1.5. Составление отчёта

1.5.1. Цель работы.

1.5.2. Схема опытной установки.

1.5.3. Исходные данные:

- внутренний диаметр стеклянной трубы d = 36 мм;

- площадь поперечного сечения стеклянной трубы S = …, м².

1.5.4. Таблица результатов измерений и вычислений.

Таблица 1.2

№ опыта	Режим течения жидкости (определяется визуально)	Объём воды в мерном сосуде, W	Время наполнения мерного сосуда, t	Температура воды t	Расход воды Q=	Средняя скорость течения V=	Кинематическая вязкость ν,10-4	Число Рейнольдса, Re=
-	-	м³	сек	ºС	м³/с	м/с	м²/с	-
1
2
3

1.5.5. Выводы:

- о соответствии числа Рейнольдса, определяющего тот или иной режим течения жидкости, и визуальных наблюдений;

- о влиянии вязкости на режим течения жидкости;

- о значении числа Рейнольдса.

Лабораторная работа № 2 Изучение потерь напора по длине при равномерном движении жидкости

2.1. Цель работы

Данная работа заключается в экспериментальном определении потерь напора по длине при установившемся движении воды в круглоцилиндрической трубе и практического использования основного уравнения гидродинамики – уравнения Даниила Бернулли.

Проведение опытов по данной теме знакомит с методикой экспериментального определения коэффициента гидравлического трения λ (коэффициента Дарси), и позволяет рассмотреть влияние скорости движения жидкости на потерю напора по длине. Кроме того, эти опыты способствуют приобретению навыков экспериментального измерения расхода и гидродинамических давлений.

При выполнении работы следует обратить внимание на пульсацию гидродинамических давлений при турбулентном режиме движения жидкости, результатом которой является колебание уровня воды в пъезометрах (это может повлиять на точность снимаемых показаний). Также необходимо учитывать определённую размерность всех величин, входящих в формулу по определению потерь напора по длине.

2.2. Общие сведения

Полная удельная энергия движущейся жидкости расходуется на преодоление сил трения, возникающих между соседними слоями жидкости и между стенками трубопровода и пограничным слоем жидкости, а также на преодоление местных сопротивлений. Таким образом, часть механической энергии движущейся жидкости переходит в тепловую и рассеивается в пространстве. Этот процесс необратим. Потери напора необходимо учитывать при расчёте различных гидравлических систем для обеспечения заданных параметров (например, обеспечения требуемого напора воды в системе водоснабжения или необходимого усилия на штоке гидроцилиндра при подъёме кузова автомобиля). В повседневной жизни наиболее часто встречается движение жидкости в круглоцилиндрической трубе, поэтому потери напора при проведении опытов определяются для трубы с некоторым диаметром d.

При установившемся движении жидкости в круглоцилиндрической трубе величина потерь напора по длине зависит от:

- длины трубопровода ℓ и его внутреннего диаметра d, м;

- средней скорости движения жидкости V, м/с;

- абсолютной шероховатости (средней высоты выступов шероховатости) внутренней поверхности трубопровода ∆, мм;

- вязкости жидкости ν, м²/с.

Величину потерь напора по длине вычисляют по формуле Дарси-Вейсбаха:

h_дл = λ , (2.1)

где	λ (ламбда) - безразмерный коэффициент гидравлического трения (коэффициент Дарси).

Из формулы (2.1) видно, что потери напора по длине h_дл пропорциональны квадрату средней скорости потока жидкости V², длине потока ℓ и обратно пропорциональны геометрическим размерам потока (диаметру d). Коэффициент гидравлического трения λ позволяет приравнять обе части уравнения, поэтому возникает необходимость определения его численного значения.

В общем случае λ = f (Re, ∆/d), где Re – число Рейнольдса для круглоцилиндрических труб; ∆ - средняя высота выступов шероховатости стенок трубы, мм; ∆/d - относительная шероховатость стенок трубы, мм.

Можно сделать вывод, что коэффициент гидравлического трения λ зависит от скорости движения жидкости, геометрических размеров поперечного сечения потока, физических свойств жидкости (это следует из формулы 2.1), и от шероховатости стенок труб.

При определении потерь напора необходимо учитывать толщину так называемого вязкого подслоя потока δ (дельта), соотношение толщины которого и выступов шероховатости ∆ определяет трубы как гидравлически гладкие (δ > ∆) или гидравлически шероховатые (δ ≤ ∆).

Толщину вязкого подслоя δ можно определить по формуле:

δ = , (2.2)

где	λоп - коэффициент гидравлического трения, определяемый опытным путем с использованием формулы (2.1).

Теоретически коэффициент гидравлического трения λ определяется в зависимости от соотношения толщины вязкого подслоя потока δ и средней высоты выступов шероховатости ∆. Если δ > ∆, то используется формула Блазиуса:

λ = . (2.3)

Если δ ≤ ∆, то λ рекомендуется определять по формуле Альтшуля:

λ = 0,11. (2.4)

Необходимо отметить, что формулы (2.2) … (2.4) справедливы только для турбулентного режима движения жидкости. Поскольку ламинарный режим встречается крайне редко (особенно при движении воды по трубам), то результатом данной лабораторной работы будет определение коэффициента λ как опытным, так и теоретическим путем для турбулентного режима движения жидкости.

При ламинарном режиме λ_л зависит только от Re и определяется по формуле:

λ_л = . (2.5)

Итак, при изучении потерь напора по длине можно выделить несколько основных этапов:

- необходимо знать и уметь применять уравнение Д. Бернулли с учётом потерь напора:

z₁ + +=z₂ + ++h_пот, (2.6)

где	z1 + и z2 + - потенциальная энергия избыточного давления в сечениях 1 – 1 и 2 – 2; и – кинетическая энергия потока жидкости в сечениях 1 – 1 и 2 – 2; hпот – потери напора на участке между сечениями 1 – 1 и 2 – 2;

- необходимо учесть все факторы, влияющие на величину потерь (скорость течения жидкости, размеры и форму поперечного сечения потока, шероховатость стенок трубы);

- знать и уметь применять формулу Дарси – Вейсбаха (2.1) для определения потерь напора h_пот;

- выбрать необходимую формулу для определения коэффициента гидравлического трения λ.