Гидродинамика шахтных потоков. Лабораторный практикум

7.2  Порядок выполнения работы

1  Проверяется отсутствие воздуха в пьезометрах 1 и 2. 2  После включения системы питания последовательно

устанавливаются различные положения вентиля 2, расположенного на трубопроводе, чем обеспечивается до 7…10 различных расходов воды в нем. Расходы эти замеряются тонкостенным треугольным водосливом, смонтированным в лотке 3.

3  При замере каждого расхода снимаются показания пьезометров 1 и 2, игольчатого уровнемера, установленного перед мерным водосливом; фиксируется также температура воды в лотке.

Все этапы работы, перечисленные в п.  1…3, более подробно описаны в лабораторной работе № 5.

Опытные данные заносятся в таблицу  7.1.

Таблица  7.1 – Результаты измерений

Примечание. Диаметр трубопровода d =; площадь сечения трубопровода w1 =; площадь наименьшего сечения сужающего устройства w =.

Обработка экспериментальных данных. Осуществляется она в приведенной ниже последовательности.

1  По разности показаний пьезометров определяют перепад потенциальных напоров h.

61

2  По формуле (7.1) подсчитывают значение коэффициента расхода m.

3  По найденному расходу Q определяют среднюю скорость потока в трубопроводе:

v = Qw.

4 Подсчитывают число Рейнольдса: Re = vdn .

Результаты вычислений также заносят в таблицу  7.1. По данным таблицы  7.1 вычерчивают график зависимо-

сти m = f(Re), с помощью которого определяют нижнюю границу квадратичнойзоны,впределахкоторойm=const.,атакжеграфик зависимости расхода Q от перепада потенциальных напоров h.

7.3  Требования к отчету

Отчет должен содержать:

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

-  сведения о методике определения расхода жидкости или газа сужающимися расходомерами;

-  расчеты по формулам с указанием определяющих параметров;

-  результаты измерений и расчетов, сведенные в таблицу (таблица  7.1);

-  выводы.

7.4  Контрольные вопросы

1  Какими приборами производится измерение расхода жидкостей и газов?

2  В чем состоит принцип измерения расхода жидкости сужающими расходомерами?

3  Какие недостатки у способа измерения расхода жидкости нормальной диафрагмой?

4  В чем состоит преимущество измерения расхода жидкости с помощью трубы Вентури?

62

Лабораторная работа №  8 Исследование гидравлического удара в трубопроводе

Цель работы: освоение теоретических и практических навыков определения величины повышения давления в напорном трубопроводе при прямом гидравлическом ударе и скорости распространения ударной волны по опытным данным; сравнения полученных результатов с вычисленными по теоретическим формулам Н.Е. Жуковского значениями.

8.1  Общие теоретические положения

Гидравлическим ударом называется повышение или понижение гидромеханического давления в напорном трубопроводе, вызванное изменением во времени в каком-либо сечении трубопровода средней скорости движения жидкости. Причиной последней является закрытие или открытие запорного устройства (задвижки, клапана, золотника), остановка или пуск турбины, насоса или иной гидравлической машины. Явление гидравлического удара обусловливается инерцией массы жидкости, заключенной в трубопроводе, скорость движения которой изменяется во времени. На характер гидравлического удара оказывают большое влияние сжимаемость жидкости и деформируемость стенок трубопровода. Образующийся при этом «упругий» удар распространяется вдоль трубопровода длиной l с большой скоростью c, называемой скоростью распространения ударной волны.

Величина c в случае цилиндрической трубы определяется теоретической формулой Н.Е. Жуковского:

где g – удельный вес жидкости; Eж – модуль объемной упругости жидкости; Eт – модуль упругости материала стенок трубы; d – внутренний диаметр трубы; e – толщина стенок трубы; c0 – скорость распространения звука в покоящейся жидкости.

63

Численные значения с и c0 для различных жидкостей приведены в учебной и справочной литературе [1, 3, 5, 6]. Для воды, например, с0 = 1425 м/с.

Величина гидравлического удара hуд определяется также теоретической формулой Н.Е. Жуковского:

где Dv – положительное или отрицательное приращение во времени скорости движения жидкости.

Как следует из (8.2), при положительном Dv, т.е. при увеличении начальной скорости v0, hуд приобретает отрицательное значение, что приводит к возникновению волны понижения давления (отрицательный гидравлический удар); при уменьшении же начальной скорости v0, т.е. при отрицательном значении Dv, hуд приобретает положительное значение, что приводит к возникновению волны повышения давления (положительный гидравлический удар).

В случае полного закрытия запорного устройства или останова гидравлической машины Dv = –v0, тогда

Гидравлический удар может быть прямым (начальным) и отраженным (непрямым). Прямой гидравлический удар образуется в том случае, когда волна гидравлического удара распространяется вдоль трубопровода от места ее возникновения до места, где она отражается.

Отраженный гидравлический удар образуется, когда волна гидравлического удара возникает благодаря отражению от какого-либо «препятствия» или резервуара с жидкостью.

Гидравлический удар может быть также полным и неполным. Полным гидравлическим ударом называется наибольшая величина постепенно нарастающего (до определенной величины) прямого гидравлического удара, не сниженная отраженным ударом (имеющим другой знак и не успевшим дойти до места зарождения данного прямого удара к моменту завершения его роста). Величина повышения давления hуд

64

в этом случае определяется выражением (8.3). Неполным гидравлическим ударом называется его наибольшая величина, получающаяся в месте зарождения прямого удара в случае, когда отраженный удар успевает прийти к указанному месту раньше, чем постепенно нарастающий прямой удар достигнет своего наибольшего значения. Неполный гидравлический удар возникает в том случае, когда

где tз – длительность срабатывания запорного устройства; tф – фаза гидравлического удара, т.е. время пробега лобовой точкой волны изменения давления от запорного устройства до резервуара и обратно (удвоенная фаза составляет один период), равное

ф c

Величина повышения давления при неполном гидравлическом ударе определяется приближенной формулой

2lv

hуд.неп = gt0 . (8.6)

з

Для коротких трубопроводов наиболее опасным является положительный полный прямой гидравлический удар, при котором повышение давления, достигнув значительной величины, может привести к нарушению целостности трубопровода, разрушению деталей машин и приборов, несвоевременной сработке отдельных устройств гидросистем (реле давлений, реле времени, гидрозамков и др.).

Интенсивность гидравлического удара может быть снижена путем увеличения длительности срабатывания запорных устройств; локализация – установкой на трубопроводе, вблизи места возможного возникновения гидравлического удара, различных компенсаторов давления (уравнительных башен, воздушных колпаков, гидравлических аккумуляторов, предохранительных клапанов и др.).

Описание экспериментальной установки. Работа по исследованию гидравлического удара проводится на простом трубопроводе постоянного сечения (рисунок  8.1).

65

Вода в трубопровод 2 поступает из напорного бака 1 и сливается в металлический лоток, где установлен измерительный водослив (описание экспериментальной установки дано в лабораторной работе № 5). В конце экспериментального трубопровода установлен поворотный кран 5, а перед ним – манометр 3, позволяющий фиксировать давление в трубопроводе, и индикатор давления 4, предназначенный для снятия индикаторной диаграммы.

1

Н = const

Рисунок  8.1 – Схема экспериментальной установки

Индикатор давления изображен на рисунке  8.2. Основными его элементами являются цилиндр 5 с поршнем 4, нагруженными пружиной 3, рычаг 2 и вращающийся барабан 1. Цилиндр крепится к опытному трубопроводу с помощью штуцера 6. Накидной гайкой индикатор связан с трехходовым краном 7, позволяющим соединять внутреннюю полость цилиндра либо с атмосферой, либо с трубопроводом. В конце рычага имеется карандаш К, который своим острием касается специальной ленты, намотанной на барабан, вращающийся от натяжения шнура 8.

При начальном давлении p0 в трубопроводе поршень индикатора находится в равновесии, и карандаш на ленте при вращении барабана прочерчивает горизонтальную линию. При мгновенном закрытии крана 5 (см. рисунок  8.1) возникающее

66

в трубопроводе повышенное давление передается поршню индикатора, и карандаш причерчивает на бумаге восходящую наклонную линию, угол наклона которой зависит от скорости вращения барабана. По истечении фазы давление у затвора понижается, и карандаш прочерчивает на бумаге нисходящую наклонную линию, которая опускается ниже первоначальной линии. Эти колебания давления повторяются, быстро затухая.

1

2

К

4

5

7

6

Рисунок  8.2 – Индикатор давления

8.2  Порядок выполнения работы

1  После включения насоса и заполнения жидкостью напорного бака (до начала работы холостого слива, что обеспечивает постоянный напор, H в баке) полностью, открывают кран 5 и в течение нескольких минут прогоняют воду через трубопровод с целью удаления из него воздуха, который может исказить весь характер гидравлического удара.

2  После удаления воздуха из трубопровода несколько прикрывают кран 5, добиваясь такого расхода, при котором скорость движения воды v0 в трубопроводе составит 0,4…0,5 м/с. Величину установившегося при этом расхода Q определяют с по-

67

мощью водослива Томсона. Опытные данные по определению расхода вносят в таблицу  6.1 (см. лабораторную работу № 6).

3  Полностью открывают трехходовой кран на штуцере, приводят во вращение барабан индикатора, при этом, как уже упоминалось, карандаш прочерчивает на ленте горизонтальную линию.

4  Резко перекрывают кран 5, что приводит к возникновению гидравлического удара: изменение давления, происходящее в трубопроводе фиксируется манометром и индикатором.

5  Опыт повторяют, но уже при меньшем открытии крана 5, при котором скорость v0 движения воды в трубопроводе составляет 0,2…0,3 м/с.

Обработка экспериментальных данных. Осуществляется она в приведенной ниже последовательности.

1  По замеренным расходам воды Q подсчитывают средние скорости v0 движения воды в трубопроводе для каждого опыта.

2  По начальному и конечному показаниям манометра и снятой индикаторной диаграмме определяют опытную величину повышения давления hуд.оп (учитывая масштаб диаграммы).

3  По формуле (8.3) определяют опытное значение скорости распространения ударной волны cоп.

Все данные измерений заносят в соответствующие графы таблицы  8.1.

Таблица  8.1 – Результаты измерений

Примечание. Материал трубопровода –; модуль упругости материала трубы Eт =; длина трубопровода l =; внутренний

68

диаметр трубопровода d =; толщина стенок трубы e =; принятый модуль упругости воды Eв =.

8.3  Требования к отчету

Отчет должен содержать:

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

-  сведения о методике определения величины повышения давления в напорном трубопроводе при прямом гидравлическом ударе и скорости распространения ударной волны по опытным данным;

-  результаты измерений и расчетов, сведенные в таблицу (таблица  8.1);

-  результаты обработки экспериментальных данных; -  выводы.

8.4  Контрольные вопросы

1  Что называется гидравлическим ударом?

2  Чем обусловлено явление гидравлического удара?

3  Какие параметры жидкости оказывают влияние на характер гидравлического удара?

4  Что такое прямой и непрямой гидравлический удар? 5  Что такое полный и неполный гидравлический удар? 6  Как может быть снижена интенсивность гидравличе-

ского удара?

69

Лабораторная работа №  9 Исследование истечения жидкости через малые отверстия в тонкой стенке и через насадки

Цель работы: освоение теоретических и практических навыков экспериментального определения коэффициентов расхода, скорости, сжатия и сопротивления при истечении жидкости из малого круглого отверстия в тонкой стенке и через насадок Вентури при постоянном напоре; сравнения полученных значений со справочными; наблюдения инверсии струи, вытекающей из отверстий различного очертания; исследования характера истечения из различных насадков; измерения вакуума в насадке Вентури и наблюдения его срыва; экспериментального определения времени частичного опорожнения напорного бака; сравнения полученных значений с теоретическими.

9.1  Общие теоретические положения

Малым называется такое отверстие, при расчете истечения из которого пренебрегают скоростью подхода и считают местные скорости во всех точках сжатого сечения практически одинаковыми, что наблюдается при h (или d) ≤ 0,1H, где h – вертикальный размер в случае некруглого отверстия; d – диаметр круглого отверстия; H – напор относительно плоскости сравнения 0 – 0, проведенной через центр тяжести площади w отверстия (рисунок  9.1).

Стенка считается в гидравлическом смысле тонкой, если ее толщина d≤(2,0…2,5)d. В этом случае толщина стенки не влияет на истечение жидкости, и в расчет принимается только местное сопротивление, возникающее при сжатии струи. В частном случае края отверстия могут иметь заостренную кромку.

Сжатое сечение площадью wc образуется на расстоянии l @ (0,5…1,0)d. Сжатие обусловливается инерцией частиц жидкости, движущихся по криволинейным непараллельным траекториям при подходе к отверстию. Движение жидкости в сжатом сечении практически плавно изменяющееся; площадь этого сечения определяется зависимостью

70