Министерство образования и науки Российской Федерации

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

Балаковский инженерно-технологический

Изучение режимов движения жидкости

Методические указания к выполнению лабораторной работы

по дисциплинам: «Гидравлика», «Механика жидкости и газа», «Водоснабжение и водоотведение с основами гидравлики», «Гидрогазодинамика», «Гидравлика и гидропневмопривод»

для студентов направлений: «Теплоэнергетика и теплотехника», «Строительство», «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств», «Строительство уникальных зданий и сооружений» », «Наземные транспортно-технологические средства»

профиль «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные средства и оборудование»

очной, заочной и заочно-сокращенной форм обучения

\

Балаково 2015

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучить ламинарный, критический и турбулентный режимы течения жидкости.

Основные понятия

Движение жидкостей и газов может происходить в двух качественно различных режимах - ламинарном и турбулентном.

Ламинарным называется слоистое движение без перемешивания частиц жидкости и без пульсации скорости и давления. При ламинарном течении жидкости в прямой трубе постоянного сечения все линии тока направлены параллельно оси трубы.

Турбулентным (или хаотичным) называется движение, сопровождающееся интенсивным перемешиванием жидкости с пульсациями скорости и давления. Наряду с основным продольным перемещением жидкости наблюдаются поперечные перемещения и вращательные движения отдельных объемов жидкости.

Переход от одного режима к другому происходит через критический режим, где движение жидкости уже не ламинарное, но еще не турбулентное.

Для оценки режима движения жидкости 0.Рейнольдсом был предложен безразмерный критерий, учитывающий физические свойст­ва жидкости (плотность ρ, вязкость μ, ), кинемати­ческие характеристики потока (среднюю скорость потока V) и геометрические параметры (диаметр трубы d или гидравлический радиус R ):

; (1)

; (2)

, (3)

где Re_d - число Рейнольдса для круглых труб, работающих в напорном режиме;

Re_R - число Рейнольдса для живого сечения некруглой формы;

μ - динамический коэффициент вязкости жидкости;

 - кинематический коэффициент вязкости жидкости;

S - площадь живого сечения ;

χ - смоченный периметр.

Число Рейнольдса является критерием частичного динамического по­до­бия потоков, когда преобладающими являются силы инерции и трения, и представляет собой отношение сил инерции к силам трения.

Режим движения жидкости существенным образом зависит от соотношения действующих сил. Если при движении жидкости преоб­ладают силы трения, то режим движения ламинарный. С возрастанием скорости движения жидкости ламинарное движение сохраняется до определенного значения средней скорости, которая называется критической (V_кр). Дальнейшее увеличение скорости сверх крити­ческой приводит к нарушению слоистости и образованию вихрей, движение частиц жидкости приобретает хаотичный характер. В этом случае начинают преобладать силы инерции и режим движения становится турбулентным.

Критической скорости движения жидкости соответствует критическое число Рейнольдса:

. (4)

Для круглых напорных труб критическое число Рейнольдса Rе_кр = 2300, а для русел круглого сечения Rе_кр=575.

Таким образом, число Рейнольдса позволяет установить режим движения жидкости:

при Re<Re_кр - движение ламинарное,

при Re>Re_кр - движение турбулентное.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Схема лабораторной установки для исследования режимов движения жидкости приведена на рисунке 1.

Рис. 1. Схема лабораторной установки

Подача воды в напорный бак 3 осуществляется на трубе 1 при помощи вентиля 2. Из напорного бака вода поступает в приемный бак 5 по стеклянной трубке 4. Регулирование расходов и, соответственно, скоростей движения воды осуществляется при помощи вентиля 6. Вентиль 7 служит для поддерживания уровня воды в приемном баке постоянным. Из приемного бака вода посту­пает в мерный бак 9. Краситель из бачка 10 по трубке 12 подается в стеклянную трубку 4. Подача краси­теля регулируется при помощи крана 11. Температура воды измеряется при помощи термометра 13. Вентили 14 и 13 служат для опорожнения баков.

Режимы движения жидкости устанавливают визуально, наблюдая за поведением красителя в стеклянной трубке 4. В ка­честве красителя используется окрашенная жидкость одинаковой с основной жидкостью плотности.

При ламинарном режиме краситель течет, не перемешиваясь, с основным потоком и напоминает окрашенную нитку, натянутую внутри стеклян­ной трубки. С увеличением скорости потока жидкости, в определенный момент, струйка красителя начинает изгибаться. При дальнейшем увеличении скорости потока начинают образовываться отдельные вихри, а затем краситель интенсивно перемешивается с потоком.

Ламинарный режим течения жидкости исследуется до начала деформации струйки красителя, критический режим - в момент начала деформации струйки красителя, турбулентный режим - когда струйка красителя интенсивно перемешивается с потоком жидкости.

При исследованиях каждого режима течения движение необходимо поддерживать установившимся. Для этого уровень жидкости в баке 3 поддерживают постоянным.

При выполнении работы измеряются следующие параметры потока:

- температура жидкости, t °С,

- расход жидкости, Q .

Температура жидкости измеряется в нижнем баке при помощи термометра с погрешностью ± 0,5 °С.

Расход жидкости Q определяется объемным способом при помощи мерного сосуда и секундомера:

, (5)

где W - объем мерного сосуда, см³ ;

τ - время наполнения мерного сосуда, с.

ТРЕБОВАНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ТРУДА

1. Перед проведением опытов необходимо повторить инструкцию по правилам безопасности работы в лаборатории.

2. Изучить описание установки, подготовить необходимые приборы, выяснить непонятные вопросы у преподавателя. Приступать к проведению опытов только с разрешения преподавателя.

3. При проведении опыта аккуратно обращаться со стеклянными и хрупкими приборами и оборудованием лабораторной установки.

4. При возникновении затруднений в выполнении опытов, а также поломки приборов и оборудования, необходимо прекратить опыты и обратиться к преподавателю.

5. В случае получения травмы необходимо немедленно прекратить опыты и обратиться к преподавателю за медицинской помощью.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Подготовка установки к проведению опытов.

1.1. Открывают вентиль 2 и заполняют напорный бак 3 водой, слоем около 1м. При этом вентиль 6 должен быть закрытым.

1.2. При закрытом кране 11 заполняют бачок 10 красителем.

1.3. Измеряют внутренний диаметр d стеклянной трубки 4.

2. Исследование ламинарного режима движения жидкости.

2.1. При закрытом вентиле 7 открыть вентиль 6 и заполнить бак 5, не допуская его переполнения.

2.2. Открыть кран 11 для подачи красителя. Одновременно, регулируя открытие вентилей 7 и 6, визуально добиваются того, чтобы струйка красящей жидкости в стеклянной трубке не перемешивалась с водой и приняла вид прямой горизонтальной линии.

2.3. При проведении опыта уровень воды в напорном баке 3 поддерживают постоянным при помощи вентиля 2, а в баке 5 при помощи вентиля 7.

2.4. После стабилизации режима движения воды измеряют температуру и расход воды. Расход воды определяют объемным способом. Для этого определяют время наполнения мерного сосуда 9 при помощи секундомера. Результаты измерений записываются в таблицу.

3. Исследование критического режима.

3.1. Открытием вентилей 5 и 7 визуально добиваются начала перемешивания струйки красителя в стеклянной трубке 4.

3.2. После установления стабильного режима производят измерения по п.2.4. При этом, уровни воды в баках 3 и 5 поддерживаются постоянными. Результаты опыта записывают в таблицу.

4. Исследование турбулентного режима движения жидкости.

4.1. Открытием вентилей 5 и 7 визуально добиваются интенсивного перемешивания струйки красителя в стеклянной трубке 4.

4.2. После установления стабильного режима производят измерения по п.2.4. Результаты измерений записывают в таблицу.

Таблица 1

Результаты опытов

№№	Наименование измерений и вычислений	единица измерения	№№ опытов
			1		2		3
1	2	3		4		5		6
1	Размеры трубы
1	Диаметр стеклянной трубки	см
2	Площадь поперечного сечения трубки, S	см2
	Определение расхода и средней скорости воды в трубке
3	Объем мерного бака, W	см3
4	Время заполнения мерного бака, τ	с
5	Расход воды, Q	см3/с
6	Сpeдняя скорость, V	см/с
	Определение числа Рейнольдса и режима движения
7	Температура воды, t	°С
8	Кинематический коэффициент вязкости воды, ν	см2/с
9	Число Рейнольдса , Re
10	Режим движения воды
	Определение погрешности эксперимента
11	Относительная погрешность определения площади,
12	Относительная погрешность определения расхода,
13	Относительная погрешность определения скорости,
14	Относительная погрешность определения числа Рейнольдса,

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭKCПЕРЕМЕНТА

В таблицу 1 записываются результаты измерений. Затем выполняются расчеты в следующей последовательности:

1. Вычисляется площадь поперечного сечения стеклянной трубы S:

(6)

где d - внутренний диаметр трубы, см.

2. Вычисляется расход жидкости Q , см³/с по (5).

3. Вычисляется средняя скорость потока жидкости V:

, . (7)

4. Из приложения определяют кинематический коэффициент вязкости воды  см² /с в соответствии с измеренной температурой °С.

5. Вычисляют число Рейнольдса Re, соответствующее каждому опыту:

(8)

6. Сравнивают число Рейнольдса по опыту Re ^оп_кр, соответствующее критическому режиму с Re _кр =2300, и вычисляют погрешность задания режима движения вызванную конструктивным исполнением экспериментальной установки:

7. Проверяют выполнение условий:

Re<Re_кр - режим ламинарный,

Re>Re_кр - режим турбулентный.

В случае невыполнения этих условий или большой погрешности определения критического числа Рейнольдса определить причину.

Определение погрешности эксперимента

Случайными погрешностями пренебрегают и рассматривают только систематические погрешности. Погрешность определения площади, расхода, скорости и числа Рейнольдса определяется как погрешность косвенных измерений.

Согласно выражениям (5) - (8), относительная погрешность определения площади, расхода, скорости и числа Рейнольдса составит:

, (9)

, (10)

, (11)

, (12)

, (13)

Через обозначены абсолютные ошибки измерения отдельных величин, входящих в выражения (9) - (13).

В данной работе экспериментально измеряется время наполнения мерной емкости, внутренний диаметр трубы и температура жидкости.

Объем мерного сосуда определяют с погрешностью DW = ± 10 см³, время его наполнения с погрешностью Dt = ± 0,2 с, Погрешность кинематического коэффициента вязкости воды n определить в соответствии с погрешностью измерения температуры. Температуру воды измеряют термометром с погрешностью ± 0,5 °С. Внутренний диаметр стеклянной трубки измеряется по дубликату при помощи штангенциркуля с погрешностью не более ± 0,1 мм.

Погрешности по формулам (9 - 13) рассчитываются для всех опытов. Далее делается анализ полученных результатов, намечаются пути увеличения точности опытов. По согласованию с преподавателем каждым студентом звена делается расчет одного из предложенных мероприятий по снижению погрешности. По результатам всех расчетов делается общий вывод о возможности увеличении точности опытов до заданной преподавателем величины.