Gidravlika / Гидравлика лабы / №1 - Режимы течения

Лабораторная работа.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕЖИМА ТЕЧЕНИЯ ЖИДКОСТИ.

1. Цель работы:

- Изучение приборов и единиц измерения давления и расхода;

- Экспериментальное определение режима течения жидкости;

- Определение характера зависимости потерь напора по длине трубы от режима движения.

2. Основные теоретические положения.

Движение жидкостей в трубопроводах и каналах сопровождается потерями напора на преодоление сопротивлений. Величина этих потерь зависит, при прочих равных условиях, от режима движения жидкости. Различают два режима движения жидкости: ламинарный и турбулентный.

Ламинарным называется режим, при котором все частицы жидкости в потоке перемещаются слоями, не перемешиваясь между собой. Траектории соседних частиц мало отличаются друг от друга, пульсации скорости частиц отсутствуют.

Турбулентным называется режим, при котором частицы жидкости совершают неупорядоченные движения по сложным траекториям, что приводит к интенсивному перемешиванию между слоями. Скорость движения частиц нарушается, появляется пульсация скорости.

Турбулентное течение наступает в результате потери устойчивости ламинарного течения. При этом отношение инерционных сил, действующих на частицы жидкости, к силам внутреннего трения превосходит некоторый предел. Это отношение характеризуется безразмерным критерием – числом Рейнольдса:

, (1)

где:  - средняя скорость течения жидкости, м/с;

d – диаметр трубопровода, м;

 - коэффициент кинематической вязкости жидкости, м²/с.

Турбулентные потоки возникают при высоких скоростях движения жидкости и малой вязкости, ламинарные потоки возникают в условиях медленного течения и в вязких жидкостях. На практике в различных газопроводах, водопроводах и подобных им системах чаще встречаются турбулентные потоки даже при скоростях менее 1 м/c. В гидросистемах технологического оборудования, в которых в качестве рабочих жидкостей используются минеральные масла, турбулентный режим возникает при скоростях более 15 м/c, тогда как при проектировании таких систем чаще всего предусматривают скорости 4-5 м/c. Режим движения в таких трубопроводах, как правило, ламинарный.

Так как силы инерции и силы вязкости в потоке жидкости зависят от многих причин, то при скоростях, близких к критической, могут возникать переходные режимы, при которых наблюдаются неустойчивое ламинарное или турбулентное движение. Эти режимы отражены на рис. 1.

Рис. 1 Неустойчивые режимы течения жидкости

Если скорость потока увеличивать, то ламинарный режим (зоны 1 и 3) переходит в турбулентный (зона 2) при скорости  ^/_кр – верхняя критическая скорость. Ей соответствует верхнее число Рейнольдса Re^/_кр = 10000. Если скорость уменьшать, то переход из турбулентного потока в ламинарный происходит при скорости _кр - нижняя критическая скорость. Ей соответствует нижнее число Рейнольдса, Re_кр = 2320. Зону 3 называют неустойчивой, или переходной, зоной. При скоростях, которые к ней относятся, могут существовать как ламинарные, так и турбулентные потоки. Однако ламинарный режим в этой зоне весьма неустойчив и любое возмущение, например, колебание трубы, моментально приводит к возникновению турбулентного потока. По этой причине на практике эту зону всегда относят к турбулентной, а под критерием Рейнольдса понимают нижнее число Re_кр = 2320. В зонах же 1 и 2 режимы движения всегда устойчивы. Даже если режим движения в зоне 1 принудительно изменить, например, с помощью специальных устройств – турбулизаторов потока, то через очень короткое время поток снова станет ламинарным.

С учётом потерь энергии уравнение Бернулли для потока реальной жидкости будет выглядеть:

. (2)

Индексами 1 и 2 обозначены характеристики потока в сечениях 1-1 и 2-2: z – высота центра сечения над некоторой общей плоскостью сравнения, p – давление, _ср – средняя скорость в данном сечении,  - коэффициент Кориолиса, характеризующий распределение скоростей по сечению потока (для ламинарного режима  = 2, для турбулентного приближается к 1).

Потери напора по длине трубы h при ламинарном движении пропорциональны первой степени расхода жидкости:

, (3)

а при развитом турбулентном течении – квадрату расхода жидкости:

. (4)

Коэффициент k в выражениях (3) и (4) - коэффициент пропорциональности, зависящий от размеров трубы и свойств жидкости.

3. Описание лабораторной установки.

Схема гидравлическая принципиальная стенда приведена на рисунке 2.

Рис. 2 Схема гидравлическая принципиальная стенда

В состав стенда входят гидробак Б, шестеренный насос Н, фильтр Ф, предохранительный клапан КП, регулятор расхода РР, два гидрораспределителя Р1 и Р2, пружинный аккумулятор А, два гидродросселя ДР1 и ДР2, трубопроводы. Привод насоса осуществляется от электродвигателя. Информационно-измерительная система стенда включает 6 манометров (МН1 – МН6, манометр МН5 – электроконтактный с двумя управляемыми контактами), расходомер скоростного типа РА, термометр Т и электронный секундомер.

Управление гидрораспределителями осуществляется тумблерами Р1 и Р2.

При установке тумблера в положение “РУЧН.” электронный секундомер используется для определения времени прохождения через расходомер РА заданного объема жидкости (с тем, чтобы в дальнейшем определять расход жидкости в трубопроводе).

Питание секундомера включается тумблером “Вкл.”, начало отсчета времени – тумблером “Счет.”, сброс показаний электронного табло – кнопкой “Сброс”. При нажатии кнопки “Сброс” секундомер не должен производить отсчет времени, то есть тумблер “Счет” необходимо переключить в нижнее положение.

Исследуемым в данной работе участком является участок abc.

4. Порядок выполнения:

4.1. Включить питание стенда;

4.2. Включить электродвигатель (кнопка “Пуск”);

4.3. Включить распределитель (тумблер Р1 в положение “Вкл.”);

4.4. Дать возможность поработать стенду в течение 5 – 6 минут;

4.5. Произвести замеры времени прохождения заданного объема рабочей жидкости через трубопровод аbс. Время измерять с помощью электронного секундомера, а объем проходимой жидкости измерять с помощью расходомера (один поворот красной стрелки на расходомере соответствует прохождению через устройство одного литра жидкости). Опыты провести при различных расходах (расход изменяется с помощью регулятора расхода РР). В каждом опыте необходимо также фиксировать давления P_a и P_b по манометрам МН1 и МН2 и температуру рабочей жидкости.

4.6. После проведения всех опытов отключить питание секундомера, выключить электродвигатель и отключить питание стенда.

5. Обработка результатов измерений.

5.1. Для каждого отсчёта вычислить расход Q и скорость течения жидкости  :

, (5)

, (6)

где S – площадь поперечного сечения трубопровода.

5.2. По формуле (1) для каждой скорости подсчитать число Рейнольдса Re и определить режим движения жидкости. Коэффициент кинематической вязкости ν для формулы (1) выбрать из таблицы 1 в зависимости от температуры.

Таблица 1. Коэффициент кинематической вязкости масла при различных температурах

t °C	10	15	20	25	30	35
ν, м2/с	400·10-6	250·10-6	160·10-6	120·10-6	90·10-6	70·10-6

5.3. Воспользовавшись уравнением Бернулли (2), рассчитать потери напора h на участке трубопровода ab.

5.4. Результаты вычислений занести в таблицу 2.

Таблица 2

№	Q, м3/с	Q, м3/с	, м/с	, м/с	Re	Re	h	h
1
2
3
4
5
6
7

5.5. Построить график зависимости .

5.6. Рассчитать погрешности измерений. Результаты расчётов занести в таблицу 2.

6. Содержание отчёта.

Отчёт по лабораторной работе должен содержать:

• краткие теоретические положения;

• схему экспериментальной установки;

• протокол испытаний;

• обработку результатов опыта;

• график зависимости ;

• анализ полученных результатов.

Протокол испытаний

Лабораторная работа № Определение режима течения жидкости.

Группа:

Дата испытаний:

Исполнители:

Исходные данные:

Внутренний диаметр трубопроводов d = м

Плотность жидкости  = кг/м³

Результаты испытаний:

№		V, м3		t, с		T, 0С		Pa		Pb
1
2
3
4
5
6
7

Подпись исполнителей

Подпись преподавателя