Методички к лабораторным работам / Истечение жидкости из отверстий и насадок

Министерство образования и науки Российской Федерации

Саратовский государственный технический университет

Балаковский институт техники, технологии и управления

ИССЛЕДОВАНИЕ ИСТЕЧЕНИЯ ЖИДКОСТИ

ИЗ ОТВЕРСТИЙ И НАСАДОК

Методические указания к выполнению лабораторной работы

для студентов специальностей ПСМ-170900, ПГС-290300

ТМС-

Одобрено

редакционно-издательским советом

Балаковского института техники,

технологии и управления

Балаково 2004

Ц е л ь р а б о т ы - определить опытным путем коэффициент истечения и его зависимость от числа Рейнольдса для различных типов отверстий и насадок, получить навыки проведения экспериментальных исследований.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

C хема истечения жидкости из малого отверстия в тонкой стенке представлена на рис. 1.

Отверстие считается малым, если отношение площади подводящего

канала к площади отверстия больше 4 ( ) и диаметр отверстия меньше 0,1 приведенного напора (d<0.1H ) .

Стенка считается тонкой, если диаметр намного больше толщины стенки или имеется острая кромка.

К отверстию жидкость подтекает со всех сторон, поэтому в плоскости отверстия частицы движутся по криволинейным траекториям, и струя жидкости при выходе из отверстия резко сжимается.

На протяжении участка l₀ от внутренней поверхности стенки до сечения с-с движение резко изменяющееся (неравномерное). Вблизи сечения с-с , которое называют сжатым сечением струи движение параллельноструйное и живое сечение потока плоское. Эпюра распределения скоростей - прямоугольная.

Расстояние до сжатого сечения от отверстия l₀  0,5 d

Коэффициент сжатия струи  - отношение площади сжатого сечения

к площади отверстия  .

Сжатие струи оказывается различным в зависимости от расположения отверстия относительно стенок и дна.

Сжатие струи по всему периметру называется полным. Полное сжатие наблюдается при удалении отверстия от дна и стенок. При примыкании отверстия к дну или стенкам сжатие неполное, не со всех сторон.

Сжатие называется совершенным, если на него не оказывают влияние дно и стенки резервуара. Для этого необходимо, чтобы расстояние от стенок и дна до отверстия было более трех диаметров.

Из уравнения Бернулли, записанного для сечений 1-1 и с-с получим:

,

где H_пр -приведенный напор

 _o -коэффициент сопротивления отверстия

Максимальная теоретическая скорость движения жидкости будет иметь место, если пренебречь потерями. Обозначим:

,

где ₀ -коэффициент скорости.

С физической точки зрения он представляет собой отношение действительной скорости движения жидкости к теоретической.

Расход жидкости:

Q=₀ ₀ , (1) ₀ = _{0 .} (2)

где ₀ - коэффициент расхода отверстия

В гидроприводе, когда основной составляющей напора является давление P,

H_пр = и Q=₀ ₀

Коэффициенты ₀ , _o , зависят от числа Рейнольдса.

Для турбулентного движения жидкости в квадратичной области ₀ = 0,62.

При переменном напоре время опорожнения емкости с сечением постоянной площади определяется по выражению:

t = ,

где ₁ -площадь сечения емкости

₀ -площадь отверстия

H₁ и H₂ -напор в начале и конце опорожнения

 -коэффициент истечения из отверстия или насадка

Насадком называется весьма короткий напорный трубопровод определенной конфигурации потерями по длине которого пренебрегают и учитывают только местные потери напора.

Внешний цилиндрический насадок ( насадок Вентури ) представлен на рис.2.

Ж идкость, устремляясь в насадок из резервуара и обходя острую кромку, образует сжатую "транзитную" струю и водоворотную область, которая заполняется частицами жидкости, оторвавшимися от транзитной струи.

Расчет расхода ведется по формуле истечения из отверстия, но коэффициент истечения иной. Для турбулентного режима движения в квадратичной области  , =1, _н_н

Внешний цилиндрический насадок, присоединенный к отверстию, увеличивает расход на 34% и уменьшает скорость истечения жидкости на 15%.

Увеличение расхода объясняется тем, что насадок увеличивает площадь сечения струи на выходе, причем это увеличение площади живого сечения потока оказывает превалирующее влияние на величину расхода по сравнению с потерей напора, уменьшающей скорость.

Второе объяснение причины увеличения расхода жидкости внешним цилиндрическим насадком по сравнению с отверстием можно связать с наличием в сжатом сечении струи в насадке пониженного давления. Это пониженное давление фактически увеличивает приведенный напор и как бы "подсасывает" жидкость из сосуда в насадок.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

В формулах ( 1 ) и ( 2 ) для определения расхода, времени опорожнения резервуара коэффициент истечения определяется экспериментально или принимается из справочников.

В данной работе он рассчитывается по формуле

= Q_д / Q_{т ,} ( 3 )

где Q_д - действительный расход жидкости

Q_т- теоретический расход жидкости

Q_т = ₀ ,

где ₀ -площадь сечения отверстия или насадка

H_пр -приведенный напор жидкости перед отверстием

В данном конкретном случае он является суммой высоты насадка

и высоты заполнения стеклянной трубы.

Расход жидкости определяется объемным способом по времени наполнения мерной емкости.

Q_{д =} W / t , ( 4 )

где W -объем мерной емкости

t -время наполнения емкости

Площадь сечения отверстия круглой формы определяется по формуле:

,

где d - диаметр отверстия

ТРЕБОВАНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ТРУДА

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

2. При проведении опыта необходимо аккуратно обращаться со стеклянными и хрупкими приборами, оборудованием лаборатории.

3. Кран подачи воды располагается довольно высоко, поэтому, при необходимости, пользуйтесь специальной подставкой.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Оборудование и принадлежности

Экспериментальная установка, представленная на рис.3 , состоит из стеклянной трубы ( 2 ) внутренним диаметром 55 мм, сменной насадки

( 3 ), крана подачи воды ( 1 ) и мерной емкости объемом 1000 см³ .

Необходимы секундомер и термометр.

Порядок выполнения работы следующий:

1. Получить у преподавателя комплект насадков, с помощью штан-

генциркуля измерить их параметры и выполнить чертежи исследуемых насадков.

2. Ознакомиться с экспериментальной установкой и ввернуть первый насадок, как показано на рис.3.

3. Открыть краном (1) подачу воды и регулируя получить необходимый ее уровень в трубе (2).

Ориентировочный ряд уровней для серии опытов следующий:

( 0,5; 1; 2,5; 5; 10; 20; 40; 80 ) см.

4. При каждом установленном уровне измерить время наполнения мерной емкости и температуру воды. Результаты занести в таблицу.

5. Заполнить стеклянную трубу (2) до высоты 90 см, перекрыть подачу воды краном (1) и определить время полного опорожнения трубы с высоты 80 см.

6. Снять исследуемый насадок, установить другой и повторить пункты 1-6 порядка выполнения работы.

7. Результаты исследований показать преподавателю и сдать полученные насадки.

Таблица

N оп	Напор привед. Нпр	Время наполн. t	Расход действит. Qд	Расход теоретич. Qт	Число Рейнольдса Rе	Коэффиц. расхода 
1	см	с	см3/c	см3/c
....
8

Температура воды при проведении опытов Т=

Кинематичекий коэффициент вязкости  =

Объём мерной ёмкости W=

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА

Расчет величин, заносимых в таблицу, проводится по формулам приведенным выше.

Число Рейнольдса определяется по формуле:

,

где d -диаметр отверстия или насадка

H _{пр -} приведенный напор

 -кинематический коэффициент вязкости

После заполнения таблицы необходимо построить график зависимости коэффициента истечения от числа Рейнольдса.

Определение п о г р е ш н о с т и эксперимента

Случайными погрешностями пренебрегаем и рассмотрим только систематические погрешности. Погрешность расхода жидкости определяется как погрешность косвенных измерений.

Согласно выражению ( 4 ) относительная погрешность определения расхода составит:

,

где через обозначены абсолютные ошибки измерения отдельных величин, входящих в выражение ( 4 ).

В данной работе экспериментально измеряется время наполнения мерной емкости, уровень воды в стеклянной трубе и её температура.

Время измеряется секундомером, абсолютная ошибка измерения составляет  0,5 с.

Погрешность коэффициента расхода в соответствии с выражением

( 3 ) определится по формуле:

СОДЕРЖАНИЕ И ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА ПО РАБОТЕ

Отчет по работе оформляется письменно в отдельной тетради каждым студентом и должен содержать:

1. Название лабораторной работы.

2. Формулировку цели работы.

3. Некоторые основные понятия и формулы.

4. Схему и описание лабораторной установки.

5. Таблицу с результатами опытов.

6. Необходимые графические зависимости.

7. Выводы.

Схема установки, таблицы и графики должны быть выполнены в карандаше с использованием чертежных принадлежностей.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. При каком соотношении диаметра отверстия и напора в баке отверстие считается малым?

2. По какой формуле определяется действительная скорость истечения жидкости через малое отверстие в тонкой стенке?

3. По какой формуле определяется теоретическая скорость истечения жидкости через малое отверстие в тонкой стенке?

4. Какая стенка называется тонкой?

5. По какой формуле определяется действительный расход жидкости вытекающей через малое отверстие в тонкой стенке в процессе выполнения данной работы?

6. По какой формуле определяется теоретический расход жидкости вытекающей через малое отверстие в тонкой стенке?

7. Что представляет собой коэффициент сжатия струи?

8. По какой формуле определяется площадь сжатого сечения струи?

9. По какой формуле определяется коэффициент местного сопротивления при входе в отверстие?

10. Какие потери учитываются при изучении истечения жидкости через малое отверстие в тонкой стенке?

11. Напишите уравнение неразрывности для потока несжимаемой жидкости.

12. Какой физический смысл имеет коэффициент скорости?

13. Какой физический смысл имеет коэффициент расхода?

14. Какая связь существует между коэффициентами сжатия, скорости и расхода?

Л и т е р а т у р а

Основная

1. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы: Учебн. для машиностр. вузов/ Т.М. Башта, С.С. Руднев, Б.Б. Некрасов и др. - М.: Машиностроение, 1982. - 426 с.

Дополнительная

1. Машиностроительная гидравлика. Примеры расчетов/ В.В.Вакина, И.Д. Денисенко, А.Л. Столяров.-К.: Высш. шк., 1986.- 208 с.

Время, отведенное на лабораторную работу

Подготовка к работе	1 акад.час
Выполнение работы	0,5 акад.час
Обработка результатов эксперимента и оформление отчета	0,5 акад.час

ИССЛЕДОВАНИЕ ИСТЕЧЕНИЯ ЖИДКОСТИ

ИЗ ОТВЕРСТИЙ И НАСАДОК

Методические указания к выполнению лабораторной работы

для студентов специальностей ПСМ-170900, ПГС-290300

ТМС-

Составил Сизов Владимир Михайлович

Рецензент Н.А. Устинов

Редактор Л.В. Максимова

Подписано в печать		Формат 6084 1/16
Бумага тип	Усл. печ. л 1,75	Уч. изд. л. 1,7
Тираж 100	Заказ	Бесплатно

Саратовский государственный технический университет

410054, г, Саратов, ул. Политехническая, 77

Копипринтер БИТТиУ г. Балаково, ул. Чапаева, 140

14