Зміст
Вступ ......................................................................................... |
4 |
Лабораторна робота №1 Дослідження фізичних властивостей рідин.................................................................................... |
6 |
Лабораторна робота №2 Основні прилади для вимірювання тиску та вакууму ................................................................ |
11 |
Лабораторна робота № 3 Практичне використання основного рівняння гідростатики..................................................... |
16 |
Лабораторна робота № 4 Дослідження режимів течії рідини................................................................................................ |
20 |
Лабораторна робота № 5 Визначення коефіцієнта гідравлічного опору при течії рідини в трубах................................ |
24 |
Лабораторна робота № 6 Визначення коефіцієнтів місцевих опорів.................................................................................. |
30 |
Лабораторна робота № 7 Дослідження процесу витікання рідини з посудин через отвори і насадки при постійному напорі…………………………………………………………. |
36 |
Лабораторна робота № 8 Газодинамічний аналіз екологічних проблем............................................................................... |
41 |
Лабораторна робота № 9 Дослідження двофазних потоків |
47 |
Лабораторна робота № 10 Дослідження фільтрації рідин та газів............................................................................................ |
55 |
Лабораторна робота № 11 Дослідження факторів, які впливають на технічний ризик................................................ |
60 |
Лабораторна робота № 12 Прогнозування екологічного ризику при експлуатації трубопроводів................................. |
69 |
Перелік рекомендованих джерел.......................... |
78 |
ВСТУП
Лабораторний практикум складено на основі програми дисциплін „ Аеро- та гідродинаміка полютантів” та „Гідрогазодинаміка”, які читаються для бакалаврів напрямку підготовки „Екологія, охорона навколишнього середовища та збалансоване природокористування”, „Автоматизація та комп’ютерно-інтегровані технології” стаціонарної та заочної форм навчання.
При цьому охоплені такі теми: фізичні властивості рідин, гідростатичний тиск та його властивості, дослідження режимів течії, визначення коефіцієнта гідравлічного тертя та місцевого опору, дослідження процесу витікання рідин із отворів та насадок, закони руху газів, особливості двофазної течії, фільтрація рідин та газів, прогнозування ризиків небезпеки під час експлуатації нафтогазопроводів.
Перелік лабораторних робіт для бакалаврів напрямку підготовки „Екологія, охорона навколишнього середовища та збалансоване природокористування” та „Автоматизація та комп’ютерно-інтегровані технології” наведений в таблиці 1.
В методичних вказівках для виконання лабораторних робіт охоплені розділи гідростатики, гідродинаміки, аеродинаміки, фільтрації рідин і газів, прогнозування ризиків небезпеки під час експлуатації трубопроводів.
Наведені лабораторні роботи сприяють глибшому засвоєнню законів та основних рівнянь гідрогазодинаміки та їх застосуванню на практиці.
У лабораторному практикумі особлива увага приділяється елементам статистичної обробки результатів експериментів, а саме: метод раціонального планування, який базується на побудові комбінаційного квадрата. При статистичній обробці результатів експериментів використовується кореляційний та регресійний аналізи.
При виконанні лабораторних робіт
використовуються такі комп’ютерні
програми: „Fluid Mechanics”,
„Vytik”
.
Таблиця 1- Перелік лабораторних робіт
Теми лабораторних робіт |
Кількість годин, які відводяться на виконання лабораторних робіт |
Перелік рекомендованих джерел |
|
Аеро- та гідродина- міка полютантів |
Гідрогазодинаміка |
||
Дослідження фізичних властивостей рідин |
4 |
|
1,3 |
Основні прилади для вимірювання тиску та вакууму |
2 |
2 |
1,3,5 |
Практичне використання основного рівняння гідростатики |
4 |
2 |
1,3 |
Дослідження режимів течії рідини |
4 |
2 |
1,3,4,5 |
Визначення коефіцієнта гідравлічного опору при русі рідини в трубах. |
6 |
4 |
1,3,4,5 |
Визначення коефіцієнтів місцевих опорів |
4 |
2 |
1,3,4,5 |
Дослідження процесу витікання рідин через отвори і насадки
|
4 |
2 |
1,3,4,5 |
Газодинамічний аналіз екологічних проблем. |
4 |
3 |
1 |
Дослідження двофазних потоків. |
4 |
|
3 |
Дослідження фільтрації рідин та газів. |
4 |
|
3 |
Дослідження факторів які впливають на технічний ризик |
8 |
|
2 |
Прогнозування екологічного ризику при експлуатації нафтопроводів |
6 |
|
2 |
Разом |
54 |
17 |
|
Лабораторна робота № 1 Дослідження фізичних властивостей рідин
1.1 Мета роботи
Визначення густини рідини та в'язкості за залежностями, наведеними в роботі, та побудова графіків залежності густини та в’язкості рідини від температури.
1 .2 Теоретичні положення
Для однорідного середовища густина є масою одиниці об’єму
(1.1)
де
;
–
маса, кг;
V – об’єм, м3.
Густину рідини можна визначити наступними методами:
за допомогою ареометра;
гідростатичною вагою Вестфаля;
за допомогою пікнометра.
Густина нафтопродукту за температури t визначається за формулою Менделєєва
,
(1.2)
де
– густина нафтопродукту за температури
20
оС;
-
коефіцієнт температурного розширення,
для нафтопродуктів
=0,0007
1/оС;
– зміна
температури,
.
Густина води в проміжках 0 ≤ t ≤ 100 оС
.
(1.3)
Густину будь-якої рідини можна визначити за такою залежністю
,
(1.4)
де
і
- коефіцієнти (див. таблицю 1.1);
t - температура рідини, оС.
В’язкість – властивість рідини чинити опір зміщенню її шарів.
Цю властивість часто характеризують терміном "внутрішнє тертя". Як випливає із самого визначення, поняття "в’язкість" протилежне поняттю "текучість" і є також основною особливістю рідин і газів.
Внутрішні сили що виникають в рідині при деформації зсуву – це сили тертя, а не пружності, як у твердому тілі, при- чому ці сили залежать від градієнта швидкостей, тоді як ефект тертя твердих тіл є функцією тиску.
Сила тертя
,
(1.5)
де
– динамічний коефіцієнт в’язкості,
кг/м∙с;
– площа
контакту шарів рідини, м2;
– градієнт
швидкості, 1/с.
Для характеристики в’язкості рідин застосовують не динамічний, а кінематичний коефіцієнт в’язкості, куди не входять динамічні величини.
Кінематичний коефіцієнт в’язкості визначається за такою залежністю
(1.6)
де
-
кінематичний коефіцієнт в'язкості,
;
– густина
рідини, кг/м3.
Кінематична в’язкість рідини визначається за допомогою капілярних віскозиметрів, в яких рідина, яка досліджується, перетікає через капіляр певного діаметра.
В’язкість рідин і газів практично не залежить від тиску, але дуже залежить від температури.
Для визначення в’язкості нафтопродукту найбільш широко використовується формула Філонова
,
(1.7)
де
– відома в’язкість за температури
;
u- коефіцієнт крутизни віскограми,
,
де
– відомі коефіцієнти кінематичної
в’язкості за температур
і
.
В’язкість води можна визначати за формулою Пуазейля
,
(1.8)
де t - температура води, оС.
За формулою Філонова можна знайти в’язкість за двома відомими значенням в’язкості за двох температур.
В’язкісно-температурна залежність, за якою можна визначити в’язкість рідини, знаючи значення в’язкості лише за температури 20 оС, наведена нижче
,
(1.9)
де
– динамічний коефіцієнт в’язкості за
температури 20іоС;
С – параметр в’язкості (наведений в таблиці 1.1);
Т – температура, К.
Динамічний коефіцієнт в’язкості води визначається за такою залежністю
,
(1.10)
де
=1,788Е-3
кг/(м
с);
,
Т – температура, К.
1.3 Порядок виконання роботи
1.3.1 Переписати з таблиці 1.1 властивості рідини (рідина та температура, за якої потрібно визначити густину та в’язкість, задається викладачем).
1.3.2 Визначити густину рідини за запропонованими залежностями (1.2, 1.4), а густину води за залежністю (1.3).
1.3.3 Порівняти значення густини рідини, отримані за залежностями (1.2, 1.4), визначивши абсолютну та відносну похибки.
Таблиця 1.1 – Властивості рідин
Рідина |
|
С |
|
|
Вода |
0,00179 |
- |
1000 |
0,0178 |
Амоній |
0,00022 |
1,05 |
635 |
1,35 |
Бензин |
0,00065 |
4,34 |
903 |
1.08 |
Етанол |
0,0012 |
5,72 |
806 |
0,85 |
Гліцерин |
1,49 |
28,0 |
1270 |
0,60 |
Ртуть |
0,00156 |
1,07 |
13600 |
2,42 |
Олива SAE 10 |
0,104 |
15,7 |
881 |
0,56 |
Олива SAE 30 |
0,290 |
18,3 |
902 |
0,57 |
Олива SAE 50 |
0,860 |
20,2 |
914 |
0,59 |
Інші рідини |
0,1 |
1,00 |
1000 |
1,00 |
1.3.4
Побудувати графік залежності
,
визначивши густину за температур 10-80оС
за залежностями (1.3 та 1.4), використавши
програмне забезпечення (Fluid Mechanics).
1.3.5 Визначити в'язкість рідини за залежностями (1.7, 1.9), а в'язкість води – за (1.8, 1.10).
1.3.6 Порівняти значення в’язкості рідини, отримані за залежностями (1.7, 1.9), визначивши абсолютну та відносну похибки.
1.3.7
Побудувати графік залежності
і
,
визначивши в’язкість рідини за температур
10-80оС
за залежностями (1.9 і 1.10), використавши
програмне забезпечення (Fluid Mechanics).
1.4 Контрольні запитання
1.4.1 За допомогою яких приладів можна визначити густину рідини?
1.4.2 За допомогою яких приладів можна визначити в’язкість рідини?
1.4.3 Яка залежність між динамічним та кінематичним коефіцієнтом в’язкості ?
1.4.4 Чи залежить в’язкість рідини від температури та тиску?
ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 2 Основні прилади для вимірювання тиску та вакууму
2.1 Мета роботи
Ознайомитися з призначенням, принципом роботи та використанням приладів для вимірювання тиску та вакууму в рідинах і газах.
1.1Класифікація манометрів
Всі прилади для вимірювання тиску та вакууму можна поділити на ряд груп за такими ознаками:
2.2.1 За 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.
2.2.2 За 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. Зрівноважуюча 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).
2.2.3 За 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.
2.2.4 За способом відліку:
- показуючі;
- реєструючі;
- показуючі з дистанційною електричною або пневматичною передачею інформації.
2.2.5 За 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).
2.3 Клас точності приладів
Клас точності – це допустима похибка, виражена у відсотках від діапазону шкали приладу
, (2.1)
де Dpmax
– максимально допустима абсолютна
похибка при –ладу,
pв
і pн
– 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 за точностю відносяться до класу точності 1,5, то максимальна абсолютна похибка цього манометру дорівнює ±1,5 кПа.
Відносна допустима похибка вимірювань при показах приладу p визначається як
, (2.2)
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. Для наукових експериментів вибирають взірцеві манометри.
2.4 Деякі правила вибору та використання пружинних манометрів, мановакуумметрів, вакуумметрів
2.4.1 1Не дозволяється використовувати манометри для вимірювання тиску, більшого за границю виміру.
2.4.2 При вимірюванні 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.
2.4.3 Вакуумметри не можна використовувати для вимірювання надлишкового тиску. При відсутності манометрів можна використовувати мановакуумметри.
2.4.4 Не дозволяється нагрівання приладів понад плюс 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).
2.4.5 При вимірюванні тиску в рідинах манометрами необхідно враховувати поправку на висоту розташування відносно точки їх приєднання.
2.5 Практичне завдання
2.5.1 З 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,
100 % шкали приладу.
2.5.2 Підібрати діапазон шкали і клас точності серійного
манометра для заміру заданого робочого тиску (пульсуючого чи плавнозмінного) з абсолютною похибкою, яка не буде перевищувати задану величину.
2.5.3 Намалювати схеми (рисунок 2.1) 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 2.1 ‑ Схеми вимірювання тиску рідинними приладами
2.6 Контрольні запитання
2.6.1 Класифікація приладів для вимірювання тиску.
2.6.2 Що являє собою п'єзометр ?
2.6.3 Як виміряти тиск U-подібним манометром і вакуумметром?
2.6.4 Для яких потреб використовується диференціальний манометр і п'єзометр ?
2.6.5 Який тиск визначається за допомогою п’єзометра?
2.6.6 Підберіть прилад для вимірювання надлишкового тиску, який відповідає 450 м.вод.ст.
2.6.7 Чим врівноважується надлишковий тиск або вакуум в рідинних манометрах?
2.6.8 Чи можна виміряти п’єзометром надлишковий тиск 300 кгс/м2?