Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу

Кафедра нафтогазової гідромеханіки

Возняк Л.В., Гімер П.Р., Гімер Р.Ф., Мердух М.І., Навроцький Б.І.

ГІДРАВЛІКА

Методичні вказівки до лабораторних робіт для студентів всіх спеціальностей

2003

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу

Кафедра нафтогазової гідромеханіки

Возняк Л.В., Гімер П.Р., Гімер Р.Ф., Мердух М.І., Навроцький Б.І.

ГІДРАВЛІКА

Методичні вказівки до лабораторних робіт для студентів всіх спеціальностей

Івано-Франківськ

2003

МВ 02070855 – 1263 – 2003

Возняк Л.В., Гімер П.Р., Гімер Р.Ф., Мердух М.І., Навроцький Б.І. Гідравліка. Лабораторні роботи. Методичні вказівки. – Івано-Франківськ: Факел, 2003. – 75 стор.

Методичні вказівки складені на основі програми курсу "Гідравліка і гідропривід" і призначені для всіх спеціальностей при вивченні цієї дисципліни та виконанні лабораторних робіт

Рецензент – д-р техн. наук, проф. В.Я.Грудз

Дане видання – власність ІФНТУНГ.

Забороняється тиражувати та розповсюджувати без відома авторів.

Возняк Л.В., Гімер П.Р., Гімер Р.Ф., Мердух М.І., Навроцький Б.І. Гідравліка. Лабораторні роботи. Методичні вказівки. – Івано-Франківськ: Факел, 2003. – 75 стор.

Методичні вказівки складені на основі програми курсу "Гідравліка і гідропривід" і призначені для всіх спеціальностей при вивченні цієї дисципліни та виконанні лабораторних робіт

Автори – канд. техн. наук, доцент Л.В. Возняк

канд. техн. наук, доцент П.Р. Гімер

канд. техн. наук, професор М.І. Мердух

д-р техн. наук, професор Б.І. Навроцький

Відповідальний за випуск – зав. кафедрою нафтогазової гідромеханіки д-р техн. наук, професор Р.Ф. Гімер

Ухвалено на засіданні

навчально-методичного об’єднання спеціальностей:

– газонафтопроводи та газонафтосховища д-р техн. наук, проф. М.Д. Середюк

– видобування нафти і газу д-р техн. наук, проф. Р.М. Кондрат

– буріння д-р техн. наук, проф. Я.С. Коцкулич

Нормоконтролер О.Г. Гургула

Коректор Н.Ф. Будуйкевич

Висновки голови експертно-рецензійної комісії університету:

Методичні вказівки рекомендуються до друку

"___" ___________2003р. М.П. Возняк

Дане видання – власність ІФНТУНГ.

Забороняється тиражувати та розповсюджувати без відома авторів.

ЗМІСТ

ВСТУП 9

Лабораторна робота № 1 Дослідження реологічних властивостей рідин (побудова графічної моделі рідини) 10

Лабораторна робота № 2 Основні прилади для вимірювання тиску та вакууму 16

Лабораторна робота № 3 Практичне використання основного рівняння гідростатики 21

Лабораторна робота № 4 Визначення форми вільної поверхні рідини в посудині, що обертається навколо своєї осі. 26

Лабораторна робота № 1 Визначення сили тиску рідини на плоскі поверхні (випробування дихального клапана) 29

Лабораторна робота № 2 Визначення вертикальної складової сили тиску рідини на криволінійну поверхню 33

Лабораторна робота № 3 Експериментальна перевірка закону Архімеда 37

Лабораторна робота № 5 Дослідження режимів течії рідини 40

Лабораторна робота № 6 Визначення коефіцієнта гідравлічного опору при течії рідини в трубах 45

Лабораторна робота № 7 Визначення дослідним шляхом внутрішнього діаметра трубопроводу 52

Лабораторна робота № 8 Визначення коефіцієнтів місцевих опорів 57

Лабораторна робота № 9 Дослідження процесу витікання рідини з посудин через отвори і насадки при постійному напорі 63

Лабораторна робота № 10 Визначення часу витікання рідини з посудини через отвори і насадки 69

Лабораторна робота № 11 Вимірювання місцевої швидкості і витрати в потоці рідини 72

1. Гідравлічний удар в трубах 77

Лабораторна робота № 12 Дослідження процесу витікання рідини з посудин через отвори і насадки при постійному напорі 81

ВСТУП

Методичні вказівки для виконання лабораторних робіт складені на основі курсів, які автори читають для студентів нафтових та механічних спеціальностей в університеті.

При цьому охоплені такі теми як фізичні властивості рідин, гідростатичний тиск та його властивості, відносний спокій, визначення сили тиску на плоску стінку та криволінійні поверхні: практичне використання рівняння Бернуллі, дослідження режимів течії, визначення коефіцієнта гідравлічного тертя та коефіцієнта місцевого опору, дослідження процесу витікання рідин із отворів та насадок при сталому та змінному напорі, гідравлічний удар в трубах.

В методичних вказівках для виконання лабораторних робіт з гідравліки охоплені розділи гідростатики та гідродинаміки.

Лабораторні роботи з гідравліки сприяють глибшому засвоєнню законів та основних рівнянь гідромеханіки та їх застосуванню на практиці.

Лабораторна робота № 1 Дослідження реологічних властивостей рідин (побудова графічної моделі рідини)

1.1Мета роботи

Дослідження реологічних властивостей рідини в умовах усталеної ламінарної течії і визначення реологічної моделі рідини.

1.2Основні теоретичні положення

Реологічна модель рідини може бути описана рівнянням залежності дотичних напружень , які виникають в рідині під час течії, від градієнта швидкості (швидкості зсуву) du/dy.

Зважаючи на вигляд цієї залежності, розрізняють ньютонівські рідини, для яких

du/dy, (1.1)

де  – динамічна в’яз­кість, і неньютонівські – для яких залежність (1.1) не виконується.

Прикладом неньютонівської рідини є модель в’язко-плас­тичної рідини (модель Шведова-Бінгама), яка добре описує бурові розчини, і для якої реологічне рівняння має вигляд:

_du/dy, (1.2)

Рисунок 1.1 Графіки реологічних моделей рідини: 1 – ньютонівська рідина; 2 – в’язко-пластична рідина.

де _ – граничне напруження зсуву при перевищенні якого рідина починає текти;  – пластична в’яз­кість.

Реологічні рівняння (1.1) і (1.2) можна зобразити у вигляді графіків (Рисунок 1 .1).

В’язкістю називається властивість рідини чинити опір взаємному переміщенню її шарів. Очевидно, що ця властивість виявляє себе тільки при течії рідини.

Найбільш поширеними приладами для вимірювання в’яз­кості ньютонівських і неньютонівських рідин є капілярні і ротаційні віскозиметри.

Капілярні віскозиметри використовуються в практиці для дослідження малов’язких рідин (води, неорганічних кислот, бензинів, дизельного палива тощо). Принцип дії цих віскозиметрів базується на тому, що час перетікання певного об’єму рідини через капілярний канал лінійно залежить від в’язкості цієї рідини. Тому, якщо заміряти цей час, то за його величиною легко вирахувати в’язкість рідини.

Для дослідження реологічних властивостей високов’язких рідин, таких як глинисті розчини, в’язкі нафти і нафтопродукти, розчини полімерів тощо, використовують ротаційні віскозиметри. В цих віскозиметрах рідина заповнює кільцевий простір між двома коаксіально розміщеними циліндрами. За рахунок в’язкого тертя в рідині при обертанні зовнішнього циліндра з постійною кількістю обертів n внутрішній циліндр, який підвішується на пружині, буде повертатися на деякий кут . Якщо заміряти величини  для різних значень n, то можна побудувати графік (n), який буде аналогом графічної моделі рідини = fdu/dy) (див. Рисунок 1 .1), а значить, і розрахувати відповідні реологічні параметри цієї моделі рідини.

1.3Опис схеми установки

Ротаційний віскозиметр ВСН-3 складається (Рисунок 1 .2) з вимірювального циліндра 1, зовнішнього циліндра 2, який обертається, мірного циліндра 3, патрона для закріплення зовнішнього циліндра 4, динамометра 5, редуктора 6, електродвигуна 7 з регульованою частотою обертання: 200, 300, 400 і 600 об/хв., лімба 8 і кронштейна 9.

1.4Хід виконання досліду

1.4.1В чистий і сухий мірний циліндр 3 налити до мітки досліджувану рідину.

Рисунок 1.2 Схема роботи віскозиметра ВСН-3

1.4.2Поставити циліндр 3 на кронштейн 9 і підняти у верхнє положення, зафіксувавши при цьому кронштейн від опускання.

1.4.3Сумістити нуль лімба 8 з рискою шкали.

1.4.4Ввімкнути прилад в електричну мережу.

1.4.5Перемикач частоти обертання редуктора 6, поставити в положення “600”.

1.4.6Ввімкнути перемикач в положення "робота" і заміряти величину кута закручування  для даної частоти обертання.

1.4.7Вимкнути прилад.

1.4.8Повторити вимірювання на частотах обертання “400”, “300” і “200”.

1.4.9Повторити досліди при частотах 200, 300, 400 і 600 об/хв. (зворотній хід) через 2-3 хв. після закінчення вимірів при прямому ході. Це підвищить точність виміру. Результати вимірювань занести в протокол.

1.5Обробка результатів вимірювань

1.5.1За величинами _і і n_і для кожної послідовної пари точок залежності  = f(n) для прямого і зворотного ходу визначають динамічну в’язкість для ньютонівської рідини (пластичну для в’язко-пластичних рідин) за формулою:

, Па∙с (1.3)

де А – коефіцієнт, який вибирається в залежності від номера пружини динамометра, що встановлена на приладі: А = 0,15 для пружини №1 і А = 0,3 для пружини №2.

1.5.2Для тих же пар точок вираховують величину граничного напруження зсуву:

, Па (1.4)

1.5.3Визначають середнє значення динамічної (пластичної) в’язкості, і граничного напруження зсуву:

(1.5)

. (1.6)

1.5.4Будують графік залежності кута закручення від частоти обертання циліндра  = f(n). На основі вигляду цієї залежності (для порівняння див. Рисунок 1 .1) і розрахованих значень _сер і _0сер роблять висновок про те, якій реологічній моделі відповідає досліджувана рідина.

1.5.5Результати розрахунків заносять в таблицю.

Таблиця 1.1 – Результати досліджень реологічних властивостей рідини

№ досліду		Рідина (назва)	Частота обертання об/хв., ni	Кут закручення град. i	№ пружини	Динамічна в’язкість μ, кг/м с	Гранична напруга зсуву, τ0, н/м2
Прямий хід
Зворотний хід

1.6Контрольні запитання

1.6.1Що покладено в основу реологічних моделей рідин?

1.6.2Накресліть графіки залежності  = f(du/dy) для найбільш поширених моделей рідин, що використовуються в бурінні свердловин, нафтовій промисловості.

1.6.3Що називається в’язкістю рідини?

1.6.4Які способи визначення реологічних властивостей рідин Вам відомі?

1.6.5Практичне використання реологічних характеристик рідин.

Лабораторна робота № 2 Основні прилади для вимірювання тиску та вакууму

2.1Мета роботи

Ознайомитися з призначенням, принципом роботи та використанням приладів для вимірювання тиску та вакууму в рідинах і газах.

2.2Класифікація манометрів

Всі прилади для вимірювання тиску та вакууму можна поділити на ряд груп за такими ознаками:

2.2.1За вимірюваною величиною:

• барометри – для вимірювання атмосферного тиску;

• п’єзометри, манометри – для вимірювання надлишкового тиску;

• вакуумметри – для вимірювання розрідження (вакууму);

• мановакуумметри – для вимірювання вакууму і надлишкового тиску;

• диференціальні манометри – для вимірювання різниці тисків.

2.2.2За принципом дії:

• Рідинні, в яких тиск врівноважується стовпом рідини.

• Поршневі, в яких вимірюваний тиск, що діє на одну сторону поршня, врівноважується силою, яка прикладена з протилежного боку. Врівноважуюча сила утворюється набором ваг.

• Пружинні, в яких вимірюваний тиск деформує різного роду пружини. Величина деформації, збільшена передавальним механізмом і перетворена в переміщення показуючої стрілки вздовж шкали, є мірою тиску.

• Електричні, засновані на властивостях деяких матеріалів змінювати провідність із зміною тиску (манганін, вугільні пластинки тощо). В кварці, турмаліні, сегнетовій солі під дією сили тиску, виникає електричний струм (п’єзоелек­тричний ефект). Електричний струм через підсилювач вимірюється вторинним приладом зі шкалою градуйованою в одиницях тиску.

• Комбіновані, принцип дії яких має змішаний характер (пружинно-електричні, пружинно-поршневі, рідинно-елек­тричні та інші).

2.2.3За конструктивним виконанням:

• Рідинні: п’єзометри, U-подібні манометри, диференціальні манометри, похилі, чашоподібні, поплавкові тощо.

• Поршневі: з простим і диференціальним поршнем.

• Пружинні: трубчаті, гелікоїдні, мембранні, сильфонні (анероїдні) тощо.

• Електричні: опору, п’єзоелектричні.

2.2.4За способом відліку:

• показуючі;

• реєструючі;

• Показуючі з дистанційною електричною або пневматичною передачею інформації.

2.2.5За призначенням

• взірцеві, якими користуються тільки для перевірки інших, менш точних манометрів (з класом точності менше 0,6);

• технічні, якими користуються безпосередньо для вимірів (з класом точності 0,6 і більше).

2.3Клас точності приладів

Клас точності – це відносна допустима похибка, виражена у відсотках від діапазону шкали приладу:

, (2.7)

де p – абсолютна похибка приладу, Па; p_в і p_н – відповідно верхня і нижня величина шкали, Па.

З метою встановлення єдиного критерію оцінки похибки вимірюван­ня, а також полегшення вибору приладу відповідно з точніс­тю вимірювання встановлюється певний ряд діапазонів шкали приладів і класів точності.

Для приладів, які вимірюють тиск і вакуум ряд діапазонів шкали приладу складає: 0,06; 0,1; 0,16; 0,25; 0,4; 0,6; 1,0; 1,6; 2,5; 4; 6; …; 160 МПа, тобто збільшується на один, два і більше порядків. Причому для манометрів шкала починається з нуля, а для вакуумметрів і мановакуумметрів – з –0,1 МПа. В останніх 0‑шкали знаходиться між межею вимірювання розрідження і надлишкового тиску.

Пружинні манометри серійно виготовляються з класами точності: взірцеві (0,16; 0,25; 0,4), технічні для точних вимірювань (0,6; 1,0) і для звичайних вимірювань (1,5; 2,5; 4,0).

Клас точності 1,5 для манометра означає, що абсолютна похибка приладу не повинна перевищувати 1,5% від межі вимірюваного тиску. Якщо манометри, які мають інтервал вимірювальної шкали від 0 до 100 кПа по точності відносяться до класу точності 1,5, то максимальна абсолютна похибка цього манометру дорівнює ±1,5 кПа.

Відносна похибка вимірювань при показах приладу p визначається як:

. (2.8)

Вибір класу точності залежить від заданої точності вимірювання. Не слід вибирати прилад занадто, високої точності для тих вимірювань, де це не виправдано поставленими вимогами. Для більшості промислових вимірювань використовують прилади класів точності 1,5 і 2,5. Для наукових експериментів вибирають взірцеві манометри.

2.4Деякі правила вибору та використання пружинних манометрів, мановакуумметрів, вакуумметрів

2.4.1Не дозволяється використовувати манометри для виміру тиску, більшого за границю виміру.

2.4.2При замірі сталого або плавнозмінного тиску величина його повинна знаходитись в межах 0,3...0,7 шкали. Для пульсуючого тиску - в межах 0,3...0,5 шкали приладу.

2.4.3Вакуумметри не можна використовувати для вимірювання надлишкового тиску. При відсутності манометрів можна використовувати мановакуумметри.

2.4.4Не дозволяється нагрівання приладів понад +40°С або охолодження нижче 0°С. В таких випадках в покази приладів вноситься поправка величиною:

,

де t – температура середовища; t₀ - стандартна температура (+20°С).

2.4.5При вимірюванні тиску манометрами необхідно враховувати поправку на висоту розташування відносно точки їх приєднання.

2.5Практичне завдання

2.5.13 натури намалювати шкалу приладу для вимірювання тиску чи вакууму. Написати його назву, призначення, верхнє і нижнє значення шкали. Визначити ціну поділки, клас точності, абсолютну максимальну похибку, відносну похибку при показах приладу, які відповідають 30, 50, 70, і 100% шкали приладу.

2.5.2Підібрати діапазон шкали і клас точності серійного манометра для заміру заданого робочого тиску (пульсуючого чи плавнозмінного) з абсолютною похибкою, яка не буде перевищувати задану величину.

2.5.3Н амалювати схеми (Рисунок 2 .3) вимірювання тиску рідинними приладами: п’єзо­метром, U-подібним манометром, диференційним ртутним манометром, чашковим манометром і вакууму зворотнім п’єзометром. Написати залежності для знаходження тиску, вакууму чи різниці тисків на основі показів цих приладів і відповідних геометричних розмірів.

Рисунок 2.3 Схеми вимірювання тиску рідинними приладами

2.6К онтрольні питання

2.6.1Класифікація приладів для вимірювання тиску.

2.6.2Що являє собою п'єзометр ?

2.6.3Як виміряти тиск U-подібним манометром і вакуум­метром?

2.6.4Для яких потреб використовується диференціальний манометр і п'єзометр ?

Лабораторна робота № 3 Практичне використання основного рівняння гідростатики

3.1Мета роботи

Експериментальна перевірка основного рівняння гідростатики шляхом вимірювання густини рідини методом барботування повітря.

3.2Теоретичні положення

Розподіл тиску в рідині, яка знаходиться в стані абсолютного спокою, описується рівняння:

p = p₀ + gh, (3.9)

де p₀ – відомий тиск в деякій точці рідини, наприклад на вільній поверхні; – густина рідини; g = 9,81 м/с² – прискорення вільного падіння; h – глибина занурення точки з тиском p по відношенню до точки з тиском p₀.

Якщо на поверхні рідини p₀ = p_amм, то надлишковий тиск на глибині h буде рівний:

p = ρgh. (3.10)

Якщо на деякій заданій глибині тиск буде мінятися, то, оскільки прискорення вільного падіння для даної місцевості є величина постійна, це означатиме, що змінилася густина рідини. А значить, виміряний тиск може слугувати як міра густини рідини.

Прилад, який дозволяє заміряти тиск в рідині на заданій глибині і за результатами вимірювань визначити густину рідини називається п’єзометричний густиномір. В цьому приладі тиск стовпчика рідини вимірюється при продуванні через рідину повітря (цей процес називається барботування).