Рудиков Д.А. Практикум по гидравлике . В 7 ч. Ч. 4 Лоток гидравлический
.pdf
РОСЖЕЛДОР
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Ростовский государственный университет путей сообщения» (ФГБОУ ВО РГУПС)
Д.А. Рудиков, Л.В. Дергачева, Т.А. Финоченко
ПРАКТИКУМ ПО ГИДРАВЛИКЕ, ГИДРОЛОГИИ, ГИДРОПНЕВМОПРИВОДУ И ГИДРОГАЗОДИНАМИКЕ
Часть 4
Лоток гидравлический
Учебно-методическое пособие к лабораторным работам
Ростов-на-Дону
2020
УДК 532(07) + 06
Рецензент – доктор технических наук, профессор В.А. Финоченко
Рудиков, Д.А.
Практикум по гидравлике, гидрологии, гидропневмоприводу и гидрогазодинамике. В 7 ч. Ч. 4: Лоток гидравлический: учебно-методическое пособие к лабораторным работам / Д.А. Рудиков, Л.В. Дергачева, Т.А. Финоченко; ФГБОУ ВО РГУПС. – Ростов н/Д, 2020. – 36 с.: ил. – Библиогр.: с. 35.
Приведены основные положения гидравлики, необходимые для выполнения различных инженерных расчётов. Изложено описание теоретических основ лабораторных работ, порядок их выполнения, расчётов и оформления. Приведены материалы, необходимые для оценки точности экспериментов.
Пособие охватывает основные вопросы, необходимые для изучения курсов «Гидравлика и гидрология», «Гидравлика и гидропневмопривод», «Гидрогазодинамика», «Водоснабжение и водоотведение» для технологических, механических и строительных специальностей.
Предназначено для студентов направлений подготовки 08.03.01 «Строительство», 23.05.06 «Строительство железных дорог, мостов и транспортных тоннелей», 23.05.01 «Наземные транспортно-технологические средства», 23.05.03 «Подвижной состав железных дорог», 13.03.01 «Теплоэнергетика и теплотехника», 20.03.01 «Техносферная безопасность» всех форм обучения.
Одобрено к изданию кафедрой «Безопасность жизнедеятельности».
© Рудиков Д.А., Дергачева Л.В., Финоченко Т.А., 2020
© ФГБОУ ВО РГУПС, 2020
2
СОДЕРЖАНИЕ
Общие указания …………………………………………………………………… 4
Особенности техники безопасности при работе в гидравлической лаборатории |
4 |
Лабораторная работа № 4.01. Исследование распределения скоростей |
|
по потоку и определение расхода по эпюре |
|
скоростей ……………………………………. |
5 |
Лабораторная работа № 4.02. Исследование истечения жидкости |
|
из отверстия кругового неподтопленного |
|
водослива …………………………………… |
11 |
Лабораторная работа № 4.03. Определение пропускной способности водослива с тонкой стенкой …………………. 14
Лабораторная работа № 4.04. |
Исследование совершенного |
|
|
гидравлического прыжка …………………… |
21 |
Лабораторная работа № 4.05. |
Определение сопротивления при обтекании |
|
|
тел различного профиля …………………… |
31 |
Библиографический список ……………………………………………………... 35
3
ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ
К выполнению лабораторной работы допускаются студенты, подготовившиеся по настоящему учебно-методическому пособию, конспекту лекций или рекомендованной литературе и прошедшие инструктаж по технике безопасности. Уровень подготовленности определяется письменным опросом в начале занятия по контрольным вопросам, изложенным в настоящем пособии.
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 выставляется преподавателем в зачётную книжку студента без дополнительного опроса.
Для подготовки к занятиям могут быть использованы учебники и учебные пособия по гидравлике для механических и строительных специальностей, перечисленные в библиографическом списке настоящего пособия.
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
Лабораторная работа № 4.01
ИССЛЕДОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТЕЙ ПО ПОТОКУ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСХОДА ПО ЭПЮРЕ СКОРОСТЕЙ
Цель работы: выяснить характер распределения скоростей в живом сечении открытого потока. Построить эпюры в живом сечении потока.
В работе необходимо:
–ознакомится с устройством и принципом действия гидрометрической трубки и гидрометрической вертушки;
–оценить характер изменения средней скорости в живом сечении открытого потока.
Основные теоретические положения
Для измерения местных скоростей движения жидкости порядка 1 10 1 2 10 м/с широко применяются гидрометрические трубки, а иногда цилиндрические или шаровые зонды. Действие этих приборов основано на измерении скоростного напора hH представляющего собой разность между полным h1 и пьезометрическим h2 напорами
|
|
|
p |
|
u |
2 |
|
|
p |
|
u |
2 |
|
|
hH |
h1 h2 |
|
|
|
|
|
|
|
, |
(4.01.1) |
||||
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
2g |
|
|
2g |
|
|
|||||
где p – статическое давление в мерной точке; u – скорость (местная) в той же точке; – удельный вес жидкости; g – ускорение силы тяжести.
Измерение скорости воды при безнапорном её движении производится в гидравлическом лотке прямоугольного сечения с помощью гидрометрической трубки или гидрометрической вертушки. Гидрометрическая трубка (рис. 4.01.1) имеет отверстие 1, которое каналами 3 и 6 соединено с одной трубкой микроманометра 5, и несколько отверстий 2, которые кольцевым каналом 4 и трубкой 7 связаны с другой стороной микроманометра.
Микроманометр имеет кран 8, снабжён зеркальной шкалой, а также нониусом, что обеспечивает измерение высоты уровня жидкости в стеклянных трубках прибора с точностью до 0,1 мм. Гидрометрическая трубка укреплена на штанге, которая даёт возможность установить её в любом месте поперечного сечения потока и измерить координаты этой точки.
Гидрометрические вертушки предназначены для измерения скоростей течения в отдельных точках потока. Принцип работы вертушек основан на вращении лопастного винта под действием набегающего потока.
Вертушки классифицируются по способу погружения в воду и по способу регистрации числа оборотов лопастного винта. По способу опускания в воду вертушки делятся на штанговые, тросовые и штанго-тросовые, а по способу регистрации числа выходных сигналов на механические, электрические и магнитоэлектрические.
5
Рис. 4.01.1. Гидрометрическая трубка
Для опускания вертушек в точки измерения их закрепляют на штанге или тросе (рис. 4.01.2).
Рис. 4.01.2. Схемы опускания вертушки в поток:
а) жёсткое крепление на штанге; б) подвес на тросе с вертлюгом.
1 – вертушка; 2 – штанга; 3 – указатель направления течения; 4 – вертлюг; 5 – трос; 6 – карабин; 7 – гидрометрический груз
Гидрометрическая штанга представляет собой металлическую трубу диаметром 25–28 мм. Для удобства перевозки штанги делают составными, из отдельных звеньев длиной 0,5–2,0 м. На поверхности штанги нанесены деления, по которым вертушка устанавливается на требуемой глубине. При работе штанга опирается нижним концом в дно реки, а верхний конец удерживается рабочим (рис. 4.01.3, а). Внизу штанга снабжается поддоном, а на верхний конец её надевается указатель направления течения (визир), который входит в комплект вертушки. Указатель применяется для установки вертушки перпендикулярно створу. Визир крепится на штанге так, чтобы его продольная ось совпадала с продольной осью вертушки. Он применяется при измерении скоростей на большой глубине и в мутной воде, когда вертушка сверху не видна. Погружение вертушки в воду на штанге применяют при глубине потока до 3 м.
6
Рис. 4.01.3. Измерение скоростей течения с гидрометрического судна (лодки): а) погружение вертушки в точку измерения на штанге;
б) погружение вертушки на тросе$ 1 – вертушка; 2 – штанга; 3 – гидрометрическая лебёдка; 4 – гидрометрический груз; 5 – трос
При глубинах потока более 3 м используется тросовый подвес с грузом (рис. 4.01.2, б). В этом случае вертушка крепится на вертлюге и погружается в воду при помощи гидрометрической лебёдки (рис. 4.01.3, б). Для уменьшения отклонения троса от вертикали применяется гидрометрический груз обтекаемой формы.
Вертлюг служит для подвеса вертушки и груза на тросе так, чтобы они были обращены навстречу течению. Вертлюг состоит из стержня с двумя кольцами и вращающейся части, к которой крепится вертушка. Посредством карабинов верхнее кольцо (серьга) вертлюга соединяется с тросом гидрометрической лебёдки, а нижнее кольцо – с грузом.
Гидрометрические лебёдки независимо от конструкции включают четыре основные части: станину, грузовую стрелу, барабан для троса, счётчик глубин для определения длины вытравленного троса.
При измерении скоростей течения на средних и больших реках, гидрометрическое судно (лодка), с которого ведутся измерения, устанавливается на скоростных вертикалях на двух якорях.
Скорость течения в точке измерения определяется по зависимости скорости течения от числа оборотов лопастного винта, которая носит название градуировочной (тарировочной) кривой (рис. 4.01.4).
Рис. 4.01.4. Зависимость между числом оборотов лопастного винта и скоростью течения
Эта кривая позволяет указать ряд характерных значений скорости. Величина u0 называется начальной скоростью вертушки – это скорость, при кото-
7
рой вертушка ещё не проявляет своих метрологических свойств. Значения скорости uнп и uвп – соответственно нижняя и верхняя границы диапазона измеряемых значений скорости. Скорость uкр называется критической и определяется, как показание вертушки, при котором и выше которого влияние механических сопротивлений на вращение лопастного винта становится незаметным.
Стабильность метрологических свойств вертушки снижается в области малых скоростей u < uкр. На её показания начинает влиять износ подшипников, засорение механизма, малейшие повреждения оси и лопастей. Влияет и температура воды, от которой зависит вязкость смазки.
График зависимости u(n) устанавливается на заводе-изготовителе в результате градуировочных испытаний, которые проводятся в специальных бассейнах или установках. Рассеяние градуировочной зависимости оценивается в 0,5–2 %. Оно определяет случайную инструментальную погрешность измерения скорости течения в точке.
Построение эпюры скоростей
Измерение скорости в открытых потоках осуществляют как по вертикали (рис. 4.01.5, а), так и по горизонтали (рис. 4.01.5, б).
Рис. 4.01.5. Эпюры скоростей:
а) измерение величины местных скоростей U в вертикальной плоскости для открытых потоков: U1, U2, U3, U4 – местные скорости потока на глубинах h1,
h2, h3, h4 от дна соответственно; Uдон – донная скорость потока; Uпо – поверхностная скорость; б) изменение скорости движения потока по свободной поверхности от уреза до уреза: 1 – левый урез потока; 2 – правый урез потока; 3 – ось потока; Umax – максимальная поверхностная скорость в потоке
Для построения эпюры скоростей, необходимо измерить скорость при помощи гидрометрической трубки в нескольких точках по вертикали и горизонтали (рис. 4.01.6).
Гидрометрическая трубка устанавливается у поверхности воды и у дна лотка. При этом снимаются показания скорости потока на блоке управления, а также координаты расположения входного отверстия измерительной трубки. Координаты для горизонтальной плоскости снимаются при помощи линейки,
8
расположенной на каретке, для вертикальной – используется шкала, расположенная на лицевой части протока.
Рис. 4.01.6. Поперечное сечение потока в лотке
Порядок выполнения лабораторной работы
1 Прочитать и изучить теоретические сведения к лабораторной работе.
2 Внимательно изучить описание лабораторного оборудования и технику безопасности.
3 Проверить подключение стенда к шине защитного заземления.
4 Подсоединить стенд к сети электропитания.
5 По электронному уровню установить наклон лотка равный i 0,002 (6 мм от горизонтального положения лотка).
6 Опустить задвижку на выходе из канала.
7 Установить каретку с гидрометрической трубкой на основание лотка, подключить измерительный прибор к блоку управления.
8 По линейке установить входное отверстие трубки параллельно потоку. Скорость измеряется в трёх точках по горизонтали и в трёх по вертикали.
9 Включить автомат «Сеть» (QF 1).
10 Запустить блок управления кнопкой «Вкл.» (SB 2).
11 Запустить насос и установить расход воды таким образом, чтобы течение жидкости было спокойным.
12 Поднимать щит на выходе из канала, пока уровень воды не станет равным 10 см. Высоту уровня воды записать в табл. 4.01.1.
13 С помощью гидрометрической трубки провести измерения в 9 точках, результаты скорости записать в табл. 4.01.1. Также снять показания расхода по датчику ПРЭМ.
14 После проведения эксперимента необходимо отключить насос. 15 Выключить автомат «Сеть» (QF 1).
16 Отключить блок управления кнопкой «Выкл.» (SB 3).
17Отключить стенд от системы электропитания 220В, 50Гц.
18Навести порядок на рабочем месте.
Обработка результатов
1 На миллиметровой бумаге вычертить эпюры скоростей по вертикали и горизонтали. Определить площадь фигур.
9
2 Определить среднюю скорость потока по горизонтали и вертикали, используя формулы:
uг |
|
S г |
; uв |
|
S в |
, |
|
Вг |
Вв |
||||||
cp |
|
cp |
|
|
где S г и S в – площади эпюры скоростей по горизонтали и вертикали; Вг – уровень воды в лотке; Вв – ширина лотка, равная 250 мм.
3 Определить среднюю скорость потока:
|
иг |
ив |
|
uпот |
ср |
ср |
. |
cp |
|
2 |
|
|
|
|
|
4 Определить расчётный расход по формуле:
Qрасч исрпот пот ,
где пот – площадь живого сечения.
5 Сравнить полученное расчётное значение расхода с данными с ПРЭМ.
|
|
|
|
|
|
Таблица 4.01.1 |
|
|
|
Результаты измерений и вычислений |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
№ |
Координаты |
u, м/с |
Высота слоя |
Расход |
|
Расход |
|
xi |
yi |
воды, h, мм |
QПРЭМ , л/с |
|
Qрасч , л/с |
||
|
|
|
|||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
7 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
Контрольные вопросы
1 В чём заключается принцип действия гидрометрических трубок?
2 Назначение и принцип действия гидрометрических вертушек.
3 Классификация гидрометрических вертушек.
4 Что оказывает влияние на стабильность работы гидрометрической вертушки?
5 Назначение и устройство вертлюга.
6Основные части гидрометрической лебёдки.
7Что такое тарировочная кривая?
8Что такое начальная скорость вертушки?
9Что такое критическая скорость вертушки?
10По каким осям производится измерение скорости в открытых потоках?
11Формулы для определения средних скоростей потока по горизонтали и вертикали.
12Формула для определения расхода.
13Что такое скоростной напор?
14Что такое полный напор?
15Что такое пьезометрический напор?
10