Дергачева Л.В. Практикум по гидравлике гидрологии. Ч.1. Механика жидкости. Учеб-метод пособ. 2022

УДК 532(07) + 06

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

Дергачева, Л. В.

Практикум по гидравлике, гидрологии, гидропневмоприводу и гидрогазодинамике. В 7 частях. Часть 1. Механика жидкости – гидравлический удар : учебно-методическое пособие / Л. В. Дергачева, Д. А. Рудиков ; ФГБОУ ВО РГУПС. – Ростов-на-Дону : РГУПС, 2022. – 52 с.

Пособие содержит лабораторные работы по гидравлике с использованием лабораторного стенда «Механика жидкости – гидравлический удар», которые выполняются при изучении дисциплин «Гидравлика», «Гидрогазодинамика», «Гидравлика и гидропривод», «Гидравлика и гидропневмопривод», «Водоснабжение и водоотведение», «Инженерные системы водоснабжения».

Для студентов следующих направлений подготовки и специальностей: 23.05.03 «Подвижной состав железных дорог»; 13.03.01 «Теплоэнергетика и теплотехника»; 23.05.06 «Строительство железных дорог, мостов и транспортных тоннелей»; 08.03.01 «Строительство»; 23.03.01 «Наземные транспортнотехнологические средства»; 23.03.03 «Эксплуатация транспортнотехнологических машин и комплексов», а также для выполнения практических заданий, расчетно-графических и контрольных работ.

Одобрено к изданию кафедрой «Безопасность жизнедеятельности».

© Дергачева Л. В., Рудиков Д. А., 2022 © ФГБОУ ВО РГУПС, 2022

2

Введение

Лабораторный стенд «Механика жидкости – гидравлический удар» предназначен для проведения лабораторных работ по гидравлике для студентов всех направлений подготовки, изучающих дисциплины «Гидравлика», «Гидрогазодинамика», «Гидравлика и гидропривод», «Гидравлика и гидропневмопривод», «Водоснабжение и водоотведение», «Инженерные системы водоснабжения».

Выполнение лабораторных работ способствует лучшему усвоению теоретического курса, приобретение практических основ. В ходе проведения экспериментов приобретаются навыки в обращении с измерительными приборами и оборудованием, постановке лабораторных задач и обработке экспериментальных данных.

Стенд в ходе проведения лабораторных работ позволяет:

изучить режимы течения жидкости;

определить напорные характеристики насоса;

исследовать характеристики трубопроводов;

определить коэффициент гидравлического сопротивления;

изучить уравнение Бернулли;

изучить изменение давления в напорном трубопроводе при запирании клапанов в различной последовательности.

При подготовке к каждой работе студент должен самостоятельно изучить теоретический материал; ознакомится по методическим указаниям с целью работы, подготовить письменный отчет, содержащий заранее подготовленные пустые бланки расчетных таблиц. Во время лабораторной работы студенты отвечают на контрольные вопросы, обсуждают порядок выполнения работы и затем выполняют её.

Методические указания к лабораторным работам являются только основой для выполнения эксперимента. Теоретическую подготовку к лабораторной работе необходимо осуществлять с помощью учебной литературы.

Перед началом проведения лабораторных работ преподаватель проверяет готовность студента к выполнению предстоящей лабораторной работы. Проводит инструктаж по технике безопасности. Студент, не подготовившийся к работе, к её выполнению не допускается.

Результаты экспериментов заносятся в заготовленные заранее бланки, результаты исследований обрабатываются, строятся графики и формируется вывод.

Готовые отчёты по лабораторным работам студент предоставляет преподавателю для проверки и аттестации.

3

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, когда 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.

4

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Стенд представляет собой раму, на которой смонтирована гидравлическая система и блок управления стендом.

Гидравлическая система стенда (рис. 1) выполнена из полипропилена, диаметр трубопровода 25 мм. На раме установлен технологический бак, позволяющий работать со стендом, не подключая его к централизованной системе водоснабжения и водоотведения.

Рис. 1. Общая гидравлическая схема стенда «Механика жидкости»: Р-1 – Р-5 – датчики избыточного давления;

dP-1 – dP6 – датчики дифференциального давления; М-1 – М-5 – датчики избыточного давления

(не отображаются на блоке управления); З-1 – З-15 – регулируемые заслонки; В-1 – В-3 – вентили;

Q-1 – датчик расхода воды; А-1 и А-2 – соленоидные клапаны

5

Система разделена на исследуемые участки:

1Участок для изучения режима течения жидкости (визуализация ламинарного и турбулентного режимов). Участок состоит из двух напорных баков, объемом 15 л, один бак с чистой водой, второй – с подкрашенной. Из баков вода подается дозированно в трубопровод диаметром 20 мм. В начале участка установлен тонкий насадок диаметром 2,2 мм для воды с краской. Управление режимами течения производится при помощи кранов.

2Участок для изучения гидравлического удара. Выполнен из трубопровода ПВХ диаметром 10 мм длиной 20 м. Для проведения работы на входе и выходе участка расположены два соленоидных клапана. Управление клапанами производится при помощи кнопок «Клапан А-1 и А-2» и «Клапан А-2» расположенных на блоке управления. На участке расположены датчики давления.

3Участок для изучения уравнения Бернулли. Представляет собой участок трубопровода различного сечения: 20 мм, 5 мм и 20 мм, выполненного из алюминия. В трех сечениях установлены датчики избыточного давления.

4Участок для изучения гидравлического сопротивления. Представляет собой участок полипропиленового трубопровода диаметром 25 мм, с установленными на нем гидравлическими сопротивлениями в виде крана, вентиля и диафрагмы (d = 10 мм). На исследуемых участках расположены дифференциальные датчики давления.

5Участок для изучения характеристик трубопроводов. Выполнен из трубопроводов различных материалов:

полипропилен с внутренним диаметром трубы 25 мм;

полипропилен с внутренним диаметром трубы 16 мм;

медь с внутренним диаметром трубы 16 мм.

На участках трубопроводов установлены дифференциальные датчики давления.

Блок управления (рис. 2), включающий в себя: А) Модуль питания:

автомат «Сеть» с индикатором красного цвета для включения/отключения питания оборудования стенда, индикатор красного цвета сигнализирует о наличии напряжения;

переключатель «Вкл./Выкл.» для включения блока управления стен-

дом.

В) Модуль управления:

кнопка «Клапан А-1 и А-2» для одновременного перекрытия соленоидных клапанов на входе и выходе (А-1 и А-2).

кнопка «Клапан А-2» для перекрытия соленоидного клапана на выходе из исследуемого участка (А-2).

переключатель «Насос-1» и «Насос-2» для включения/отключения насосов.

С) Модуль ввода/вывода данных:

6

ЖК-дисплеи для отображения результатов измерений.

кнопка «Выбор» для переключения между окнами ЖК-дисплея.

USB-разъем для подключения ПК. В качестве ПК в комплекте со стендом поставляется ноутбук.

Рис. 2. Блок управления оборудованием стенда

7

Лабораторная работа № 1.01

ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ГИДРОСТАТИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ И ИХ ПОВЕРКА

Цель работы: Ознакомление с приборами для измерения гидростатического давления и разрежения. Изучить работу манометра и вакуумметра на макетах. Приобрести навыки по измерению и проведению поверок приборов.

Основные теоретические положения

Гидростатическим давлением р называют нормальное напряжение сжатия, возникающее в жидкости под действием приложенных к ней поверхностных и массовых сил. Гидростатическое давление в данной точке отличается двумя свойствами:

оно действует по внутренней нормали к рассматриваемой площадке ∆F (т.е. вызывает сжатие, а не растяжение жидкости);

величина его зависит от ориентации площадки, т.е в данной точке гид-

ростатическое давление одинаково по всем направлениям. Исходя из определения,

Единица давления в международной системе измерений (СИ) численно равна силе Р в один ньютон (1 Н), действующей на единицу площади F , т.е. на 1 м2, эта единица давления называется паскалем и обозначается 1 Па = 1 Н/м2. Так как давление в 1 Па очень мало (оно соответствует давлению столба воды высотой 0,1 мм), то на практике применяют более крупные единицы:

Согласно закону Б. Паскаля, гидростатическое давление может быть измерено высотой h столба жидкости. Между давлением р в данной точке В жидкости и наружным давлением над этой точкой, выраженным в паскалях, и высотой h столба жидкости в метрах в пьезометре (рис. 1.01.1) существует связь:

где g – удельный вес жидкости, Н/м3;

h – высота столба жидкости, м;

g – ускорение свободного падения, м/с2;– плотность жидкости, кг/м3; рА – атмосферное давление, Па.

8

Рис. 1.01.1. Иллюстрация взаимосвязи между высотой подъема столба жидкости и давлением

На этом основано измерение давления в жидкости пьезометрами – стеклянными прозрачными трубками с открытым концом.

Соотношение между единицами измерения давления таково:

105 Па = 0,1 МПа = 100 кПа = 1 бар = 750,06 мм рт.ст. = 10,2 м.вод.ст. (1.01.3)

В применяемой до сих пор старой (технической) системе единиц (метр, кГс) давление измерялось в кГс/см2, т.е. в атмосферах:

Приборы для измерения гидростатического давления, как правило, определяют его избыточную величину ризб над атмосферным давлением на данной высоте рА. Поэтому полное давление – абсолютное рабс (которым и необходимо оперировать при расчетах) – слагается из суммы:

Это относится как к пересчету показаний манометров, так и пьезометров, отражающих величину избыточного давления высотой столба жидкости (см. выражение 1.01.2). Вакуумметр измеряет недостающую до атмосферного величину давления рвак, поэтому при вычислении абсолютного давления по показаниям того же пьезометра (рис. 1.01.1, в) или вакуумметра следует изменить знак перед ризб в формуле (1.01.5):

Наиболее распространенными приборами для измерения избыточного давления или вакуума являются пьезометры, пружинные манометры, а также мановакуумметры. Схема устройства пружинных манометров приведена на рис. 1.01.2.

9

Рис. 1.01.2. Конструкция пружинного манометра

Основной элемент – трубчатая пружина 1 (трубка Бурдона), которая имеет эллиптическое или плоскоовальное сечение. Свободный конец трубки запаян и шарнирно соединен поводком 3 с сектором 4, который через зубчатое соединение связан со стрелкой 2. Второй конец трубки впаян в держатель 5, скрепленный с корпусом. Через штуцер, соединенный с держателем трубке подводится измеряемое избыточное давление ризб. Снаружи на трубку действует атмосферное давление рА. Под действием разности внутреннего и наружного давлений трубка стремится принять круглую в сечении форму. Это заставляет передвигаться частички трубки на близких к оси волокнах к меньшему радиусу, а на наружных (удаленных от оси) волокнах – к большему радиусу. При этом первые волокна оказываются сжатыми, а вторые – растянутыми. Это заставляет трубку распрямляться – ее свободный конец тянет за поводок 3 и перемещает его направо вверх, а стрелку – от нулевого деления вверх. В вакуумметре наоборот – движение конца трубки происходит вниз и влево, что требует другого передаточного механизма для стрелки, но принцип работы тот же. Если трубка будет иметь круглое сечение, то прибор работать не будет.

Технические манометры и вакуумметры выпускают следующих классов точности: 1; 1,6; 2,5; 4. Образцовые (показания, которых должны пересчитываться по паспорту прибора, если только они не применяются в учебных целях)

– классов 0,16; 0,25; 0,4; 0,6.

Класс точности прибора Кл обозначается числом, равным максимальной допускаемой прибором абсолютной погрешности измерений доп , отнесенным

к максимальному значению шкалы прибора (диапазону измерений) и выраженным в процентах. Согласно равенству: