Механика жидкости и газа. Методические указания

2.2.Цели работы

1.Определить значения пьезометрического и скоростного напоров в рассматриваемых сечениях.

2.Построить пьезометрическую и напорную линии.

2.3.Описание установки и порядок проведения опытов

Экспериментальная установка (рис. 2.1) состоит из напорного бака1,трубопроводапеременногосечения4,вентиля5,мерногобака 8, пьезометров 3, перелива 2, секундомера 6, мерного пьезометра 7.

Рис. 2.1. Экспериментальная установка для определения пьезометрических напоров в разных сечениях трубопровода

Исходное положение установки: вентиль закрыт. Вода подается насосом в напорный бак и поддерживается там на одном уровне за счет работы перелива.

Лабораторную работу рекомендуется проводить в следующей последовательности.

Опыт 1

1.Открыть вентиль, обеспечив движение жидкости по трубопроводу с определенным расходом Q.

2.Подождать некоторое время (10–15 с) и затем снять показания с пьезометров.

3.Измерить расход Q, используя мерный бак с мерным пьезометром аналогично лабораторной работе № 1.

4.Занести все полученные данные в журнал.

11

Опыт 2

1.Открыть вентиль, обеспечив движение жидкости по трубопроводу с расходом, отличающимся от расхода в опыте 1.

2.Подождать некоторое время (10–15 с) и затем снять показания с пьезометров.

3.Измерить расход Q, используя мерный бак с мерным пьезометром аналогично лабораторной работе № 1.

4.Занести все полученные данные в журнал.

2.4.Обработка опытных данных

Вычисления расхода и скорости движения жидкости осуществляются по зависимостям (1.3, 1.4) (см. л. р. № 1).

После расчета скоростей на участках необходимо рассчитать

v2

скоростные напоры 2g .

Далее по полученным значениям необходимо построить пьезометрическую и напорную линии для одного из опытов, используя схему для построения, предлагаемую в журнале.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

Определение коэффициента гидравлического трения для трубопровода

3.1. Основные положения и расчетные зависимости

При движении потока жидкости внутри трубы происходят значительные потери энергии (напора). Эти потери вызываются касательными напряжениями, возникающими вследствие появления сил трениямеждуповерхностьюпотокаивнутреннейповерхностьютрубы, а также внутри жидкости.

Существует два вида потерь энергии: а) потери энергии по длине потока; б) местные потери.

12

Рис. 3.2. Алгоритм для определения коэффициента гидравлического трения

14

Если не известен материал трубы, нет возможности посчитать число Re (отсутствует информация о температуре жидкости) или для расчета, не требующего высокой точности, пользуются зависимостью

Длярасчетатрубопроводовчащеиспользуетсяскоростноймножитель, чаще известный под названием коэффициент Шези С.

Он связанс коэффициентом гидравлического трения по зависимости

Коэффициент Шези зависит от относительной шероховатости стенок трубы или открытых русел в квадратичной области, а в переходной зоне наС влияет скорость движения жидкости (т. е. число Re).

В результате исследований, проведенных различными учеными, были получены достаточно простые зависимости для определения С.

Однойизформул,позволяющихопределятькоэффициентШези, является формула Маннинга:

ОпределениеС позволяет вычислять скорость движения жидкости по формуле Шези:

где R – гидравлический радиус, м;I – гидравлический уклон, м/м (б/р). Здесь необходимо помнить, что гидравлический уклон характеризуетотношениепотерьнапораподлинек длинерассматриваемого

участка трубопровода.

15

путем, со значениями, полученными по расчетным формулам.

3.3. Описание установки и порядок проведения опытов

Работа выполняется на использованном для предыдущих лабораторных работ стенде, для чего используют трубопровод, к которомусдвухконцовподключеныпьезометрысоответственно №13и14.

160 см

Рис. 3.3. Трубопровод для выполнения опыта по определению l

Порядок проведения опытов аналогичен л. р. № 2.

3.4. Обработка опытных данных

Вычисления расхода и скорости движения жидкости осуществляются по зависимостям (1.3, 1.4) (см. л. р. № 1).

Далее вычисляем коэффициент гидравлического трения :

где h, см, – разность уровней воды в пьезометрах № 13 и 14, т. е. величина потерь напора при движении жидкости от сечения в месте

16

подключения пьезометра № 13 до сечения в месте подключения пьезометра № 14; d – диаметр трубопровода, см; g – ускорение свободногопадения,g=9,81м/с2 = 981см/с2;l – длина трубопровода, см; v – средняя скорость движения воды по трубопроводу, см/с.

Далеевычисляютзначение по формуле (3.2), при этом значение диаметра подставляют в метрах.

Затемпо зависимости (3.3) определяют значениеC, подставляя , полученный опытным путем (т. е. рассчитанный по формуле (3.6)).

ИвзавершениеопределяетсязначениекоэффициентаCпоформуле Маннинга (3.4).

Полученные данные заносятся в журнал.

По окончании вычислений сравнивают значения коэффициентов, полученных опытным путем, со значениями, полученными по расчетным формулам.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4

Определение коэффициента местного сопротивления

4.1.Основные положения и расчетные зависимости

Кместным гидравлическим сопротивлениям относятся различные устройства и элементы, устанавливаемые на трубопроводах,

вкоторых происходит резкое изменение конфигурации потока. К устройствам и элементам относятся фасонные части: отводы (при отводе на 90° отвод называется коленом), тройники, крестовины, диффузоры (расширяющиеся переходы), конфузоры (сужающиеся переходы), диафрагмы и т. п. – и запорно-регулирующая арматура: вентили, задвижки, затворы, предохранительные и регулирующие клапаны и т. д. Любое препятствие на пути движения жидкости (устроенное

втом числе и не специально) является местным сопротивлением, например скопление ржавчины в каком-то конкретном месте трубы.

При прохождении через любое местное сопротивление поток жидкости деформируется, и для его движения характерны:

значительное искривление линий тока; отрывы транзитной струи от стенок трубопровода и воз-

никновение в местах отрыва устойчивых водоворотных областей;

17

повышенная(посравнениюсравномернымдвижением)пульсация скоростей и давлений;

изменение формы эпюр скоростей.

Местными сопротивлениями вызываются местные потери напора hм. При гидравлических расчетах их величину принято определять по формуле Вейсбаха:

м 2g

где – безразмерныйкоэффициент, называемыйкоэффициентомместного сопротивления, зависит от формы проточной части местного сопротивления; v – средняя скорость потока в сечении за местным сопротивлением, т. е. ниже по течению (бывают исключения, когда скорость v принимается перед сопротивлением – в таком случае это всегда отдельно оговаривается), м/c.

Величину определяют для каждого вида местного сопротивленияпорезультатамгидравлическихэкспериментов,пользуясьформулой(4.1).Полученныетаким образомкоэффициенты приводятся в справочной литературе. Исключениями являются резкое расширение (рис. 4.1, а) и резкое сужение трубопровода (рис. 4.1, б), для ко-

ω1

ω2

ω1 ω2

Рис. 4.1

Так, при резком расширении трубопровода, когда средняя скорость в формуле (4.1) взята перед местным сопротивлением,

18

если же скорость берется за местным сопротивлением, z вычисляется по формуле

Коэффициент сопротивления при резком сужении трубопровода принято относить к скорости после сужения и вычислять по следующей формуле:

4.2.Цели работы

1.Определитьопытнымпутемкоэффициентыместногосопротивления для отводов на 45 и 90 градусов.

2.Сравнить значения коэффициентов, полученные опытным путем, со значениями из справочной литературы.

4.3.Описание установки и порядок проведения опытов

Работавыполняетсянаиспользованномдляпредыдущихлабораторных работ стенде; в данном случае используют трубопровод (рис. 4.2), на котором установлены два отвода на 90° и два отвода на 45°.

Рис. 4.2. Трубопровод для выполнения опыта по определению коэффициентов местных сопротивлений

19

При выполнении данной работы на стенде № 2 необходимо установить соответствие между номерами пьезометров!

Порядок проведения опытов аналогичен л. р. № 2 и 3.

4.4.Обработка опытных данных

1.По показаниям соответствующих пьезометров определяется

потеря напора на местное сопротивление hм, возникающая при прохождении жидкости через два одинаковых отвода.

2.Расход и скорость определяются аналогично предыдущим работам.

3.Далее, пользуясь формулой (4.1), определяют коэффициенты местного сопротивления отводов:

4. Найти в справочной литературе значения коэффициентов местного сопротивления для отводов на 45° и 90° и сделать вывод, сравнив эти значения с полученными на опыте.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5

Определение коэффициентов скорости, расхода, сжатия и сопротивления при истечении жидкости через малое отверстие в тонкой стенке

5.1. Основные положения и расчетные зависимости

Истечение жидкости через отверстия и насадки происходит за счет давлений (напоров) с двух сторон отверстия или насадка (см. рис. 5.1).

Припостояннойразниценапоровполныйнапор,м,поддействием которого происходит истечение, называется напором истечения и определяется по зависимости

20