчения, д. 2.

© Дергачева Л. В., Коновалов А. В., Рудиков Д. А., 2021

© ФГБОУ ВО РГУПС, 2021

2

ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ

К выполнению лабораторной работы допускаются студенты, подготовившиеся по методическим указаниям, конспекту лекций или рекомендованной литературе и прошедшие инструктаж по технике безопасности. Уровень подготовленности определяется письменным опросом в начале занятия (примерные контрольные вопросы изложены в указаниях).

Экспериментальная часть работы проводится с разрешения преподавателя или лаборанта после ознакомления студента с методикой опытов и экспериментальной установкой.

Отчёт по лабораторной работе оформляется на отдельном бланке и подписывается преподавателем, как правило, в конце данного занятия. Записи в отчёте должны быть сделаны чернилами. Студент, не сдавший отчёт по работе в часы, отведённые расписанием, должен сделать это в часы консультации.

Студенты, пропустившие лабораторную работу по уважительной причине, выполняют её (после представления справки деканата) по особому расписанию в составе дополнительной группы в конце семестра.

После проведения последней лабораторной работы в данном семестре студент брошюрует все отчёты в отдельный журнал в порядке выполнения работ и сдаёт его преподавателю. В случае если все работы оформлены грамотно и аккуратно, отметка о выполнении курса лабораторных работ студентом преподавателем производится без дополнительного опроса.

Для подготовки к занятиям могут быть использованы учебники и учебные пособия по гидравлике, перечисленные в списке рекомендуемой литературы.

ОСОБЕННОСТИ ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ РАБОТЕ В ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ ЛАБОРАТОРИИ

Перед выполнением лабораторных работ студенты должны получить инструктаж по технике безопасности у руководителя занятий или заведующего лабораторией и поставить свою роспись в журнале.

Запрещается без разрешения руководителя:

включать любые рубильники и выключатели;

открывать и закрывать задвижки;

включать измерительные приборы и установки.

Оборудование лабораторного зала гидравлики в отношении электробезопасности относится к опасному из-за повышенной влажности в помещении. Следовательно, должны строго соблюдаться правила защиты: заземление установок, работа на электрических ковриках вблизи источников электротока. Студенты должны уметь оказывать первую помощь при поражении током.

Начало и окончание работ на установках должны чётко обозначаться исполнителями работ. Установки и гидравлическая лаборатория должны быть приведены в порядок после завершения занятий.

3

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ СТЕНДА ГИДРАВЛИЧЕСКОГО УНИВЕРСАЛЬНОГО ТМЖ 2М

Стенд гидравлический универсальный ТМЖ 2М (стенд) предназначен для проведения лабораторных работ по гидравлике, он обеспечивает возможность наглядной демонстрации гидродинамических явлений, измерения гидродинамических параметров и знакомства с методами и средствами измерения этих параметров.

Стенд эксплуатируется в помещении при температуре от + 10 до + 35 °С, относительной влажности воздуха до 80 %.

Основные технические данные

Максимальный расход жидкости, 4,1 м3/ч.

Максимальный напор жидкости, создаваемый насосом ТОР 3 – 10,5 м (справ.).

Максимальный напор жидкости, создаваемый погружной помпой 1,3 м (справ.).

Вместимость питающего бака, 65 л.

Габаритные размеры стенда, мм:

Высота стенда со штативом 2500 мм.

Длина рабочей части модулей 1060 мм.

Внутренний диаметр диафрагмы 22 мм.

Внутренний диаметр трубы напорной магистрали 42 мм.

Внутренние диаметры проточных частей модулей 16 и 21 мм.

Пределы измерения по шкале пьезометров от 0 до 600 мм.

Цена деления шкалы пьезометров 2±0,4 мм.

Масса стенда 120 кг;

Количество модулей 6 шт.

Электропитание стенда от сети переменного тока

Потребляемая мощность при номинальном напряжении питания не более 0,55 кВ.

Устройство и принцип работы стенда

Внешний вид стенда представлен на рис. 1. Схема гидравлическая стенда приведена на рис. 2. Стенд выполнен в напольном исполнении.

В состав стенда входят стол 1, щит пьезометров 2, впускной коллектор 3, ротаметры 4, напорная магистраль 5 с встроенной диафрагмой 6, бак 7 с насосом 8 и помпой 9, делительная воронка 10, комплект исследуемых модулей M1–М6.

4

На поверхности стола 1 закреплены два ротаметра 4 (Р1 и Р2), верхние фланцы которых с помощью трубопроводов подведены к напорной магистрали 5. Нижние фланцы ротаметров 4 через трубопроводную арматуру (вентили В1 и В2) соединены с насосом 8 (Н1).

В напорную магистраль 5 вмонтирована мерная диафрагма 6, контрольные точки которой с помощью гибких трубок соединены с пьезометрическими трубками щита пьезометров 2.

Напорная магистраль 9 подведена к коллектору 3.

Щит пьезометров 2 установлен вертикально на задних стойках стола 1. На щите пьезометров 2 расположены панель управления 13, четыре груп-

пы пьезометров 14–17, штатив с делительной воронкой 10 и панель для информации 18. На панели управления 13 размещены клавиши включения сети, насоса Н1 и помпы Н2.

Каждая из четырех групп пьезометров 14–17 состоит из прозрачных пьезометрических трубок, верхние концы которых объединены между собой общими коллекторами 19. В коллекторах 19 выведены гибкие сливные трубки с зажимами для выравнивания давлений в пьезометр.

Нижние концы пьезометрических трубок каждой группы пьезометров соединены с соответствующими штуцерами диафрагмы 6 и штуцерами исследуемых модулей M1–М3 и М5–М6.

Возле каждой пьезометрической трубки расположены измерительные линейки.

Первая группа пьезометров 14 состоит из двух пьезометрических трубок и соединена с диафрагмой 6, вторая группа 15 – из двух пьезометров соединена

смодулем M1, третья группа 16 – из двенадцати пьезометров соединяется с модулями М2, М6, четвертая группа 17 – из одиннадцати пьезометров соединяется

смодулями М3 и М5.

Впускной коллектор 3 может комплектоваться одним, двумя либо тремя модулями из комплекта исследуемых модулей:

модуль M1 – «Потери напора по длине в круглой трубе», представляющий собой круглую трубу, по длине которой расположен ряд отверстий, снабженных штуцерами, для определения давлений в исследуемых сечениях;

модуль М2 – «Потери напора на внезапном расширении», представляющий собой круглую трубу с участком местного сопротивления в виде внезапного расширения и имеющую ряд отверстий снабженных штуцерами для отбора давлений в исследуемых сечениях;

модуль М3 – «Диаграмма Бернулли», представляющий собой круглую трубу с участком «трубы Вентури» и имеющую ряд отверстий, снабженных штуцерами для отбора давлений в исследуемых точках;

модуль М4 – «Режимы течения» Вход модуля 20 жестко закреплен на столешнице и подведен гибким шлангом к помпе 9 (Н2);

модуль М5 – «Потери напора на внезапном сужении», представляющем собой круглую трубу с участком местного сопротивления в виде внезапного

6

сужения и имеющую ряд отверстий снабженных штуцерами для отбора давлений в исследуемых сечениях;

модуль М6 – «Потери напора на диафрагме», представляющий собой круглую трубу со встроенной диафрагмой и имеющую ряд отверстий, снабженных штуцерами для отбора давлений в исследуемых точках.

Впускной коллектор 3 жестко закреплен на столешнице. В него вмонтированы три вентиля В8–В10, к которым через резьбовые втулки с помощью накидных гаек подсоединяются исследуемые модули.

Модуль М4 «Режимы течения» представляет собой круглую трубу с встроенной на входе капиллярной трубкой для подачи подкрашенной жидкости.

Капиллярная трубка модуля М4 через капельницу 21 с вентилем В7 соединена с делительной воронкой 10, в которую заливается подкрашенная жидкость.

Выходы модулей M1–М6 с помощью накидных гаек через резьбовые втулки соединены с выпускными вентилями В3–В6, к которым подведены сливные шланги. Выпускные вентили В3–В5 закреплены на столешнице и имеют возможность легко демонтироваться для быстрой замены исследуемых модулей.

Модули M1–М6 представляют собой прозрачные трубки, выполненные из оргстекла. На входе и выходе каждого модуля установлены резиновые уплотнительные кольца.

Контрольные точки модулей, установленных в коллектор 3, через штуцера соединены гибкими трубками с соответствующими группами пьезометров 15–17 на щите пьезометров 2.

На поверхности стола 1, под модулями, размещен поддон, выполненный из оргстекла.

Лабораторная работа № 7.01

ПОТЕРИ НАПОРА ПО ДЛИНЕ В КРУГЛОЙ ТРУБЕ

Цель работы: сопоставление результатов экспериментального и расчетного определения коэффициента путевых потерь напора при течении жидкости

впрямой цилиндрической трубе.

Вработе необходимо:

опытным путем определить потери напора на заданном участке прямой трубы при установившемся движении воды;

обработать результаты опыта, определив число Рейнольдса и коэффициент путевых потерь напора в опыте;

рассчитать для полученного из опыта числа Рейнольдса коэффициент путевых потерь λ по известным зависимостям и сопоставить его величину с опытным значением.

7

Основные теоретические положения

Задачей работы является экспериментальная иллюстрация формулы, определяющей связь потерь механической энергии потока жидкости по длине трубы с параметрами трубы и течения

где hg – потери напора (полной механической энергии);

L и d – соответственно длина опытного участка трубы и ее диаметр; v – средняя скорость потока;

λ – гидравлический коэффициент трения.

Конечной целью работы является определение коэффициента λ, который, как известно из теории, зависит от числа Рейнольдса

где v – кинематический коэффициент вязкости и относительной шероховатости.

По результатам измерений и их обработки должен быть построен участок графика зависимости λ = λ( , ), в возможно более широком диапазоне изменения чисел Re ( = /d , где – средняя высота выступа шероховатости стенки трубы). Желательно полученный участок кривой наложить на известный график Никурадзе (или Мурина), имеющийся в учебной литературе. В отчете о данной работе следует отметить, к какой зоне гидравлических сопротивлений относятся проведенные на данном стенде опыты, а также определить значение относительной эквивалентной шероховатости.

Порядок выполнения лабораторной работы

Работа выполняется на модуле M1 (рис. 2). Перепад напоров на исследуемом участке трубы L определяется путем измерений пьезометрических напоров в двух сечениях. Для этого служат пьезометры, соединенные гибкими трубками со штуцерами в исследуемых точках. Разность показаний пьезометров 1 и 2 представляет собой потерю напора по длине = 1 − 2.

Средняя скорость течения и определяется по объемному расходу Q:

где S – живое сечение; для круглой трубы = π 2/4.

Площадь поперечного сечения трубы (внутренний диаметр модуля – 16 мм). Расход измеряется с помощью ротаметров (см. рис. 1), каждый из которых предназначен на определенный диапазон расходов, указанный на приборах.

Для выполнения работы необходимо:

–включить насос Н1 на панели управления;

–установить необходимый расход с помощью вентилей В2, В1 и выходного вентиля модуля В3.

8

Наблюдая за столбиками воды в пьезометрических трубках, убедиться, что достигнут установившийся режим течения, и произвести измерения:

–расхода воды по ротаметрам;

–показаний пьезометров.

Кинематический коэффициент вязкости v определяется соответственно температуре по справочной литературе.

После выполнения всех измерений и занесения их в таблицу следует с помощью вентиля В3 изменить расход и после достижения установившегося режима повторить измерения. Для получения убедительного участка графика= (Re) следует выполнить не менее 8–10 опытов. Желательно чтобы они охватывали весь возможный (для данного стенда) диапазон расходов от Qmax до Qmin, при котором величина hg может быть еще достаточно точно измерена.

Обработка результатов

По результатам измерений определяются следующие величины:

–потери напора по длине: = 1 − 2;

–средняя скорость потока в трубе (7.01.3);

–гидравлический коэффициент трения из формулы (7.01.1):

λ= 2 /2;

–число Рейнольдса (7.01.2).

Результаты измерений и вычислений свести в единую таблицу (табл.

7.01.1).

Таблица 7.01.1 – Результаты измерений и вычислений

Построенный участок кривой = (Re) следует наложить на известные из литературы графики Никурадзе или Мурина и сделать заключения о зоне сопротивления, которой соответствуют проведенные опыты.

Контрольные вопросы

1Общая характеристика потерь напора, расчетные формулы и входящие в них величины.

2Влияние различных факторов на коэффициент путевых потерь.

3Законы сопротивления для ламинарного режима течения.

4Законы сопротивления для турбулентного режима течения.

5Порядок определения коэффициента λ в опыте. Как при этом используется уравнение Бернулли?

9

Лабораторная работа № 7.02

ПОТЕРИ НАПОРА НА ВНЕЗАПНОМ РАСШИРЕНИИ

Цель работы: сопоставление результатов экспериментального и расчетного определения коэффициентов местных гидросопротивлений при внезапном расширении канала.

В работе необходимо:

опытным путем определить потери напора воды при внезапном расширении канала с одинаковыми геометрическими соотношениями;

обработать результаты опыта, сопоставить величины потерь напора и их коэффициентов для местных сопротивлений;

рассчитать для данного опыта местный коэффициент сопротивления по известным зависимостям и сопоставить его величину с опытным значением.

Основные теоретические положения

Задачей работы является экспериментальное изучение закономерностей потерь напора и распределения давлений в местных сопротивлениях, конкретным видом которых является внезапное расширение трубы. По результатам измерения строятся графики распределения давлений по длине трубы, определяется коэффициент местного сопротивления и строится участок графика его зависимости от числа Рейнольдса.

Основной формулой, связывающей величину потерь напора с параметрами потока и характерными размерами, является формула

где 1, 2 – средние скорости в исследуемых сечениях.

Используя уравнения неразрывности, эту формулу можно представить в

виде

где 1 и S2 – площади нормальных сечений; ξвн.р – коэффициент потерь на внезапном расширении.

Следует подчеркнуть, что преобразованная формула (7.02.1) получена из теоретической схемы, в которой игнорируются потери трения, а также предполагается равномерное распределение скоростей в сечениях труб. Поэтому коэффициент ξвн.р оказывается независимым от числа Рейнольдса, а сама формула отражает лишь так называемый квадратичный участок кривой, где в реальных условиях влияние числа Рейнольдса отсутствует.

Существует по крайней мере два подхода к экспериментальному определению коэффициента потерь при внезапном расширении. Первый состоит в его определении по измерениям давлений и скоростей в двух контрольных сечениях. При таком способе учитываются не только потери на внезапном расшире-

10