Работа 4. Исследование сопротивления по длине трубопровода

[1, ч. 2; 2; 3]

При движении потока реальной жидкости в трубе в результате взаимодействия между струйками потока, а также взаимодействия потока со стенками трубы затрачивается удельная энергия потока (потеря напора).

Потери напора характеризуются гидравлическими сопротивлениями, которые можно подразделить на сопротивления трения по длине и местные сопротивления, связанные с резким изменением формы (деформации) потока.

Потери напора по длине определяются по формуле Дарси:

(4.1)

где - средняя скорость движения жидкости; - коэффициент гидравлического трения по длине трубы; - длина трубы; - внутренний диаметр трубы.

При постоянном сечении трубопровода для каждого установившегося режима движения потока в трубе отношение постоянно и называется гидравлическим уклоном . Таким образом,

(4.2)

В формуле (4.2) для разных режимов движения потока жидкости коэффициент различен и зависит от критерия Рейнольдса и шероховатости внутренней поверхности трубопровода:

(4.3)

Для ламинарного режима:

(4.4)

Для гидравлически гладких труб, когда число Рейнольдса находится в пределах ( - эквивалентная шероховатость стенок трубы, мм):

(4.5)

Для переходной области, когда число Рейнольдса находится в пределах :

(4.6)

При развитом турбулентном режиме (гидравлически шероховатые трубы), когда , коэффициент трения не зависит от числа Рейнольдса и потери напора пропорциональны квадрату средней скорости потока (автомодельный режим):

(4.7)

Цель работы: количественно оценить потери напора при равномерном движении потока вдоль прямой трубы, определить величину коэффициента трения и сопоставить опытное его значение с рассчитанным по формулам (4.4) - (4.7), найдя соответствующее число Рейнольдса, вычисленное по формуле (4.3).

Описание установки

Работа производится на прямолинейных участках опытного трубопровода (см. рис.3.3), на которых приварены штуцеры I – II и III - IV, расположенные друг от друга на расстоянии 6 м и 4 м соответственно. Штуцеры с помощью резиновых трубок соединены с соответствующими пьезометрами, расположенными на пьезометрическом щите 2. Для определения расхода используется мерная диафрагма с пьезометрами V и VI.

Величину расхода находят по разности показаний пьезометров V - VI, и по формуле .

Для определения потерь напора по длине на трение испытывается участок трубопровода между пьезометрами I - II и III - IV. Показания пьезометров I, II, III и IV (определяются на миллиметровой шкале по нижним точкам менисков с точностью до 1 мм) показывают величину статических напоров потока в этих сечениях . Так как кинематические составляющие напоров в сечениях одинаковы, то разность показаний пьезометров I - II и III - IV равна разности полных напоров потока в сечениях I, II и III, IV и представляет собой потерю полного напора по длине на участке трубы между этими сечениями.

В том, что потери напора по длине при малых значениях числа Re (Re  2320) изменяются по линейному закону, можно убедиться по показаниям пьезометров I, II, III и IV.

Гидравлические уклоны вычисляют в данном случае по разностям показаний пьезометров I - II и III - IV как пьезометрические уклоны:

(4.8)

(4.9)

где м; м.

Порядок выполнения работы

Для определения потерь напора по длине трубопровода (см. рис. 3.3) для четырех режимов движения потока, устанавливаемых руководителем лабораторной работой, снимаются показания пьезометров I, II, III, IV, V и VI в метрах с точностью до 1 см по нижним точкам менисков.

Формулы и данные для вычислений

Разности показаний пьезометров расходомера:

.

Расходы определяют по разности показаний пьезометров V и VI и по формуле:

.

Значение задает преподаватель или его принимают равным полученному в работе № 3.

Гидравлические уклоны по показаниям пьезометров I - II, III - IV вычисляют соответственно по формулам (4.8) и (4.9).

Опытное значение коэффициента гидравлического трения:

.

Расход должен быть измерен в м³/с; диаметр трубопровода на участке I - II равен 0,084 м, на участке III - IV равен 0,054 м.

Критерий Рейнольдса для каждого опыта:

причем значение определяется (см. работу 2) в предположении, что температура воды равна комнатной температуре, измеряемой термометром.

Зная величину шероховатости для лабораторного трубопровода мм), по формулам (4.4) - (4.7) вычисляем значение и определяем область режима движения потока.

Опытные и расчетные данные

Номер опыта	м	м	м	м3/с	м	м	м	м
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11

				по формулам				по формулам
				(4.4)	(4.5)	(4.6)	(4.7)	(4.4)	(4.5)	(4.6)	(4.7)
12	13	14	15	16	17	18	19	16	17	18	19

Указания к самостоятельной работе

1. Построить зависимости по формулам (4.5), (4.6), (4.7) при мм.

2. Проанализировать границы перехода трех областей турбулентного режима на примере опытного трубопровода.