M04700

41

4 ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ ВИЗНАЧЕННЯ ПАРАМЕТРІВ ГАЗОВОЇ ТЕЧІЇ

4.1 Мета роботи

Ознайомитися з експериментальними методами визначення параметрів газового потоку; визначити швидкість та масову витрату повітряного потоку з урахуванням та без урахування стисливості робочого тіла.

4.2 Загальні відомості

Специфіка задачі експериментального визначення параметрів газового потоку полягає в тому, що будь-які прилади, встановлені в потоці, загальмовують частинки рухомого середовища. Тому часто виявляється, що значно легше виміряти не статичні термодинамічні параметри потоку (T, p, r), а, так звані, параметри гальмування, –

параметри ізоентропійно загальмованого потоку (T , p , r ), які також можна зв’язати рівнянням стану:

При цьому фізичні властивості рухомого середовища, окрім величини газової сталої (R, Дж/(кг×К)), характеризують також теплоємністю при постійному тиску (cp, Дж/(кг×К)), та показником адіабати k.

Температуру газового потоку визначають за допомогою рідинних термометрів, термоелектричних вимірювачів (термопар), а також термометрів опору. Для вимірювання тиску в певних точках газового потоку використовують механічні манометри (вакуумметри) у комбінації з барометрами. Але більшу точність забезпечують рідинні прилади: U-подібні мановакуумметри, мікроманометри та диференціальні манометри. Вимірювання повного чи статичного тиску забезпечується відповідним способом встановлення приймача тиску в газовому потоці. Густину газового потоку, як правило, визначають непрямим методом з рівняння стану.

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

42

В припущенні ізоентропійності процесів зв’язок між статичними параметрами та параметрами адіабатично загальмованого потоку встановлюється з закону збереження енергії:

Слід зауважити, що рівняння (4.3) справедливе тільки для газових течій з невеликими швидкостями, коли газ можна вважати майже нестисливим і нехтувати змінюванням його густини. За інших обставин рівняння (4.3) записується як

Однією з основних проблем експериментального дослідження параметрів газових течій є визначення гідродинамічних параметрів потоків: швидкості (W) та масової витрати (Qm), що проходить через живий переріз площею F, – які пов’язані рівнянням нерозривності потоку:

Способи вимірювання швидкісних параметрів базуються на законах перетворення кінетичної енергії потоку в потенціальну (енергію тиску), або в теплову енергію. Найбільше розповсюдження одержали такі способи:

-тахометричний – оснований на вимірюванні частоти обертання інерційної турбінки, яку розташовано в потоці;

-термоанемометричний – оснований на вимірюванні змінювання електричного опору спеціального елементу, що охолоджується потоком газу;

-гідромеханічний – оснований на вимірюванні різниці тисків у певних точках газового потоку (або під час його дроселювання, або з використанням пневмометричних трубок, зондів і т.п).

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

43

4.3 Завдання на підготовку до лабораторної роботи

Перед тим як стати до лабораторної роботи, студентам необхідно засвоїти теоретичний матеріал розділу “Основи механіки рідин та газів”, а також мати чітке уявлення про суть основних рівнянь гідрогазової динаміки.

Слід приділити особливу увагу з’ясуванню фізичної суті процесів перетворення енергій в газовому потоці та фізичних принципів, на яких ґрунтується методика визначення параметрів газової течії.

В процесі підготовки до лабораторної роботи слід користуватися літературою [1–4], конспектом лекцій, а також даними методичними вказівками.

До початку лабораторної роботи слід також підготувати ілюстративні матеріали, згідно з вимогами розділу 4.7 даних методичних вказівок, які повинні містити форму протоколу (таблиця 4.1), до якого заноситимуться всі величини, одержані з дослідів, а також таблиці 4.2 та 4.3, до яких будуть заноситися результати розрахунків параметрів газової течії.

Таблиця 4.1 – Форма протоколу результатів експериментів

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

44

Таблиця 4.3 – Гідродинамічні параметри потоку

4.4 Контрольні запитання для самоперевірки і контролю підготовленості студентів до роботи

1.На яких фізичних законах базуються основні рівняння гідрогазової динаміки?

2.Які фізичні закони покладено в основу принципів вимірювання швидкості (витрати) газового потоку?

3.Яка фізична суть рівняння нерозривності потоку?

4.В чому полягає принцип дії пневмометричної трубки в лабораторній установці?

5.Як впливає величина швидкості (витрати) газового потоку на перепад тисків p/p ?

6.За яких умов газовий потік можна вважати нестисливим?

7.Чи є справедливим в лабораторній роботі припущення про нестисливість робочого тіла?

8.За яких умов є доцільною заміна U-подібного манометра та мікроманометра лабораторної установки на диференціальний манометр?

9.Як впливає величина підігріву на швидкість потоку?

4.5 Матеріали, інструмент, прилади, обладнання

Структурну схему лабораторної установки для експериментального визначення параметрів газового потоку наведено на рисунку 4.1. Установка являє собою горизонтальну аеродинамічну трубу 1 з внутрішнім діаметром d = 50 мм (F = 19,63×10-4 м2 ), в яку з атмосфери нагнітається повітря за допомогою вентилятора 2.

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

46

Дискретне змінювання частоти обертання вентилятору дозволяє одержати три режими його роботи.

Окрім цього передбачено три різні режими підігрівання повітря, що подається в аеродинамічну трубу.

Всередині аеродинамічної труби розімкненого типу із закритою робочою частиною розташована пневмометрична трубка ПітоПрандтля 3 (насадок повного тиску), до якої підключено U-подібний манометр 4 (для вимірювання статичного тиску) та мікроманометр з нахиленою трубкою 5 (для вимірювання повного тиску).

Перед пневмометричною трубкою встановлено термочутливий елемент 6, з якого сигнал передається на електронний термометр 7.

4.6 Порядок виконання лабораторної роботи

Біля експериментальної установки студенти працюють лише під наглядом викладача або лаборанта, суворо дотримуючись вимог інструкції з охорони праці при виконанні робіт в лабораторіях кафедри “Теплотехніка та гідравліка” .

Зафіксувати барометричний тиск p0 та температуру навколишнього середовища t0.

Пересвідчитися в тому, що рівні рідини у п’єзометрах знаходяться на нульових відмітках. З’ясувати сорт рідини у п’єзометрах (ρ1 та ρ2 ).

Увімкнути вентилятор і встановити перший режим його роботи. Після того, як рівні рідини у п’єзометрах припинять

змінювання, зафіксувати їх положення.

Увімкнути термостат та здійснити вимірювання температури t . Змінити режим роботи вентилятора (або швидкісний, або

тепловий).

Повторити послідовність дій щодо вимірювання тисків та температури.

Точність для вимірювання величин: 1 мм; 0,5 °С (ціна поділу шкал приладів).

Величини, одержані з досліду, занотувати до протоколу результатів експериментів (табл. 4.1).

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

47

4.7 Зміст звіту

Вказати тему та мету лабораторної роботи. Записати формули (4.1) – (4.5) з поясненням величин, що в них входять.

Зарисувати структурну схему експериментальної установки (рисунок 4.1). Зарисувати форму протоколу (таблиця 4.1).

Занести до протоколу всі величини, визначені з експерименту (дослідні).

Абсолютні величини тисків p та p розраховують за основним рівнянням гідростатики через відповідні висоти h1 та h2 , врахувавши величину атмосферного тиску p0 . Слід звернути увагу на те, що шкала нахиленої трубки мікроманометра проградуйована з урахуванням кута нахилу і показує величину п’єзометричного напору.

З рівняння стану визначають густину атмосферного повітря r0 . Зарисувати форму таблиці 4.2, до якої занести розраховані

значення термодинамічних параметрів потоку В припущенні, що внаслідок невеликих швидкостей в

аеродинамічній трубі повітря можна вважати нестисливим (r0 = r = const ), з формули (4.3) визначають величину швидкості W, а з формули (4.5) – масову витрату потоку Qm.

Одержані значення W та Qm слід порівняти з відповідними значеннями, одержаними із співвідношень, в яких враховується стисливість повітря. Результати необхідно занести в таблицю 4.3 у відповідні колонки для стисливого та нестисливого робочого тіла.

Для визначення швидкості повітря з урахуванням його стисливості слід скористатися рівнянням енергії у механічній формі (4.4), з якого матимемо:

Враховуючи, що для повітря k = 1,4; R = 287 Дж /(кг×К), одержимо

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

48

Необхідно звернути увагу на те що у формулах (4.6) та (4.7) температура гальмування є абсолютною. Для визначення відповідної масової витрати необхідно скористатися рівняннями нерозривності потоку, стану та ідеальної адіабати, звідки:

Занотувавши значення швидкостей та масових витрат, розрахованих за формулами (4.3) та (4.5), а також за формулами (4.7) та (4.8), необхідно підрахувати похибку визначення названих величин без урахування та з урахуванням стисливості повітря, після чого зробити висновки у відповідності до мети роботи.

4.8 Рекомендована література

1.Сергель О.С. Прикладная гидрогазодинамика. – М.:

Машиностроение, 1981. – с.234-256.

2.Єгоров Я.О., Бєліков С.Б., Улітенко О.М. Теоретичні основи теплотехніки у системах машинобудування. Запоріжжя:

Дике Поле, 2004. – С. 59 – 72.

3.Слинько Г.І., Бєліков С.Б., Улітенко О.М. Теплотехнічні процеси та теплова обробка матеріалів і виробів. – Мелітополь: ООО «Издательский дом Мелитопольской городской типографии», 2011. – С. 57 - 80.

4.Петунин А.Н. Измерение параметров газового потока. - М.: Машиностроение, 1974. гл. 1.

5 ДОСЛІДЖЕННЯ ВІЛЬНОГО/ВИМУШЕНОГО КОНВЕКТИВНОГО ТЕПЛООБМІНУ

5.1 Мета роботи

Ознайомитися з експериментальними методами визначення коефіцієнта тепловіддачі конвекцією; визначити інтенсивність тепловіддачі горизонтального циліндра вільною конвекцією;

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

49

визначити інтенсивність конвективного теплообміну циліндра при його поперечному охолодженні потоком повітря.

5.2 Загальні відомості

Конвекція – процес перенесення теплоти макроскопічними об’ємами середовища, що рухається (потоком газу або рідини) з області з однією температурою в область з іншою температурою. Процеси конвекції супроводжуються теплопровідністю, а інколи і тепловим випромінюванням. За реальних умов відбувається теплообмін між потоком середовища і поверхнею твердого тіла, який називають конвективним теплообміном. Одним з найважливіших факторів, який зумовлює особливості такого теплообміну, є вид та характер руху середовища (рідини або газу).

За своєю природою розрізнюють два види руху: вільний та вимушений. Вільний рух виникає у гравітаційному полі внаслідок різниці густин нагрітих та холодних локальних об’ємів середовища (рух за рахунок різниці внутрішніх енергій – різниці температур). Вимушений рух виникає під впливом зовнішніх сил, зумовлених додаванням у певну область середовища додаткової механічної енергії від вентиляторів, компресорів, насосів тощо (рух за рахунок різниці потенціальних механічних енергій – різниці тисків). За реальних умов у технічних системах вільний і вимушений рухи спостерігаються одночасно, проте чим більш суттєво розвинутий вимушений рух, тим меншим є вплив вільного, і навпаки.

Потоки реальних середовищ (на відміну від моделі ідеального середовища) характеризуються наявністю внутрішнього тертя, що зумовлене такою властивістю реальних рідин, як в’язкість – здатність рідини чинити опір відносному зсуванню частинок, – яку оцінюють коефіцієнтами в’язкості (динамічний коефіцієнт в’язкості µ, Па·с та кінематичний коефіцієнт в’язкості ν, м2/с). У залежності від співвідношення сил інерції та сил внутрішнього тертя в рідині можуть формуватися два принципово різних режими руху: ламінарний та турбулентний. Перенесення теплоти через ламінарний (шаруватий) потік відбувається за молекулярним механізмом (теплопровідністю). Перенесення теплоти через турбулентний (хаотичний) потік відбувається за механізмом поперечного перенесення маси середовища – конвекцією.

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

50

Густина теплового потоку, який сприймає тверда поверхня, що має температуру Тпов, при конвективному теплообміні з рухомим середовищем, температура якого становить величину Тс, визначається за формулою Ньютона–Ріхмана:

де коефіцієнт пропорційності α характеризує інтенсивність процесу теплообміну, чисельно дорівнює кількості теплоти, що передається одиниці поверхні тіла за одиницю часу рухомим середовищем при різниці температур в один градус і називається коефіцієнтом тепловіддачі конвекцією, Вт/(м2·К).

Основне перенесення теплоти від середовища до твердої поверхні тіла відбувається у так званому приграничному шарі. При цьому розрізнюють динамічний та тепловий приграничний шар. Відстань біля поверхні твердого тіла, де має місце суттєве змінювання швидкості від 0 (на поверхні тіла) до значення W0 (швидкості основного потоку середовища) називають товщиною динамічного приграничного шару δ. Відстань біля поверхні твердого тіла, де має місце суттєве змінювання температури від значення Тпов (на поверхні тіла) до значення Тс (температури основного потоку середовища) називають товщиною теплового приграничного шару δт. На інтенсивність процесу конвективного теплообміну впливає саме величина теплового приграничного шару, проте товщина δт тісно пов’язана з характером та товщиною динамічного приграничного шару.

Структура динамічного приграничного шару визначається

де L – характерний лінійний розмір системи теплообміну, м.

Співвідношення швидкостей формування динамічного та теплового приграничних шарів характеризує критерій Прандтля:

де a – коефіцієнт температуропровідності середовища, м2/с.

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com