4.3 Опис установки

Рисунок 4.3 – Схема установки

Установка для візуального спостереження режиму течії світлих рідин (Рисунок 4.3) складається із прямокутного відкритого резервуара 1, підвідного трубопроводу 2, зливного трубопроводу, який забезпечує сталий рівень рідини в напірному резервуарі. З напірного резервуара рідина поступає в скляну трубку 4, а при відкритті вентиля 3 ‑ мензурку 5 і зливну лінію. Витрата рідини регулюється вентилем 3. Над напірним резервуаром закріплена посудина 6 з тонкою скляною трубочкою 8, відкритий кінець якої загнутий під кутом 90° і встановлений по осі трубки 4. В посудину наливається розчин анілінової фарби або чорнила. Кран 7 служить для регулювання подачі фарби.

4.4 Хід виконання досліду

4.4.1 Заповнити резервуар 1 водою і встановити сталий рівень.

4.4.2 Плавним відкриттям вентиля 3 встановити мінімально можливий режим течії рідини в скляній трубці.

4.4.3 Повільним відкриттям вентиля 7 відрегулювати доступ фарби в потік води.

4.4.4 Коли струминку фарби буде виразно видно в потоці (ламінарний режим), секундоміром вимірюють час заповнення певної кількості рідини в мензурці 5.

4.4.5 Термометром вимірюється температура води в напірному резервуарі.

4.4.6 Регулюючи швидкість витікання води вентилем 3, аналогічні вимірювання проводяться для 5-7 режимів. Результати вимірів заносять в журнал роботи (таблиця 4.2), де фіксують також характер зафарбованої струминки (лінійна, хвилеподібна, розрив хвилі, хаотичний рух частин ).

Таблиця 4.3 – Результати вимірювань і обчислень

№	Об’єм рідини V, см3	Час витікання t, с	Витрата рідини Q, см3/с	Температура води t, °C	Кінематична в’язкість v, см2/с	Швидкість витікання , см/с	Число Рейнольдса Re	Характер течії	Режим руху

4.5 Обробка результатів вимірювань

4.5.1 Визначаємо витрату рідини

, (4.13)

де V – об'єм рідини в мензурці; t – час заповнення даного об'єму.

4.5.2 Користуючись формулою витрати

, (4.3)

вичислимо середню швидкість руху рідини

. (4.4)

Тут d – внутрішній діаметр скляної труби ( 36 мм).

4.5.3 За виміряною температурою води визначається кінематичний коефіцієнт в'язкості за формулою Пуазейля

. (4.5)

Тут - кінематичний коефіцієнт в’язкості, cм²/с;

t- температура води,

Шляхом порівняння даних візуального спостереження (якісної характеристики потоку в трубці) і значень числа Рейнольдса робляться відповідні висновки про режими течії рідини.

4.6 Контрольні запитання

4.6.1Які параметри потоку рідини впливають на режим її течії?

4.6.2 В яких випадках спостерігається ламінарна течія рідини?

4.6.3 Як визначається режим руху рідини в трубах з незаповненим перерізом?

4.6.4 Яка швидкість називається критичною?

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 5 Визначення коефіцієнта гідравлічного опору при течії рідини в трубах

5.1 Мета роботи

Визначення дослідним шляхом коефіцієнтів гідравлічного опору в трубопроводі при різних режимах течії рідини, їх порівняння з теоретичними величинами.

5.2 Основні теоретичні положення

При гідравлічному розрахунку нафто-, газо- і водопроводів, теплообмінників, систем збору, підготовки і транспортування нафти і нафтопродуктів необхідно визначити втрати питомої енергії. Втрати питомої енергії (втрати напору) зумовлені тертям рідини об стінки трубопроводу, тертям, яке виникає між шарами рухомої рідини, а також її перемішуванням.

Як показують дослідження, втрати напору при русі рідини по трубопроводу (втрати по довжині) залежать від режиму течії рідини (числа Рейнольдса Re), діаметра d , довжини трубопроводу l і швидкості руху рідини u і визначаються за формулою Дарсі

. (5.14)

Для визначення втрат напору по довжині необхідно знати величину коефіцієнта гідравлічного опору (тертя) l .За фізичним змістом l показує, яку частину від швидкісного напору (u²/2) складають втрати на одиницю відносної довжини труби (L/d).

При усталеній ізотермічній ламінарній течії рідини в трубі круглого перерізу (Re<Re_кр) коефіцієнт гідравлічного опору (тертя) визначається за формулою Стокса

, (5.15)

де ; n – кінематичний коефіцієнт в'язкості рідини.

При турбулентному режимі руху рідини відрізняють три зони тертя: гладкостінного, змішаного і шорсткого (квадратичного опору). Перша зона (гладкостінного тертя) має місце при

де D_e – абсолютна (еквівалентна) шорсткість поверхні труб.

Тут l визначається за формулою Блазіуса:

. (5.16)

При Re коефіцієнт гідравлічного опору визначається за формулою Конакова

. (5.4)

В другій зоні ‑ зоні змішаного тертя (10d/D_e < Re < 500d/D_e) на величину коефіцієнта гідравлічного опору впливає не лише число Рейнольдса, але і шорсткість. Для визначення коефіцієнта гідравлічного опору l в цій зоні може бути рекомендована формула Альтшуля

. (5.5)

Третя зона – зона квадратичного опору (Re > 500d/D_e) відповідає турбулентному режиму течії в шорстких трубах, коли коефіцієнт l залежить лише від шорсткості. В цій зоні використовується формула Шифрінсона

. (5.6)

Із рівняння Бернуллі для горизонтальної прямолінійної дільниці трубопроводу сталого перерізу маємо

. (5.7)

Отже, втрати напору на тертя дорівнюють різниці п'єзометричних напорів в початковому і кінцевому перерізах досліджуваної дільниці.

5.3 Опис установки

Рисунок 5.4 – Схема установки

Напірний бак 1 (Рисунок 5.4) служить для створення напору в початковому перерізі трубопроводу. Після відкриття вентиля 2, а потім 3 і 4 вода може подаватися відповідно в трубопроводи 5 або 6. Швидкість течії води в трубопроводах регулюється вентилем 7. Вимірювання витрати проводиться об'ємним способом за допомогою мензурки 8.

1.2Хід виконання досліду

5.4.1 Напірний бак заповнюється водою. Контроль заповнення ведеться за допомогою рівнеміра.

5.4.2 Відкривши вентилі 2, 3, 4, 7, пропускають по трубопроводах воду до тих пір, поки трубопровід і всі п'єзометричні трубки не звільняться від повітря.

5.4.3 При закритому регулюючому вентилі 7 перевіряється "нульове" положення рівнів п'єзометрів, відсутність повітря в п'єзометричних трубках характеризується положенням рівнів в них на одній висоті.

5.4.4 Спочатку в трубопроводі 5, а потім в трубопроводі 6 по черзі встановлюються різні режими течії води шляхом різного ступеня відкриття регулюючого вентиля 7.

5.4.5 Рівень води в баку 1 підтримується сталим.

5.4.6 При різних швидкостях течії вимірюється витрата води і покази п'єзометрів 9.

5.4.7 Вимірюється температура води.

Результати вимірювань заносяться у таблицю 5.1.

Таблиця 5.4 – Результати вимірювань та обчислень

Номер експерименту

Об’єм рідини в мензурці V, cм3

Час заповнення мензурки t, c

Об’ємна витрата Q, см3/с

Середня швидкість u, см/с

Різниця показів п’єзометрів h, см

Температура, С°

Кінематична в’язкість n, см2/с

Число Рейнольса Re

Коефіцієнт гідравлічного опору вирахуваний за формулою

Процент відхилення

дослідний

теоретичний

Стокса

Блазіуса

Альтшуля

5.5 Обробка експериментальних даних

5.5.1 Витрата визначається об'ємним способом

, (5.8)

де V – об'єм рідини в мензурці;  ‑ час заповнення даного об'єму.

5.5.2 Середня швидкість визначається із рівняння

, (59)

де Q – об'ємна витрата, S – площа поперечного перерізу трубопроводу.

5.5.3 Дослідний коефіцієнт гідравлічного опору визначається із формули

. (5.10)

Внутрішній діаметр труби d₁ = 13,0 мм, d₂ = 16,0 мм, довжина експериментальної дільниці дорівнює 500 см. Втрати напору на тертя дорівнюють різниці рівнів рідини в п'єзометричних трубках, встановлених в початковому і кінцевому перерізах дільниці.

5.5.4 Теоретичне значення коефіцієнта гідравлічного опору визначають за формулами (5.2-5.6) в залежності від режиму течії і зони опору.

5.5.5 Кінематичний коефіцієнт в'язкості води визначається за такою формулою

, (5.11)

де t – температура рідини, °С.

5.5.6 Коефіцієнт абсолютної шорсткості D вибирається в залежності від матеріалу труби і стану її внутрішньої поверхні. Для мідних труб D = 0,001 мм.

5.5.7 Одержані результати порівнюються між собою і заносяться в протокол.

5.5.8 Визначається шорсткість труби, приймаючи, що при повністю відкритому вентилі 7 режим руху турбулентний в зоні змішаного закону тертя. При відомому значенні коефіцієнта гідравлічного опору, визначеному експериментально (при максимальній витраті), визначається абсолютна шорсткість за допомогою формули Альтшуля і порівнюються зони турбулентного режиму, для визначення яких використовувалася шорсткість, задана в роботі для даного матеріалу труб, і шорсткість, визначена експериментально.

5.5.9 Будуються криві зміни досліджень коефіцієнта від числа Рейнольдса, дається оцінка впливу числа Рейнольдса на коефіцієнт гідравлічного опору.

5.5 Контрольні запитання

5.5.1 Від чого залежать втрати напору на тертя при течії рідини?

5.5.2 Чому коефіцієнт l при ламінарному режимі і в зоні гладкостінного тертя не залежить від шорсткості поверхні стінки D_е?

5.5.3 В чому суть різної функціональної залежності втрат напору від швидкості при ламінарному чи турбулентному режимах течії рідини ?

5.5.4 Чому третя зона опору при турбулентному режимі називається зоною квадратичного опору ? Чи впливає в'язкість рідини на величину втрат напору в цій зоні ?

5.5.5 Як можна спростити рівняння Бернуллі для рівномірної течії рідини в горизонтальних трубах без місцевих опорів ?

5.5.6 Як зміниться коефіцієнт гідравлічного тертя в напірній трубі сталого діаметра із збільшенням температури, якщо зберігається ламінарний режим і швидкість потоку в трубі залишається постійною?

5.5.7 Які величини необхідно знати для визначення перехідних чисел Рейнольдса?

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 6 Визначення коефіцієнтів місцевих опорів

6.1 Мета роботи

Визначення дослідним шляхом значення коефіцієнтів місцевих опорів в напірному трубопроводі, порівняння одержаних значень з даними, які рекомендуються в довідниках для квадратичної зони опору. Оцінка впливу числа Рейнольдса на величину коефіцієнтів місцевих опорів при ламінарному режимі течії рідини.

6.2 Основні положення

Вузли трубопровідних систем, які викликають зміну форми, розмірів і напрямку потоку, називаються місцевими опорами, а втрати енергії на них ‑ місцевими втратами.

Місцеві опори поділяються на прості і складні. До простих відносяться: раптові і плавні (дифузори) розширення, раптові і плавні (конфузори) звуження, плавні (відводи) і різкі (коліна) повороти трубопроводів. Складні опори – це комбінація простих. При русі в'язкої рідини через місцеві опори змінюється поле швидкостей потоку, спостерігається звуження і відрив потоку від стінок каналу, утворюються зони, заповнені великими і дрібними вихрами.

Вихровий рух посилює процес дисипації енергії, завдяки чому втрати в місцевих опорах можуть набагато переважати втрати по довжині на дільниці такої довжини, що і місцевий опір. Степінь деформації потоку, величина і інтенсивність вихорів істотно залежать від режиму руху рідини, тобто від числа Рейнольдса.

Втрати енергії, які віднесені до одиниці ваги рідини, обраховують за формулою Вейсбаха

, (6.17)

де ‑ коефіцієнт втрат на місцевому опорі, який вказує, яка частина швидкісного напору губиться на місцевому опорі; u ‑ середня швидкість рідини в перерізі трубопроводу за місцевим опором.

Коефіцієнт місцевих втрат при турбулентному режимі в зоні квадратичного опору залежить від конструктивних особливостей місцевого опору і в більшості випадків визначається експериментально.

Для випадку раптового розширення формула втрат напору, одержана теоретично з деякими допущеннями, має вигляд

, (6.18)

де u₁ ‑ швидкість в потоці на дільниці до розширення; u₂ – те ж після розширення.

На основі формули (11.2) може бути одержаний вираз для визначення коефіцієнта раптового розширення

, (6.19)

де , ‑ діаметр труб до і після розширення.

При ламінарному режимі коефіцієнти опорів залежать не лише від геометричної форми вузла, а й від числа Рейнольдса. Ця залежність представлена в виді

, (6.20)

де А, В ‑ сталі для даного місцевого опору.

Втрати напору в місцевому опорі, який розміщений на горизонтальній дільниці трубопроводу сталого перерізу, визначаються різницею п'єзометричних напорів в перерізах до і після опору

, (6.21)

оскільки при цьому швидкісні і геометричні напори у вказаних перерізах однакові.

Якщо діаметри труби перед і за місцевими опорами різні (наприклад, у випадку розширення і звуження потоку), то повинні враховуватися і швидкісні напори і ,

, (6.22)

де ‑ коефіцієнт нерівномірності в перерізі потоку місцевих швидкостей.