Гидродинамика шахтных потоков. Лабораторный практикум

работы внутренних и внешних сил трения единицей веса жидкости на пути между сечениями.

С энергетической точки зрения кривую E – E (см. рисунок  6.1) следует считать линией полной удельной энергии, а кривую P – P – линией удельной потенциальной энергии.

Описание экспериментальной установки. Трубопровод переменного сечения (рисунок  6.2) состоит из нескольких последовательно соединенных между собой труб разного диаметра. На характерных участках трубопровода, т.е. при переходе от одного диаметра к другому и на поворотах, установлены пьезометры. Все пьезометры выведены на специальные щиты, нуль шкалы которых совпадает с плоскостью сравнения, расположенной ниже оси трубопровода. Вода из водооборотного бассейна А центробежным насосом 8 подается в напорный бак Б, откуда поступает в трубопровод.

Уровень воды в напорном баке при помощи холостого слива 9 поддерживается постоянным на протяжении всего опыта. Установленный в конце трубопровода 1 вентиль 2 регулирует расход воды. Из трубопровода вода поступает в металлический лоток 3.

В лотке имеется вертикальная перегородка 4 с отверстиями, служащая для успокоения поступающей в лоток воды, а также тонкостенный треугольный водослив 6 с углом при вершине, равным 90° (водослив Томсона).

Здесь могут быть использованы и другие водосливы с тонкой стенкой и с иной геометрической формой водосливного отверстия. По напору перед водосливом определяется расход воды в системе.

Для определения отметки гребня водослива, а также отметки уровня воды в лотке перед водосливом (в верхнем бьефе) над лотком на специальной подставке установлен игольчатый уровнемер 5. (Описание его и правила пользования даны в лабораторной работе № 3).

Вода из лотка через сливную трубу 7 сбрасывается в водооборотный бассейн А.

51

6.2  Порядок выполнения работы

1  До начала работы необходимо убедиться в том, что в пьезометрах отсутствует воздух, для чего показания всех пьезометров сравнивают между собой. Если в них нет воздуха и вода

втрубопроводе не движется, уровни в пьезометрах должны быть на одной и той же высоте (по закону сообщающихся сосудов). Если же уровни воды в пьезометрах будут разные, то необходимо удалить из них воздух. Для этого пьезометры снимают со щитов и держат в горизонтальном или несколько наклонном положении, для того чтобы с некоторым количеством слитой воды удалить воздушные пробки.

2  Включается в работу насос 8, подающий воду из водооборотного бассейна А в напорный бак Б.

3  После заполнения напорного бака (о чем свидельствует начавшийся сброс воды через холостой слив 9) открывается вентиль 2, и в трубопроводе устанавливается некоторый постоянный на протяжении всего опыта расход Q. В процессе опыта нельзя изменять открытие вентиля. О постоянстве расхода

втрубопроводе можно судить по показаниям игольчатого уровнемера, установленного над лотком 3. Эти указания необходимо соблюдать также при выполнении последующих работ, связанных с движением воды в трубах.

4  Игольчатым уровнемером 5 фиксируются отметки вер-

шины угла треугольного измерительного водослива 0 и горизонта перед водосливом . Разность отметок позволяет подсчитать напор на водосливе:

5  По кривой Q = f(H′), полученной в результате тарировки самого водослива, определяется расход воды на водосливе.

6  Снимаются показания пьезометров, установленные на трубопроводе. При этом следует иметь в виду, что уровни воды в пьезометрах колеблются иногда довольно значительно. Это свидетельствует о наличии в трубопроводе турбулентного режима движения, при котором имеет место пульсация скоростей, а значит, и давления. Поэтому во избежание грубых ошибок при снятии показаний пьезометра необходимо фиксировать

53

среднее положение уровня воды в них. Это указание необходимо соблюдать и при выполнении последующих работ, проводимых на трубопроводах.

Обработка экспериментальных данных. Осуществляется она в приведенной ниже последовательности.

1  По измеренному расходу Q с помощью формулы

подсчитывают средние значения скорости движения во всех сечениях трубопровода, а затем скоростные напоры (удельную

кинетическую энергию) av2 . 2g

2  По показаниям пьезометров и значениям скоростных напоров подсчитывают полную удельную энергию в сечениях:

3  По разности полных удельных энергий в сечениях определяют потери энергии (напора) hтр между ними.

4  По показаниям пьезометров на схему трубопровода, вычерченную на миллиметровой бумаге, наносят в определенном масштабе пьезометрическую линию.

5  По вычисленным значениям полной удельной энергии таким же образом наносят напорную линию. Для большей наглядности линии рекомендуется показывать разными цветами.

6.3  Требования к отчету

Отчет должен содержать:

-  ответы на приведенные ниже контрольные вопросы (краткий конспект);

-  сведения о методике построения пьезометрической и напорной линий для трубопровода переменного сечения;

-  расчеты по формулам с указанием определяющих параметров;

-  результаты измерений и расчетов, сведенные в таблицы (таблицы  6.1 и 6.2);

54

-  результаты обработки экспериментальных данных; -  выводы.

Все экспериментальные данные по определению расхода воды вносят в таблицу  6.1.

Таблица  6.1 – Результаты измерений

Отсчеты по пьезометрам заносятся в соответствующие графы таблицы  6.2.

Таблица  6.2 – Результаты обработки экспериментальных данных

6.4  Контрольные вопросы

1  Как записывается уравнение баланса удельной энергии потока реальной жидкости при установившемся движении?

55

2  В чем состоит геометрический смысл уравнения Бернулли?

3  В чем состоит энергетический смысл уравнения Бернулли?

4. Как определяется коэффициент Кориолиса?

56

Лабораторная работа №  7 Тарировка сужающихся расходомеров

Цель работы: освоение теоретических и практических навыков определения экспериментального значения коэффициента расхода m сужающего устройства при различных расходах жидкости; построения зависимости коэффициента расхода m от числа Рейнольдса по экспериментальным данным; определения по графику m = (Re) нижней границы квадратичной зоны (m = const); построения по экспериментальным данным графика зависимости расходов воды Q от перепадов потенциальных напоров h.

7.1  Общие теоретические положения

Для измерения расхода жидкости или газа в напорных трубопроводах на практике весьма часто используются сужающие расходомеры. Измерение ими расхода основывается на создании перепада потенциальных напоров, обусловленного разностью площадей сечений самого трубопровода и сужающего устройства. К таким расходомерам относятся диафрагмы (рисунок  7.1), сопла (рисунок  7.2), трубы Вентури (рисунок  7.3).

Рисунок  7.1 – Диафрагма

57

Рисунок  7.4 – Дифманометр

Эта зависимость имеет вид

где m – коэффициент расхода сужающего устройства, определяемый по формуле

w, w1 и wc – соответственно площадь наименьшего сечения сужающего устройства, площадь сечения трубопровода и площадь наиболее сжатого сечения потока за сужающим устройством;

кинетической энергии в сечениях 1 – 1 и 2 – 2; x – коэффици-

ент сопротивления, или коэффициент потерь напора между выбранными сечениями.

59

Значение коэффициента расхода m по формуле (7.2) может быть вычислено лишь приближенно, поскольку величины коэффициентов ac, a1 и x для данной конструкции расходомера не могут быть точно определены. Следует иметь в виду, что перепад потенциальных напоров h обычно замеряется в сечениях, не всегда совпадающих с выбранными. Поэтому с достаточной для практических расчетов точностью значение коэффициента m для каждого расходомера определяется экспериментальным путем при различных расходах, а значит,

иразличных числах Рейнольдса, что позволяет получить зависимость m = f(Re). В области квадратичного сопротивления для данного расходомера m = const.

Тарировочные данные обычно представляют в виде графика зависимости расхода Q от перепада потенциальных напоров h: Q = f(h). В квадратичной области эта зависимость на графике в логарифмических координатах изображается прямой линией. Пользуясь им, можно по перепаду потенциальных напоров h непосредственно находить расход Q, не прибегая к формуле (7.1).

Из рассмотренных сужающих устройств диафрагма, хотя

иотличается простотой конструкции, имеет наибольшие гидравлические сопротивления, кроме того, в процессе эксплуатации вследствие износа острой кромки отверстия коэффициент расхода ее с течением времени изменяется. Указанные недостатки не свойственны трубе Вентури, поэтому она нашла наибольшее распространение в практике.

Для нормальных диафрагм и сопел значение коэффициента расхода m может быть определено по экспериментальным

графикам. Размеры нормальных диафрагм и сопел, а также графики зависимости коэффициента расхода m от соотношения диаметров d / D (см. рисунок  7.4) и чисел Рейнольдса приводятся в литературе [1, 3].

Описание экспериментальной установки. Сужающее ус­ тройство установлено на трубопроводе переменного сечения, описанном в лабораторной работе № 6 (см. рисунок  6.2). Перепад потенциальных напоров h сужающего устройства измеряется при помощи пьезометров 1 и 2, смонтированных на щите № 1.

60