Методички к лабораторным работам / Коэффициент гидр.трения прямой трубы

Министерство образования РФ

Саратовский государственный технический университет

Балаковский институт техники, технологии и управления

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ГИДРАВЛИЧЕСКОГО

ТРЕНИЯ ПРЯМОЙ ТРУБЫ

Методические указания

к выполнению лабораторной работы

по курсу гидравлики для студентов специальностей

150400, 170500, 290300, 120100.

Одобрено

редакционно-издательским советом

Саратовского государственного

технического университета.

Саратов 2003

Ц е л ь р а б о т ы:

1.Определить опытным путем коэффициент гидравлического трения.

2.Определить коэффициент гидравлического трения по теоретическим формулам и сравнить с опытным значением.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Потери напора на трение по длине круглых труб h_l oпределяется по формуле Дарси:

,

где  - коэффициент гидравлического трения;

l - длина трубы , на которой определяется потеря напора на трение;

d - диаметр трубы ;

V - средняя скорости жидкости;

g - ускорение силы тяжести, равное 9,81 м/с² .

Многочисленными экспериментами установлено, что коэффициент гидравлического трения зависит в общем случае от числа Рейнольдса Re и относительной шероховатости стенок трубы /d :

,

где  - высота выступов шероховатости внутренних стенок трубы.

Преобладание того или иного фактора зависит от режима течения жидкости . Существует пять зон гидравлического сопротивления.

1. З о н а в я з к о г о с о п р о т и в л е н и я.

Движение ламинарное, Re < 2300. В этой зоне шероховатость стенок мало влияет на потери напора

.

Теоретическая формула для определения коэффициента гидравлического трения вытекает из закона Пуазейля :

.

2. П е р е х о д н а я з о н а. При 2300 < Re < 4000 имеет место переходная зона, в которой движение уже не ламинарное и еще не турбулентное, т. е. здесь режим неустойчивый. Инженерные расчеты в этой зоне выполняются очень редко.

3. З о н а г и д р а в л и ч е с к и г л а д к и х т р у б. Движение турбулентное 4000 < Re < 10⁵ . В этой зоне шероховатость стенок трубы мало влияет на потери напора

.

Для определения коэффициента гидравлического трения можно пользоваться следующими формулами :

а) при 4000 < Re < 10⁵ - формулой Блазиуса

;

б) при 4000 < Re <10⁶ - формулой П.К. Конакова

.

4. З о н а д о к в а д р а т и ч н о г о с о п р о -

т и в л е н и я . Движение турбулентное. Ориентировочные границы зоны

,

где э- величина эквивалентной равномерно-зернистой шероховатости.

Под эквивалентной шероховатостью понимают такую равномерно - зернистую шероховатость, которая в области квадратичного сопротивления оказывает такое же сопротивление движению жидкости как и труба с естественной шероховатостью. В этой зоне сопротивления коэффициент гидравлического трения зависит от обеих факторов

.

Для определения коэффициента гидравлического трения можно воспользоваться следующими формулами :

а) формула Кольбрука-Уайта

;

б) формула А.Д. Альтшуля

.

5. З о н а к в а д р а т и ч н о г о с о п р о т и в л е-

н и я. Движение турбулентное. Нижняя граница зоны

Re > ( 500·d ) / э. В этой зоне основным фактором, влияющим на сопротивление, является шероховатость стенок трубы

_.

Для определения коэффициента гидравлического трения можно воспользоваться следующими формулами :

а) формула Прандтля-Никурадзе

;

б) формула Б.Л.Шифринсона

.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

О п и с а н и е л а б о р а т о р н о й у с т а н о в к и

Схема лабораторной установки приведена на рисунке. Лабораторная установка состоит из напорного бака 1, исследуемой трубы 2 диаметром d. В начале и конце участка трубы длиной l через штуцеры и гибкие шланги 3 подключены пьезометры 4, снабженные измерительной шкалой. Расход воды в исследуемой трубе задается при помощи вентиля 5. Подача воды в напорный бак осуществляется по трубе 6 при помощи вентиля 7. Для измерения расхода воды служит мерный бак 8. Слив воды из мерного бака осуществляется по трубе 9 , открытием вентиля 10 . Температура воды измеряется термометром 11.

М е т о д и к а п р о в е д е н и я о п ы т о в

Перед проведением опытов напорный бак 1 заполняется водой. При этом вентиль 5 должен быть закрытым. Затем вентиль 5 открывается и задается расход Q в интервале 0 < Q <= Q_max. Обычно начинают с максимального расхода, соответствующего полному открытию вентиля 5. При проведении опытов необходимо поддерживать установившееся движение воды. Для этого при помощи вентиля 7 уровень воды в напорном баке 1

Схема лабораторной установки

поддерживается постоянным. При заданном расходе воды выполняются следующие измерения. При помощи пьезометров 4 по шкале определяется разность уровней воды в них с погрешностью 0.5 мм. Линия визирования при этом должна быть перпендикулярна плоскости шкалы. Одновременно с этим определяется расход воды объемным способом при помощи мерного бака 8 и секундомера

, см³ /с ,

где W - объем мерного бака, см³ ;

t - время наполнения мерного бака, с.

При этом большему расходу воды задают больший объем бака 8, с таким расчетом, чтобы время наполнения при всех опытах было примерно одинаковым. Во время определения расхода воды измеряется ее температура, необходимая для определения вязкости. Расходы воды задаются с таким расчетом, чтобы в опытах охватить все зоны сопротивления.

ТРЕБОВАНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ТРУДА

1. Перед проведением опытов необходимо изучить 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. После завершения опытов доложить преподавателю и сдать приборы.

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

ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ ОПЫТОВ

1. Подготовка установки к проведению опыта.

1.1. Открыть вентиль 7 и заполнить напорный бак 1 водой до уровня , не доходящего 15 см до верхнего края напорного бака. При этом вентиль 5 должен быть закрытым.

1.2. Наполнение бака устанавливается по пьезометрам 4, не допуская перелива воды из трубочек.

1.3. Вентиль 10 должен быть открытым.

1.4. Проверяется отсутствие течей воды в местах соединения гибких шлангов 3 и через вентили.

1.5. Определяются длина исследуемой трубы, внутренний диаметр, шероховатость стенок.

1.6. Определяют размеры мерного бака 8.

2. Определение коэффициентов гидравлического трения опытным путем.

1. Максимальным открытием вентиля 5 устанавливают максимальный расход воды в трубе.

2. При помощи вентиля 7 добиваются постоянства уровня воды в напорном баке 1.

2.3. После достижения установившегося режима движения по шкале определяют разность уровней воды в пьезометрах 4. Результат записывают в таблицу.

2.4. Одновременно определяют расход воды объемным способом и измеряют температуру воды. При измерении расхода определяют время наполнения заданного объема по шкале мерного бака. Во время измерения расхода и температуры воды вентиль 10 должен быть закрытым.

2.5. После окончания измерения расхода и температуры воды вентиль 10 открывается, чтобы не допустить перелива воды из мерного бака.

2.6. После завершения всех измерений в данном опыте закрывается сначала вентиль 7, затем вентиль 5.

2.7. В таблице выполняются необходимые расчеты для установления зоны сопротивления .

2.8. Открывают вентиль 5 менее максимального, затем при помощи вентиля 7 добиваются постоянства уровня воды в напорном баке. Выполняют измерения аналогично первому опыту.

2.9. При проведении опытов добиваются, чтобы охватить все зоны сопротивления. Количество опытов должно быть не менее четырех.

2.10. После завершения всех опытов вентили 7 и 5 закрываются, вентиль 10 открывается и проверяется на отсутствие течей в вентилях, в местах соединения шлангов и в самих шлангах.

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА

Результаты измерений и необходимых вычислений заносятся в таблицу.

1. Вычисляется площадь поперечного сечения трубы, расход воды и средняя скорость.

2. По температуре воды из приложения определяется ее кинематическая вязкость.

3. Вычисляют число Рейнольдса

и устанавливают зону гидравлического сопротивления.

4. Вычисляют опытное значение коэффициента гидравлического трения по формуле

.

5. Вычисляют теоретическое значение коэффициента гидравлического трения по формуле, соответствующей зоне сопротивления .

6. Определяют расхождение коэффициентов гидравлического трения

.

7. Делают выводы о соответствии теоретического и опытного коэффициентах гидравлического трения и характере изменения

коэффициента в зависимости от числа Рейнольдса.

СОДЕРЖАНИЕ И ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА ПО РАБОТЕ

Отчет по работе каждым студентом оформляется письменно в отдельной тетради 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 опыта.

6. Выводы.

Схема установки и таблица должны быть выполнены в карандаше с использованием чертежных приборов. Допускается выполнение отчета на компьютере.

Т а б л и ц а

Результаты исследований коэффициентов гидравлического трения

NN	Наименование	Единица	NN опытов
n/n	параметров	измерения	1	2	3	4	5
1	2	3	4	5	6	7	8
	I. Размеры исследуемой трубы.
1.1	Внутренний диаметр, d	см
1.2	Площадь поперечного сечения, S	см2
1.3	Длина, l	см
1.4	Шероховатость стенок	мм
	II. Определение расхода и средней скорости и зоны сопротивления.
2.1	Объем мерного бака , W	см3
2.2	Время наполнения мерного бака , t	с
2.3	Расход воды, Q	см3/c
2.4	Средняя скорость, V	cм/c
2.5	Температура воды	С
2.6	Кинематическая вязкость воды, 	см2/с
2.7	Число Рейнольдса , Re	-----
2.8	Зона сопротивления	-----
	III. Определение коэффициента гидравлического трения.
3.1	Потери напора в трубе , h	см
3.2	Опытный коэффициент, on	-----
3.3	Теоретический коэфф. ,	-----
3.4	Сравнение коэффициентов	%

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. По какой формуле определяются потери напора по длине трубы ?

2. Какие бывают зоны гидравлического сопротивления в трубах ?

3. От каких факторов зависит коэффициент гидравлического трения:

а) в общем случае ?

б) в зоне вязкого сопротивления ?

в) в зоне гидравлически гладких труб ?

г) в зоне доквадратичного сопротивления ?

д) в зоне квадратичного сопротивления ?

4. Какие трубы называются гидравлически гладкими ?

5. Что представляет собой эквивалентная шероховатость ?

6. Как определяются относительная шероховатость стенок трубы ?

7. Как определяется расход и средняя скорость при проведении

опытов ?

8. Как изменяется коэффициент гидравлического трения в зоне вязкого сопротивления при нагревании жидкости ?

9. По какой формуле вычисляется коэффициент гидравлического

трения опытным путем ?

10. По какой формуле вычисляется теоретическое значение коэффициента гидравлического трения :

а) в зоне вязкого сопротивления ?

б) в зоне гидравлически гладких труб ?

в) в зоне доквадратичного сопротивления ?

г)в зоне квадратичного сопротивления ?

11. Какой вид энергии теряет жидкость при движении в трубопроводе с неизменным диаметром ?

Л И Т Е Р А Т У Р А

О с н о в н а я

1. Прозоров И.В., Николадзе Г.И., Минаев А.В.

Гидравлика, водоснабжение и канализация: Учеб. пособие для

строит. спец. вузов.-М.:Выс.шк.,1990.- 448 с.

2. Башта Т.М.,Руднев С.С.,Некрасов Б.Б. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы.- М.: Машиностроение,1982.-423 c. Д о п о л н и т е л ь н а я

1. Справочник по гидравлике /Под ред. А.Большакова/.

2-е изд.,.-Киев:Вища шк.Головное изд.,1984. - 343 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

П р и л о ж е н и е

Кинематический коэффициент вязкости воды ,  10 ^{- 4} см²/с

t,C		t,C		t,C		t,C	
0	179	9	135	18	106	40	66
1	173	10	131	19	104	45	60
2	167	11	127	20	101	50	56
3	162	12	124	22	99	55	51
4	157	13	121	24	92	60	48
5	152	14	118	26	88	70	41
6	147	15	115	28	84	80	37
7	143	16	112	30	80	90	33
8	139	17	109	35	73	100	28

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА

ГИДРАВЛИЧЕСКОГО

ТРЕНИЯ ПРЯМОЙ ТРУБЫ

Методические указания

к выполнению лабораторной работы

Составили: Сунчаляев Фарид Тимирханович

Сизов Владимир Михайлович

Рецензент: Устинов Н.А.

16