Гидравлика для студентов / метод.указ по гидродинамике

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ УХТИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Лабораторные работы по гидродинамике на универсальном гидравлическом стенде ТМЖ 2М

Методические указания к лабораторным занятиям

Ухта 2010

7

Приложение Б Приложение В

2

ВВЕДЕНИЕ Механика жидкости является инженерной (технической дисциплиной), так как ее

выводы направлены на решение технических задач. Это – одна из наук, составляющих фундамент инженерных знаний. Она выросла из двух отраслей научного знания:

эмпирической гидравлики и классической гидромеханики.

Гидравлика занимается изучением законов движения капельных жидкостей

(преимущественно так называемой внутренней задачей – движение жидкостей в трубах,

каналах и пр.).

Механика жидкости исходит их основных принципов физики и механики, причем полученные выводы она согласует с экспериментальными исследованиями, которые одновременно дополняют и подтверждают эти выводы.

Механику жидкости можно разделить на две части:

1)теоретическая механика жидкости, где излагаются основные положения теории равенства и движение капельных жидкостей и газов;

2)прикладная (или техническая) механика жидкости, в которой рассматривается приложение этих законов к ряду практических случаев (движение в трубопроводах, истечение из отверстий и насадков, обтекание твердых тел и

др.).

Значение механики жидкости необходимо для решения многих технических вопросов в области санитарной техники, в частности теплогазоснабжения и вентиляции. Расчет всевозможных трубопроводов (газопроводы, воздухопроводы и т.д.), конструирование гидравлических и воздуходувных машин (насосы, компрессоры, вентиляторы и пр.),

проектирование котельных агрегатов, печных и сушильных установок, воздухо- и

газоочистных аппаратов, теплообменных аппаратов, расчет многих отопительных и вентиляционных устройств, требуют отчетливого понимания законов механики жидкости.

Комплекс лабораторных работ по курсу «Механика жидкости и газа» обеспечивает возможность наглядной демонстрации гидродинамических явлений, измерения гидродинамических параметров и знакомства с методами и средствами измерения этих параметров.

Наблюдения, измерения и вычисления при выполнении лабораторных работ осуществляется студентами самостоятельно. Преподаватель контролирует проведение опыта, обработку материалов и принимает выполненную работу.

Сдавая отчет о проведенной лабораторной работе, студент должен дать качественную оценку полученных результатов.

3

1 УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО УНИВЕРСАЛЬНОГО СТЕНДА ТМЖ 2М

Стенд гидравлический универсальный ТМЖ 2М (далее - стенд) предназначен для проведения лабораторных работ по курсу «Механика жидкости и газа» в системе высшего профессионального образования.

Внешний вид стенда представлен на рисунке 1.1. Схема гидравлическая стенда приведена на рисунке 1.2. В состав стенда входят:

-стол 1;

-щит пьезометров 2;

-впускной коллектор 3;

-ротаметры 4;

-напорная магистраль 5 с встроенной диафрагмой 6;

-бак 7 с насосом 8 и помпой 9;

-делительная воронка 10;

-комплект исследуемых модулей М1 ÷ М4, схема и геометрические параметры модулей представлены в приложении А.

Стол 1 представляет собой сварную раму, на которой закреплена столешница. К

боковым сторонам рамы привернуты опорные стойки 11 со стяжкой 12, которые снимаются при транспортировании.

На поверхности стола 1 закреплены два ротаметра 4 (Р1 и Р2), верхние фланцы которых с помощью трубопроводов подведены к напорной магистрали 5. Нижние фланцы ротаметров 4 через трубопроводную арматуру (вентили В1 и В2) соединены с насосом 8 (Н1).

Внапорную магистраль 5 вмонтирована мерная диафрагма 6, контрольные точки которой с помощью гибких трубок соединены с пьезометрическими трубками щита пьезометров 2.

Напорная магистраль 9 подведена к коллектору 3.

Щит пьезометров 2 установлен вертикально на задних стойках стола 1.

4

1 – стол; 2 – щит пьезометров; 3 – коллектор; 4 - ротаметры Р1, Р2; 5 – напорная магистраль; 6 – диафрагма; 7 – бак; 8 – насос; 9 – помпа; 10 – делительная воронка; 11 –

опорные стойка; 12 – стяжка; 13 – индикатор часового типа ИЧ10; 14 - 17 – четыре группы пьезометров; 18 – панель для информации; 19 – коллектора; 20 – модули М1, М2, М3, М4;

21 – капельница.

Рисунок 1.1 – Внешний вид гидравлического универсального стенда ТМЖ 2М

5

На щите пьезометров 2 расположены панель управления 13, четыре группы пьезометров 14 ÷ 17, штатив с делительной воронкой 10 и панель для информации 18. На панели управления 13 размещены клавиши включения сети, насоса Н1 и помпы Н2.

Каждая из четырех групп пьезометров 14 ÷ 17 состоит из прозрачных пьезометри-

ческих трубок, верхние концы которых объединены между собой общими коллекторами

19. В коллекторах 19 выведены гибкие сливные трубки с зажимами для выравнивания давления в пьезометрах.

Нижние концы пьезометрических трубок каждой группы пьезометров соединены с соответствующими штуцерами диафрагмы 6 и штуцерами исследуемых модулей М1 –

М3.

Возле каждой пьезометрической трубки расположены измерительные линейки.

Первая группа пьезометров 14 состоит из двух пьезометрических трубок и соединена с диафрагмой 6, вторая группа 15 – из двух пьезометров соединена с модулем М1, третья группа 16 – из двенадцати пьезометров соединяется с модулем М2, четвертая группа 17 – из одиннадцати пьезометров соединяется с модулем М3.

Впускной коллектор 3 может комплектоваться одним, двумя либо тремя модулями,

из комплекта исследуемых модулей (приложение А):

-модуль М1 – «Потери напора по длине в круглой трубе», представляющий собой круглую трубу, по длине которой расположен ряд отверстий, снабженный штуцерами, для определения давлений в исследуемых сечениях;

-модуль М2 – «Потери напора на внезапном расширении», представляющий собой круглую трубу с участком местного сопротивления в виде внезапного расширения и имеющую ряд отверстий, снабженных штуцерами для отбора давлений в исследуемых сечениях;

-модуль М3 – «Диаграмма Бернулли», представляющий собой круглую трубу с участком «трубы Вентури» и имеющую ряд отверстий, снабженных штуцерами для отбора давлений в исследуемых точках.

Впускной коллектор 3 жестко закреплен на столешнице. В него вмонтированы три вентиля В8 В10, к которым через резьбовые втулки с помощью накидных гаек присоединяются исследуемые модули.

Модуль М4 – «Режимы течения» жестко закреплен на столешнице и подведен гибким шлангом к помпе 9 (Н2).

Модуль М4 – «Режимы течения» представляет собой круглую трубу с встроенной на входе капиллярной трубкой для подачи подкрашенной жидкости.

7

Капиллярная трубка модуля М4 через капельницу 21 с вентилем В7 соединена с делительной воронкой 10, в которую заливается подкрашивающая жидкость.

Выходы модулей М1 ÷ М4 с помощью накидных гаек через резьбовые втулки соединены с выпускными вентилями В3 ÷ В6, к которым подведены сливные шланги.

Выпускные вентили В3 ÷ В5 закреплены на столешнице и имеют возможность легко демонтироваться для быстрой замены исследуемых модулей.

Модули М1 ÷ М4 представляют собой прозрачные трубки, выполненные из оргстекла. На входе и выходе каждого модуля установлены резиновые уплотнительные кольца.

Контрольные точки модулей, установленных в коллектор 3, через штуцера соединены гибкими трубками с соответствующими группами пьезометров 15 ÷ 17 на щите пьезометров 2.

На поверхности стола 1, под модулями размещен поддон, выполненный из оргстекла.

8

2 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1 «РЕЖИМЫ ТЕЧЕНИЯ»

2.1 Вязкость

Движение − поток молекул вещества, перемещающихся в одном направлении под действием касательных сил (сил в направлении движения).

Область пространства конечных размеров, занятая движущейся жидкостью, называется потоком.

Существует две модели жидкости − идеальная и реальная. Первая из них предполагает, что между молекулами жидкости при движении нет взаимодействия, поток не деформируется и в нем не возникает реакции на внешнее воздействие (касательных напряжений).

Поток жидкости можно представить в виде совокупности элементарных струек.

Элементарная струйка − часть потока движущейся жидкости с бесконечно малой площадью поперечного сечения. Для идеальной жидкости все струйки в сечении потока имеют одну и ту же скорость υ (эпюра 1, рисунок 2.1).

При движении реальной жидкости наблюдается явление «прилипания» − скорость частичек жидкости на неподвижной твердой границе равна нулю (эпюра 2, рисунок 2.1).

Это объясняется тем, что притяжение между молекулами твердого тела и жидкости больше, чем между молекулами самой жидкости. Молекулы твердого тела притягивают молекулы жидкости, лежащие на поверхности, и останавливают их. Остановленные молекулы жидкости, в свою очередь, тормозят движение находящихся рядом с ними соседей. Влияние твердой границы распространяется в той или иной степени на всю жидкость, проходящую через сечение потока, при этом устанавливается распределение скоростей по сечению, которое и называется эпюрой.

Объёмный расход в сечении потока жидкости выражается формулой:

Q u d ,

где u − местная скорость в сечении d

элементарной струйки;

υ − средняя скорость.

Расход − количество жидкости, проходящее через сечение потока за единицу времени.

Рисунок 2.1 − Эпюра скоростей в сечении потока жидкости

9

Вследствие разницы скоростей между жидкостью и стенкой, а также между отдельными слоями жидкости появляется сила трения, которая препятствует движению.

Итак, распределение скоростей по сечению, и, следовательно, сила трения обязаны своим появлением наличию сил межмолекулярного сцепления при сдвиговой деформации, количественным выражением которых является вязкость.

Вязкость − количественная характеристика сил межмолекулярного взаимодействия при сдвиговой деформации (при движении жидкости).

Величина (модуль) силы трения, возникающей между слоем жидкости толщиной dy и стенкой на длине L (рисунок 2.2) определяется так:

где (мю) - динамический коэффициент вязкости жидкости, имеет размерность, Па с;

тр - поверхность трения, м2;

тр d L ;

где d – диаметр поверхности, м;

L – длина поверхности, м; du – изменение скорости; dy − толщина слоя.

Рисунок 2.2 − Иллюстрация к определению силы трения

Величина dudy − это градиент скорости (производная от скорости по нормали) или

скорость сдвига слоев.

В практических расчетах часто встречается соотношение , которое называется

кинематическим коэффициентом вязкости (обозначается (ню), имеет размерность м2/с в системе СИ).

10