гидравлика

УДК 622.24.532.5

Учебно-лабораторное пособие по общей и подземной гидромеханике.

Иванников В.Г., Иванников А.В., Исаев В.И. Лабораторный практикум по технической гидромеханике. – М.: РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, 2012. – 131 с.

Изложены принципы действия лабораторных стендов, измерительных приборов, теоретические основы гидравлических исследований. Приведены методы экспериментальных определений основных характеристик потоков жидкости. В приложении даются справочные сведения и образцы карт для контроля при защите выполненных лабораторных работ. Выражаем благодарность

Учебное пособие предназначено для студентов всех специальностей.

Рецензенты:

©РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, 2012

©Иванников В.Г., Иванников А.В., Исаев В.И., 2012

-2 -

ВВЕДЕНИЕ

- 3 -

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

D, d- диаметры, м; R, r- радиусы, м;

L, l- длина, м; Q - расход, м3/с;

Q - cила, Н; t - время, с

P- функция Лейбензона; p - давление, Па;

p - перепад давлений, Па;

- касательное напряжение, Па;

w - усреднённая скорость в точке, м/с;

v - средняя скорость в сечении канала, м/с;

S - площадь поперечного сечения канала или частицы, м 2;- динамический коэффициент вязкости, Па с;- кинематический вязкости, Па с;- плотность, кг/м3;

- коэффициент гидравлических сопротивлений; Re = vd / - число Рейнольдса;

- 4 -

НАЗНАЧЕНИЕ ПОСОБИЯ

Учебное пособие служит для закрепления теоретических знаний, полученных на лекциях и практических занятиях по общей и подземной гидромеханике.

В лаборатории студенты имеют возможность применить теоретические знания к решению практических задач, убедиться на практике в правильности полученных теоретических результатов, получить наглядные представления о гидравлических явлениях, ознакомиться с конструкциями и принципами работы различных приборов, измеряющих давление, расход, скорость движения потока жидкости. Лабораторные работы раскрывают физическую сущность процессов, происходящих в неподвижной жидкости и при ее движении.

ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

В начале занятия преподаватель проверяет готовность студентов к выполнению лабораторных работ, контролирует правильность оформления конспекта, порядок расчетов в работах.

Студенты, не подготовившиеся к занятиям, к выполнению лабораторных работ не допускаются.

Группа делится на подгруппы (в зависимости от числа установок) и выполняет работу, обращая внимание на физическую сущность проделываемой работы, конструкцию установки, устройство и принцип работы контрольноизмерительных приборов, оценивая правильность измерений.

Студенты проводят расчеты выполненных работ, результаты расчетов заносят в таблицу и представляют преподавателю.

ОСНОВНЫЕ ПРАВИЛА БЕЗОПАСНОЙ РАБОТЫ НА УСТАНОВКАХ

Выполнение лабораторных работ допускается только после проведения инструктажа и с разрешения преподавателя.

Необходимо соблюдать повышенную осторожность при работе с трубопроводами и измерительными приборами, изготовленными из стекла (оргстекла).

Электродвигатель, приводящий в действие центробежный насос, должен быть заземлен.

При обнаружении неисправности установки доложить об этом преподавателю или лаборанту.

При аварии необходимо немедленно отключить от сети лабораторный стенд, закрыть краны нагнетательных линиях установок.

- 5 -

ГИДРОСТАТИКА

РАБОТА № 1

ИЗМЕРЕНИЕ СТАТИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ В ЖИДКОСТЯХ И ГАЗАХ

Цель работы

1.Измерение давления различными приборами.

2.Расчет абсолютного давления воздуха в сосуде.

3.Расчет плотности жидкости по показаниям жидкостного манометра.

Краткая теория

Давлением в точке p покоящейся ньютоновской жидкости называется аб-

солютное значение (модуль) p нормального напряжения в этой же точке. То

есть, если F– элементарная сила, действующая нормально к площади эле-

ментарной площадки S, находящейся в жидкости, то давление определяется зависимостью

Давление в точке покоящейся жидкости является функцией координат точки и не зависит от ориентации площадки S.

При определении давления, как и любой физической величины, необходимо условиться, что принимать за начало отсчета. Давление, отсчитываемое от нуля, называют абсолютным рабс или просто давлением р, определяемое формулой (1.1) и является всегда положительным. Исходя из конструктивных требований к приборам, измеряющим давление, за нуль отсчета удобно считать атмосферное давление ра. При давлении больше атмосферного прибор будет показывать манометрическое, или избыточное давление ри. Если измеряемое давление меньше атмосферного, прибор показывает вакуумметрическое давление, рв.

Из рисунка 1.1 следует, что абсолютное давление, избыточное давление и атмосферное давление связаны между собой формулами (для рабс1 > pа):

- 6 -

и, ри является превышением абсолютного давления над атмосферным.

Рис. 1.1. Схема поясняющая связь различных видов давления

В свою очередь, вакуумметрическое давление рв (рабс2 < pа) определяется соотношением

и рв можно рассматривать как недостаток абсолютного давления рабс2 до атмосферного. Как видно из (1.3) максимально возможный вакуум равен атмосферному давлению (рв рв(max)= ра при рабс 0).

Если в любой точке А покоящейся с постоянной плотностью жидкости (рис. 1.2) известно давление рА, то можно определить давление р1 в другой точке 1 этой жидкости

где h1 – расстояние по вертикали от исследуемой точки 1 до точки А, при условии, что точка А расположена выше точки 1.

Уравнение (1.4) носит название основного уравнения гидростатики несжимаемой жидкости.

В случае если точка А находится на свободной поверхности жидкости, то рА равно давлению газовой фазы, находящейся над поверхностью жидкости.

Произведение gh1 в (1.4) представляет собой давление столба жидкости высотой h1.

Как следует из определения (1.1) давление р – скалярная величина (в отличие от векторной величины – силы давления) и всегда неотрицательная, имеет в системе СИ размерность

- 7 -

Не все приборы, применяемые для измерения давления, отградуированы в единицах, кратных единицам системы СИ (Па, кПа, МПа и т.д.). Поэтому используются соотношения, связывающие единицы давления для различных систем измерения

Знаки равенства в этом выражении означают равенство величин давления при различных способах их измерения. Реальное атмосферное давление может быть выше или ниже значения одной технической атмосферы. Поэтому точка ра на рис. 1.1 является «плавающей».

На практике приходится измерять давления величиной от миллиметра ртутного столба до сотен тысяч атмосфер. Требуется различная точность измерений, различное конструктивное исполнение приборов для измерения давления. Это многообразие требований породило огромное количество приборов, различных по конструкции и точности измерения, по принципу действия.

В зависимости от необходимости измерения атмосферного, избыточного, абсолютного давления или вакуума существует несколько видов приборов. Для вычисления абсолютного давления, используя формулы (1.1) и (1.2), необходимо знать величину атмосферного давления. Приборы, измеряющие атмосферное давление, называются барометрами, приборы для измерения избыточного давления – манометрами, для измерения вакуума – вакуумметрами.

По принципу действия приборы для измерения давления в жидкости или газе можно разделить на жидкостные, механические, электрические и комбинированные.

Жидкостные приборы основаны на принципе уравновешивания измеряемого давления столбом жидкости в приборе. Основными преимуществами этих приборов являются простота устройства и высокая точность.

Принцип действия механических приборов основан на измерении деформации упругого элемента (мембрана, сильфон, полая трубка), воспринимающего давление.

В приборах электрического типа упругая деформация, возникающая под действием давления, преобразуется в электрический сигнал с помощью датчика давления. Наиболее распространенными являются индуктивные, емкостные, пьезоэлектрические датчики, а также датчики сопротивления (тензодат-

- 8 -

чики).

Описание установки (стенда) для проведения работы

Схема установки для проведения работы представлена на рис. 1.2. Установка состоит из цилиндрического резервуара, пьезометра 1, пружинного манометра 2, жидкостного манометра 3, крана 4, а также других устройств и приборов, которые будут рассмотрены при выполнении работ.

При закачке (откачке) воздуха через кран 4 изменяется давление в каждой точке сосуда, частично заполненного водой. По показаниям пьезометра Н и жидкостного U – образного манометра h можно вычислить давление в лю-

бой точке сосуда. Зная плотность жидкости в сосуде ( ж = 103 кг/м3), можно определить плотность неизвестной жидкости ж0 в манометре 3.

Крышки сосуда 5, 6, 7, 11 могут перемещаться благодаря упругим элементам в местах крепления. Незначительные перемещения этих крышек под действием сил давления воды в сосуде и воздуха над свободной поверхностью передаются на датчик усилий.

Рис. 1.2. Схема стенда для проведения работ по гидростатике

Проведение работы

1.В резервуаре через кран 4 (рис. 1.2) создаем атмосферное, избыточное или вакуумметрическое давление (следует при этом следить, чтобы вода не вылилась из пьезометра или жидкость из U – образного мано-

метра).

-9 -

2.Измеряем показания пьезометра и жидкостного манометра. Показание последнего определяем как разность уровней жидкости в коленах h. Эти приборы измеряют одно и тоже давление воздуха в сосуде.

3.Определяем атмосферное давление по показаниям барометра.

4.Результаты измерений заносим в таблицу 1.1.

5.Вычисляем абсолютное давление воздуха в сосуде pабс и плотность жидкости ж.

Методика расчета

1. При избыточном давлении (рабс > pа в таблице 1.1) его величина определяется по формуле

где в, ж – плотности воды и жидкости в пьезометре и жидкостном U – образном манометре (рис. 1.2).

Абсолютное давление определяется по формуле (1.2). При этом ри берется по показаниям пьезометра

- 10 -