МИНОБРНАУКИ РОССИИ

————————————

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Омский государственный технический университет»

МЕХАНИКА ЖИДКОСТИ И ГАЗА

Учебное текстовое электронное издание локального распространения

Омск Издательство ОмГТУ

2017

————————————————————————————————

Сведения об издании: 1, 2 © ОмГТУ, 2017

Составители: В. Е. Щерба, А. П. Болштянский, В. С. Виниченко, А. К. Кужбанов, Е. А. Павлюченко, А. Ю. Овсянников, С. Ю. Кайгородов

Механика жидкости и газа : метод. указания к лаб. работам / Минобрнауки России, ОмГТУ ; [сост.: В. Е. Щерба и др.]. – Омск : Изд-во ОмГТУ, 2017.

Издание содержит описание устройства комплексных стендов, используемых при проведении лабораторных исследований; минимальные теоретические сведения, необходимые для выполнения расчетов в процессе обработки результатов опытов, а также порядок их проведения.

Методические указания по дисциплинам «Механика жидкости и газа» и «Гидравлика» предназначены для студентов очной и заочной форм обучения по направлениям 13.03.03 «Энергетическое машиностроение», 23.05.02 «Транспортные средства специального назначения» и 23.03.03 «Эксплуатация транс- портно-технологических машин и комплексов», а также для студентов других направлений, изучающих гидравлику и гидравлические машины.

Рекомендовано редакционно-издательским советом Омского государственного технического университета

© ОмГТУ, 2017

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Чтобы получить допуск к лабораторным работам, необходимо тщательно изучить описание установки и правила работы на ней, подготовить бланк для занесения результатов наблюдений (на нем могут быть вычерчены схемы, размещены пустые таблицы и т. д.) и устно ответить на теоретические вопросы преподавателя, которые непосредственно относятся к теме лабораторной работы.

Все, кто по тем или иным причинам не подготовили бланки и не ответили на вопросы преподавателя по теоретической части, к проведению лабораторных работ не допускаются. Отработать эти занятия можно только в указанное преподавателем время.

Все результаты измерений или расчетов обязательно предоставлять преподавателю в конце академической пары для проверки и подписи. В том случае, если этого не было сделано, преподаватель вправе назначить повторное снятие показаний приборов на последующих занятиях либо в свободное для преподавателя время.

Каждое последующее лабораторное занятие начинается с того, что преподаватель собирает у студентов готовые отчеты с посчитанными данными и сделанными выводами по предыдущей лабораторной работе. В том случае, если полностью готовый отчет не представлен, преподаватель вправе не допустить студента к проведению следующей лабораторной работы.

Отчет по лабораторной работе выполняется на листах белой бумаги (формат А4) и оформляется в соответствии с ГОСТ 2.105-95.

На титульном листе указывается наименование вуза, кафедры, дисциплины, название работы, ФИО того, кто ее выполнил, и того, кто ее проверил, год выполнения работы.

В отчете должны быть указаны: цель работы, схема опытного устройства, таблицы результатов измерений, таблицы с готовыми результатами расчетов, графики (при необходимости), выполненные в декартовых координатах с достаточно частой сеткой.

Все величины, используемые в расчетах, необходимо выражать в единицах СИ.

4

Количество и последовательность проведения лабораторных работ указаны в рабочей программе по дисциплине. Запрещается нарушать последовательность выполнения лабораторных работ.

Запрещено отвлекать студентов, которые выполняют лабораторные работы, так как это может стать причиной травм и других нежелательных последствий.

Лабораторные стенды, находящиеся в аудитории, содержат электрические приборы. По этим и иным причинам студенты обязаны соблюдать правила техники безопасности. В случае перебоев в подаче электроэнергии нужно немедленно отключить стенд и оставаться на своем рабочем месте.

Если произошел несчастный случай, следует немедленно оказать потерпевшему первую медицинскую помощь, а также сообщить о произошедшем своему руководителю.

Необходимо бережно относиться к предоставленному для проведения работы оборудованию.

Запрещается входить в аудиторию в верхней одежде, а также приносить ее с собой.

По окончании выполнения лабораторной работы рабочее место должно быть приведено в полный порядок.

ПРАВИЛА РАБОТЫ НА СТЕНДАХ ТМЖ-2В-09-12ЛР-01 И ТМЖ-001

1.К проведению лабораторных работ допускаются студенты, которые прошли инструктаж по технике безопасности и расписались в специальном журнале.

2.Использование электрооборудования, открытие / закрытие задвижек и вентилей трубопроводов, а также включение измерительных приборов без разрешения преподавателя запрещено.

3.Прежде чем совершать какие-либо действия на стенде, нужно изучить задание и цель работы, а также проверить исправность ограждений

идругих предохранительных устройств.

4.К приборам и устройствам стенда, таким как пьезометры, трубопроводы, измерительные емкости и накопительный бак, запрещено при-

5

кладывать какую-либо внешнюю нагрузку. Нельзя на них опираться или класть посторонние предметы.

5. Запрещено проведение работ, связанных с разборкой соединений, переключением или подтяжкой гибких трубок, идущих к пьезометрам, во время работы насосов или при наличии в установке воды.

6. Прежде чем приступить к работе на стенде ТМЖ-2В-09-12ЛР-01 (рис. 1), нужно убедиться в том, что:

•полностью закрыты задвижка З4 для насоса Н1 и (или) задвижка З5 для насоса Н2;

•полностью закрыты краны КР8, КР12, если отсутствует водозабор или подвод воды от внешних источников;

•кран соответствующего всасывающего трубопровода не перекрыт;

•высота уровня воды в баке Б1 достаточна для нормальной работы (по показаниям указателя уровня, который расположен на торцевой стенке бака);

•гибкие соединения и трубопровод в целом не содержат внешних повреждений или иного рода деформации.

При работе установки краны КР1 и КР6 должны быть постоянно

иполностью открыты. Кран КР4 допускается закрывать только при открытом кране КР3 и работающем насосе H1.

7. Перед включением насосов стенда ТМЖ-001 необходимо убедиться в том, что:

•полностью закрыты краны В7, В12, В36 (но только в том случае, если отсутствует водозабор или подвод жидкости с внешних источников);

•кран соответствующего всасывающего трубопровода не перекрыт. Таким образом, краны В1, В2 и В5 должны быть постоянно и полностью открыты при работе Н3, Н4 и Н5 насосов;

•высота уровня воды в баке 1 достаточна для нормальной работы (по показаниям указателя уровня на панели управления над баком, рис. 2).

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯО СТЕНДЕ ТМЖ-2В-09-12ЛР-01

Схема стенда ТМЖ-2В-09-12ЛР-01 представлена на рис. 1, расшифровка обозначений – в табл. 1.

6

Рис. 1. Схема учебного стенда ТМЖ-2В-09-12ЛР-01:

L12 = 800 мм; L34 = 800 мм; L56 = 115 мм; L67 = 170 мм;

LI = 210 мм; LII = 200 мм; LIII = 190 мм

7

Таблица 1

Стенд состоит из центробежных насосов; основного, накопительного

ичернильного гидробаков; запорной арматуры; измерительных приборов

иустройств; опытных и соединительных трубопроводов, размещенных на сварной раме и поддонах.

Стенд предназначен для исследования гидравлических сопротивлений в опытных трубопроводах Т1, Т2, Т3, Т4, в мерной диафрагме Д1, задвижке З3, а также для опытного получения рабочих характеристик одного центробежного насоса либо двух последовательно или параллельно соединенных насосов.

При подаче струйки чернил в поток через трубопровод Т1 производится демонстрация турбулентного и ламинарного режимов течения.

Через соединительные трубопроводы с помощью центробежного насоса Н3 из бака Б1 рабочая жидкость (вода) нагнетается в накопительный бак Б2. Оттуда рабочая жидкость под постоянным напором поступает к элементам, которые исследуются в ходе лабораторных работ (трубопроводы Т1, Т2, Т3, Т4, диафрагма Д1, задвижка З3).

8

Изображение переключателя насоса WCP 25 представлено на рис. 2.

Рис. 2. Изображение переключателя насоса WСР 25

Переключатель имеет три положения, соответствующих трем уровням подачи. Положение переключателя, отмеченное одной риской (крайнее левое), обеспечивает минимальный уровень производительности насоса. Положение переключателя, отмеченное тремя рисками (крайнее правое), – максимальный уровень производительности.

Накопительный бак Б2 – это изготовленная из оргстекла прозрачная емкость, которая имеет в своей конструкции вертикальную перегородку, разделяющую эту емкость на две секции.

Для того чтобы поддерживать постоянный оптимальный уровень жидкости в баке Б2, высота перегородки должна быть несколько ниже (на 50 мм) стенки его корпуса.

Рабочая жидкость в процессе проведения лабораторной работы с помощью насоса Н3 непрерывно поступает в бак Б2. Уровень жидкости

вэтом баке определяется высотой перегородки. Если по каким-либо причинам высота воды в баке ниже минимальной отметки, проводить снятие показаний статических напоров в пьезометрах № 1–17 нельзя!

Впроцессе поддержания рабочего уровня жидкости в бакеБ2 все ее излишки переливаются через перегородку в его вторую часть и сливаются

вбак Б1 через гибкие шланги.

После того как все показания сняты и основная работа завершена, вся жидкость из напорной секции и бака Б2 может быть слита в основной бак Б1 при открытии крана КР5. При работе на стенде и снятии показаний кран должен быть закрыт.

9

Для проведения лабораторных работ, требующих окрашивания чернилами части рабочей жидкости, существует способ, предотвращающий окрашивание всей рабочей жидкости в стенде.

Этот способ заключается в том, что вода подается в бак Б2 извнешнего источника – водопровода – с помощью крана КР8 при закрытом кране КР7. При использовании такого соединения подкрашенная чернилами жидкость из мерной емкости ЕМ2 сливается в канализацию через открытый кран КР12, при этом кран КР11 должен быть закрыт.

Всасывающими трубопроводами центробежные насосы Н1 и Н3 (WСР 25) через шаровые краны КР1, КР6 соединены с баком Б1.

Если насосы Н1 и Н3 работают параллельно, то рабочая жидкость поступает к насосу Н2 через открытый кран КР4 из бака Б2.

Если насосы Н1 и Н2 работают последовательно, то рабочая жидкость поступает из бака Б1 с помощью насоса Н1 и через открытый кран КР3 на всасывание насоса Н2 при закрытых кранах КР4 и КР2.

При работе стенда краны КР1 и КР6 всегда должны быть открыты. Трубопроводы, предназначенные для проведения опытов, имеют круглое поперечное сечение и прозрачные гладкие стенки. Сужения и расширения между участками с разными условными проходами трубопровода ТЗ (для исследования уравнения Бернулли) выполнены в виде конусов для обеспечения безотрывного течения и отсутствия вихрей. Переходы между участками трубопровода Т4 выполнены в виде внезапного

расширения и сужения.

В каждом из трубопроводов существует регулировка величины подачи жидкости. Для этого в трубопроводах используются регулируемые задвижки З1–З7.

Подача жидкости через трубопроводы 1 и 2 (Т1 и Т2) регулируется с помощью задвижек З1 и З2.

Для того чтобы измерять расход через диафрагму Д1, используется клиновая задвижка З5.

10

Для исследования участка внезапного расширения используется задвижка З4.

Для регулирования расхода рабочей жидкости по сложному участку трубопровода Т3 используется задвижка З6.

Чтобы обеспечить последовательную или параллельную работу насосов Н1 и Н2, необходимо переключать шаровые краны КР2, КР3 и КР4.

Задвижка З7 предназначена для создания подпора в напорном трубопроводе при исследовании характеристик насосов. В том случае, если насосы Н1 и Н2 соединены параллельно, всасывание насоса Н2 осуществляется при закрытом кране КР5 и открытом кране КР4 из накопительного бака.

Определение расхода жидкости производится объемным методом. В стенде имеются две мерные емкости ЕМ1 и ЕМ2. Время, за которое эти емкости наполняются, можно определить двумя способами.

Первый способ (наиболее простой) – с помощью электронного секундомера, который использует поплавковый датчик.

Другим способом определения времени является визуальный – по шкале, нанесенной на саму емкость. Время в этом случае засекается секундомером вручную.

При использовании ручного режима следует воспользоваться следующими рекомендациями.

Необходимо закрыть кран (в зависимости от используемой емкости ЕМ1 или ЕМ2 – это, соответственно, КР9 или КР10), после чего в емкости должно набраться некоторое количество жидкости до выбранной произвольно отметки, которая считается началом отсчета, и начать отсчет времени. После того как вода наберется до следующего выбранного положения на шкале, секундомер необходимо остановить. Для сброса текущего времени на шкале секундомера используется кнопка «СБРОС ПАРАМЕТРОВ».

В качестве секундомера при автоматическом измерении времени используется электронный прибор «ОВЕН», являющийся счетчиком импульсов. В этом случае при переключении прибора в положение «ЕМ1» или «ЕМ2» осуществляется автоматический отсчет времени заполнения соответствующей емкости. Начало и конец отсчета определяются сигна-

11

лами от поплавковых датчиков уровня, расположенных в мерных емкостях. При автоматическом замере времени контрольный объем жидкости составляет два литра.

Для того чтобы слить жидкость, которая находится в мерных емкостях ЕМ1 и ЕМ2, нужно открыть соответственно краны КР9 и КР10.

Из емкости ЕМ1 воду можно слить двумя способами, используя краны КР11 и КР12. При открытом первом кране и закрытом втором слив осуществляется в бак Б1, и наоборот – при закрытом КР11 и открытом КР12 слив осуществляется в бак Б2.

При переключении прибора СИ-8 в положение «Расход воды по счетчику» и при нажатии кнопки “»” на табло отображается величина подачи насоса (измеряется расходомером РМ1 – счетчиком жидкости марки СГВ-20). Этот режим используется для измерения расхода жидкости через сопло при исследовании силового взаимодействия струи жидкости с твердой преградой.

На рис. 3 представлена схема, поясняющая принцип работы лопастного (пластинчатого) счетчика количества воды.

Рис. 3. Счетчик с пластинчатыми лопастями

Жидкость, расход которой нужно измерить, движется в ограниченном пространстве корпуса 6, взаимодействуя с ротором 8. В самом роторе

12

находится кулачок 7, который является неподвижным, на него опираются ролики 9 (всего их 4), а уже на них закреплены лопатки 1, 2, 4 и 5. Перемычка 3 препятствует перетеканию жидкости из одной полости в другугю.

Жидкость под давлением поступает на лопасть 5 через входной патрубок. Этим самым она приводит во вращение ротор. Вращение передается на указатель счетчика.

Ролики катятся по кулачку, лопасти при этом поочередно занимают место снаружи и внутри ротора.

Таким образом, за полный оборот ротора через счетчик проходит количество жидкости, равное разности объемов цилиндра и ротора.

При разработке и изготовлении таких счетчиков особое внимание уделяют легкости хода ротора и уменьшению различного рода перетечек.

Погрешность таких счетчиков чаще всего мала и находится в пределах 1 % в диапазоне 10–100 % от номинального расхода жидкости.

Для определения перепадов статических напоров, которые имеются на различных участках трубопровода, в стенде используются пьезометры, которые установлены на его передней панели. Там же расположены дифференциальные пьезометры, которые используются для определения перепада статических напоров на различных элементах трубопровода.

Статическое давление, которое находится на выходе насосов Н1 и Н2, измеряется датчиками давления ДД1 и ДД2. Показания этих приборов в килопаскалях (кПа) отражаются на цифровом табло, которое находится на передней панели стенда.

Перед тем как записать показание прибора с информационного табло, необходимо дождаться, пока оно перестанет изменяться и достигнет некоторого статического значения. Это будет означать, что переходные процессы, которые возникают при изменении положений задвижек, закончились.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯО СТЕНДЕ ТМЖ-001

Схема стенда ТМЖ-001 представлена на рис. 4, расшифровка обозначений – в табл. 2.

13

Рис. 4. Схема стенда ТМЖ-001

14

Стенд состоит из центробежных насосов; погружного насоса; основного, накопительного и чернильного гидробаков; мерной ёмкости; запорной арматуры; измерительных приборов и устройств; трубопроводов для проведения опытов и соединительных трубопроводов, размещенных на сварной раме и поддонах.

Стенд предназначен для исследования гидравлических сопротивлений в трубопроводах, мерной диафрагме, в задвижках, а также для экспериментального получения рабочих характеристик одного насоса или двух последовательно и параллельно соединенных насосов. При подаче струй-

15

ки чернил в поток жидкости производится демонстрация ламинарного и турбулентного режимов течения.

Стенд имеет рамную металлическую конструкцию с полимерным покрытием и установлен на колесах с тормозным механизмом. Гидравлический бак емкостью 160 л размещен на горизонтальной столешнице стенда.

На вертикальной столешнице находится группа пьезометров, которые соединены гибкой трубкой с контурной точкой исследуемых трубопроводов, а также краны и вентили управления модулей мерной ёмкостью 6, объемом 10 л.

Панель управления стендом показана на рис. 5.

На горизонтальной столешнице также размещены два насоса (3 и 4),

струбопроводами и регулирующими кранами. На линии трубопровода установлены датчики давления РЕ1–РЕ3.

Выше их расположены модули с трубопроводами и кранами, которые

спомощью гибких трубок соединены с пьезометрическими трубками на панели пьезометров, расположенных на вертикальной панели стенда.

Пьезометры состоят из прозрачных трубок из оргстекла, верхние концы которых объединены между собой общим коллектором, из которого

16

выведена гибкая сливная труба, с установленным в конце краном К1 для выравнивания давления в пьезометрах.

На задней стенке вертикальной столешницы расположены трубопроводы с впускным и выходным коллекторами, а также счетчик-расхо- домер, выход которого проводником соединен с прибором измерения расхода воды.

Впускной коллектор представлен следующим комплектом исследуемых модулей:

‒модуль Ml «Диаграмма Бернулли». Представляет собой круглую трубку, которая содержит участок «трубы Вентури» и имеет ряд отверстий со штуцерами для измерения давления в различных участках трубопровода;

‒модуль М2 «Потери напора по длине в круглой трубе». Представляет собой круглую трубку, в которой по мере удаления от бака расположены отверстия со штуцерами для измерения давления в различных участках трубопровода;

17

‒модуль М3 «Потери напора на внезапном сужении». Представляет собой круглую трубку, которая содержит участок с местным сопротивлением, выполненным в виде внезапного сужения, и имеет ряд отверстий со штуцерами для определения давлений в разных сечениях;

‒модуль М4 «Потери напора на внезапном расширении». Представляет собой круглую трубку, содержащую участок с местным сопротивлением, выполненным в виде внезапного расширения, и имеющую ряд отверстий со штуцерами для определения давлений в разных сечениях;

‒модуль М5 «Потери напора на диафрагме». Представляет собой круглую трубку, в которую встроена диафрагма, с рядом отверстий со штуцерами для определения давлений в разных сечениях;

‒модуль М6 «Исследование местного сопротивления в виде затвора». Представляет собой круглую трубку, содержащую дроссельный регулятор расхода (имитирует затвор) и имеющую ряд отверстий со штуцерами для определения давлений в разных сечениях;

‒модуль М7 «Режимы течения». Представляет собой круглую трубку, в начале которой встроена капиллярная трубка для подачи подкрашенной жидкости. Вход этого модуля жестко закреплен настолешнице и соединен гибким шлангом с помпой 18 (Н5). Капиллярная трубка моду-

ля М7 через капельницу с вентилем В29 соединена с верхней ёмкостью, в которую заливается подкрашенная жидкость.

Для определения расхода жидкости через какие-либо элементы стенда используется объемный способ. В мерные емкости для фиксирования их заполнения встроены поплавковые датчики, а на передней стенке находится табло, куда выводится показание секундомера.

Прибор «ОВЕН» на панели управления запрограммирован для работы в режиме, соответствующем измерению времени.

18