Порядок проведения опытов.

 

Предварительно подготовить установку для проведения опытов.

Кран 13, расположенный на выходе из трубы переменного сечения, должен быть закрыт. Включить насос и заполнить рабочий отсек напорного бака до заданного уровня. При этом уровне вода переливается в сливной карман бака. После заполнения бака следует плавно приоткрыть регулировочный кран 13 (см. рис.3.1), кра­ном 15 отрегулировать постоянный перелив пока не установится же­лательный режим опыта. Режимы опытов рекомендуется выбирать такими, чтобы скоростной напор в наиболее узком сечении трубы переменного сечения находился в пределах 5 — 15 см. При уста­новлении режима опыта нужно следить за тем, чтобы в рабочем отсеке резервуара обеспечивался перелив в сливную трубу и тем самым стабильный напор при проведении опыта.

Фиксируется положение линии гидродинамического напора и пьезометрической линии, для чего верхние каретки в каждом сечении устанавливаются по уровню воды в трубках полного напора, а нижние каретки —по уровню воды в пьезометрах. Нить, пропущенная через верхние каретки, зафиксирует положение линии гидродинамического напора, а нить, пропущенная через нижние каретки — положение пьезометрической линии.

Изменяется режим опыта с помощью регулировочного крана 13 путем плавного открытия (закрытия) до установления нового же­лательного режима эксперимента.

Производится сравнение показателей пьезометров при изменении расхода и скорости жидкости в канале с соответствующими линиями предыдущего опыта, которые остались зафиксированными нитями; дается анализ изменения составляющих энергии.

 

Рис. 3.1. Лабораторная установка Иллюстрация уравнения Бернулли

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Лабораторная работа 4 Определение потерь напора по длине трубопровода

 

 

Цель работы - изучение потерь напора по длине при установившемся равномерном турбулентном движении жидкости и проверка расчетных зависимостей для определения потерь.

Для этого:

- Определить расчетным путем величину потери напора и коэффициента гидравлического трения (коэф. Дарси) для 2-х значений расхода Q₁ и Q₂ (можно и большее количество значений).

- Определить опытным путем величину потерь напора и коэффициента Дарси для тех же значений расхода.

- Сопоставить расчетные и опытные данные.

 

Основные положения и расчетные зависимости

 

При движении реальных жидкостей возникают силы сопротивления. На их преодоление затрачивается часть энергии, которой обладает движущаяся жидкость.

Потери энергии (напора) по длине h_l при движении вязкой жидкости в напорном трубопроводе определяются по формуле Дарси – Вейсбаха

,

где   λ - коэффициент сопротивления трения по длине (коэфф. Дарси);

    l, d - длина и диаметр трубопровода;

    V - средняя скорость;

    g - ускорение свободного падения.

Коэффициент λ  является безразмерной переменной величиной, зависящей от ряда характеристик: диаметра и шероховатости трубы, вязкости и скорости жидкости.

Влияние этих характеристик на величину λ проявляется по разному при различных режимах движения в трубе. В одном диапазоне измерение чисел Рейнольдса на величину λ влияет в большей степени скорость, в другом диапазоне преобладающее воздействие оказывают геометрические характеристики: диаметр и шероховатость трубы (высота выступов шероховатости Δ).

В связи с этим различаются четыре области сопротивления, в которых изменение λ имеет свою закономерность.

Первая область - область ламинарного течения. Она ограничивается значениями Re < 2320, а λ в этой области зависит от Re и не зависит от величины выступов шероховатости.

При этом значении λ потери напора по длине трубы пропорциональны первой степени скорости

  

Все остальные области сопротивления находятся в зоне турбулентного режима с различной степенью турбулентности.

Вторая область - гидравлически гладкие трубы. Поток и трубе при этом турбулентный, но у стенок трубы сохраняется слой жидкости, в пределах которого движение остается ламинарным.

Трубы считаются гидравлически гладкими, если толщина ламинарного слоя δ больше высоты Δ выступов шероховатости. Для гидравлически гладких труб в диапазоне изменения чисел Рейнольдса 2320 < Re < 3·10⁶ для определения λ применима формула Конакова

При числах Re < 10⁵ коэффициент λ для гладких труб можно определить по более простой зависимости, предложенной Блазиусом

.

Третья область - переходная от области гладких труб к квадратичной. Здесь толщина ламинарного слоя δ равна или меньше выступов шероховатости Δ, которые в этом случае выступают как препятствия у стенок, увеличивая турбулентность, а следовательно, и сопротивления в потоке. Для определения в переходной области может быть применима формула Френкеля

.

Потери напора по длине трубы в переходной области сопротивления пропорциональны скорости в степени от 1,75 до 2,0.

Четвертая область - область гидравлически шероховатых труб или квадратичного сопротивления. Пристенного ламинарного слоя в этой области нет. Основное влияние на сопротивление потоку оказывает шероховатость трубы. Чем больше выступы шероховатости, тем большую турбулентность они вызывают и тем больше будут затраты энергии в потоке на преодоление сопротивлений. В квадратичной области сопротивления коэффициент λ не зависит от скорости.

По формуле Никурадзе

где r - радиус трубы, мм;

 Δ -  высота выступов шероховатости, берется по справочным данным.

Так в этой области λ не зависит от скорости, то потери напора пропорциональны квадрату скорости

Поэтому эта область сопротивления названа квадратичной.

Применяются и другие формулы, смотри таблицу 4.2.