Контрольні запитання і завдання.

1. Назвіть, який закон гідродинаміки лежить в основі принципу дії водоміра Вентурі.

2. Що називають сталою водоміра Вентурі? Як її визначають?

3. Чим викликане застосування нормального сопла як витрато­міра?

4. У чому полягає градуювання витратомірних приладів?

5. Чому крива залежності між Q і h має параболічну форму?

Лабораторна робота №7. «Витікання рідини з малого отвору та через насадки»

Мета роботи: Ознайомлення з особливостями витікання рідини з отворів та через насадки в стінках резервуарів при сталому напорі.

Теоретичні відомості.

Коефіцієнтом швидкості φ називається відношення швидкості υ_е витікання через отвір (насадок) реальної рідини до швидкості υ_і витікання ідеальної рідини

, (1)

де ζ – коефіцієнт місцевого опору отвору (насадка).

Коефіцієнтом стиснення струменя ε називається відношення найменшого живого перерізу ω_с струменя до живого перерізу отвору ω_о

. (2)

Коефіцієнтом витрати μ називається відношення витрати Q_e реальної рідини через отвір (насадок) до витрати Q_i ідеальної рідини

(3)

Потрібне обладнання.

В фронтальній стінці S лабораторного стенду (див. рис. 1 схема а) виконані: малий отвір – 1; збіжний конічний насадок – 2; зовнішній циліндричний насадок – 3; внутрішній циліндричний насадок (насадок Борда) – 4; розбіжний конічний насадок – 5. Всі насадки та отвір закриті корками, які перешкоджають витіканню води в статичному положенні стенду. В кришці 6 виконаний отвір 7, в якому розташовується перекинута горловиною донизу пляшка 8. При витіканні води з пляшки підтримується сталий напір Н. Для збору води, що витікає з отвору або насадків, передбачено піддон 9 з мірною посудиною 10 (див. рис. 1 схема б).

Для визначення вертикального напряму руху струменя використовується ватерпас, а для вимірів розмірів струменя – лінійка.

Хід виконання роботи.

Після ознайомлення з методичними вказівками даної роботи і занесення основних положень до зошита з лабораторних робіт дотримуватись наступного порядку виконання роботи.

1. Перевірити стан стенду, при якому отвір та насадки закриті корками.

2. Через кришку 6 заповнити резервуар водою до рівня, що співпадає з верхнею лінією на стінці А.

3. Заповнену водою пляшку 8 горловиною донизу розмістити в отворі 7.

4. На місці можливого падіння струменя води розмістити піддон 9.

5. Від зовнішнього отвору 1 (точка А схеми б), або від закінчення насадку (по мірі виконання роботи) за допомогою ватерпаса вертикальний напрям (вісь аплікат) розмістити в точці В на піддоні 9.

6. Відкрити отвір або насадок, дочекатись поки в резервуарі буде підтримуватись сталий рівень (з пляшки 8 буде витікати вода, що буде супроводжуватись бульканням в ній повітря). Виміряти напір Н=ОО₁ і його значення (в см) занести в табл. 1.

7. Відмітити точку С, куди потрапляє струмінь на піддоні 9. Закрити отвір (насадок).

8. Відміряти за допомогою лінійки (рулетки) аплікату АВ=z (висоту падіння струменя на піддон до точки В). виміряти горизонтальну відстань х=ВС. Отримані дані в системі СГС (сантиметр, грам, секунда) занести в відповідну графу табл. 1 для отвору, чи насадка, що досліджується.

9. В точку С помістити мірну посудину 10. Відкрити отвір чи насадок з одночасним включенням секундоміра.

10. Після заповнення мірної посудини об’ємом близько 1л (1000см³) закрити отвір чи насадок і виключити секундомір.

11. За допомогою мірної посудини 10 визначити більш точне значення об’єму W_e (в см³) води, що заповнила посудину за час t (в секундах за секундоміром). Значення W_e та t записати в відповідні графи в табл. 1.

12. При дослідженні витікання води через кожний з насадків, повторити хід роботи за п. 3-11.

13. Після отримання необхідних експериментальних даних: z, x, t, W_e за допомогою розрахункових залежностей (4)-(9) обчислити гідродинамічні характеристики малого отвору та насадків.

14. Кінцеві розрахунки занести в табл. 2. Порівняти їх значення з довідниковими даними. Пояснити їх розбіжність.

15. Проаналізувати характер витікання рідини через різні насадки. Вказати, де застосовується кожний тип насадка і оформити це як висновки.

Розрахункові формули.

Швидкість струменя, що витікає з отвору чи насадка, розраховується на основі залежності (см/с)

. (4)

Швидкість струменя υ_і ідеальної рідини розраховується за формулою Торічеллі

. (5)

Коефіцієнт швидкості φ розраховується на основі залежності

. (6)

Коефіцієнт витрати розраховується за формулою

. (7)

Коефіцієнт струменя ε розраховується за формулою

. (8)

Коефіцієнт місцевого опору ζ розраховується на основі залежності

. (9)

Таблиця 1.

Експериментальні дані досліджень витікання струменів через отвір та насадки

Отвір чи насадок	d (см)	Н (см)	z (см)	х (см)	υe (см/с)	υі (см/с)	We (см3)	t (с)
Малий отвір (1)
Конічний (2)
Зовнішній циліндричний (3)
Внутрішній циліндричний (4)
Конічний (5)

Таблиця 2.

Порівняння довідникових та експериментальних даних параметрів отвору та насадків

Отвір чи насадок	Коефіцієнт
	Швидкості φ		Витрати μ		Стиснення ε		Опору ζ
	Довід.	Експ.	Довід.	Експ.	Довід.	Експ.	Довід.	Експ.
1
2
3
4
5

Порядок оформлення роботи.

1. Назва лабораторної роботи.

2. Мета лабораторної роботи.

3. Схема лабораторного стенду (рис.1)

4. Розділ розрахункові формули.

5. Таблиці 1, 2.

6. Висновки (характер збіжності чи розбіжності експериментальних даних з довідниковими).

Контрольні запитання.

1. Дати визначення коефіцієнтів φ, μ, ε.

2. Чим викликаний коефіцієнт стиснення струменя ε в малому отворі?

3. Яка природа виникнення місцевого опору ζ?

4. Пояснити, як змінюють певні типи насадків характер витікання струменя по відношенню до витікання його з малого отвору.

Лабораторна робота № 8. Дослідження локальних швидкостей та витрати рідини в відкритому руслі

Мета роботи: Ознайомитись з гідродинамічним стендом моделювання відкритих русел і вивчити вертикальний профіль локальних швидкостей та витрату води вільної течії.

Необхідне обладнання: Секундомір, гідродинамічний стенд (див. схему на рис. 8.1)

Р ис.8.1. Схема гідравлічного стенда безнапірного руху рідини (води):

1 - напірний бак; 2 - жолоб прямокутної форми перерізу; 3 - підйомний механізм днища жолоба; 4 - мірна лінійка опускання днища жолоба від горизонталі; 5 - зливний бак;

6 - засувка регулювання рівня води в жолобі; 7 - трубопровід;

8 - водомір (лічильник об'ємної витрати води); 9 - насос; 10 - електродвигун;

11,12,13 - мітки на початку, в середині та в кінцевій частині жолоба

Гідродинамічний стенд працює наступним чином. Вода з напірного баку 1 потрапляє в відкритий жолоб 2 прямокутного перерізу. З жолоба 2 вода зливається в бак 5. За допомогою засувки 6 встановлюється рівень води в жолобі 2, а обертанням регулюючого гвинта 3 змінюють похил дна жолоба 2, що викликає зміну швидкості руху води по жолобі. На основі показів лінійки 4 обчислюють величину похилу

і=1,93*10^-4k , (1)

де: k – покази за шкалою лінійки 4 в мм.

Трубопроводом 7 за допомогою насоса 9 і електродвигуна 10 вода зі зливного баку перекачується в напірний бак 1. Водомір 8 призначений для визначення об`ємної витрати води при усталеному (незмінному) русі води в жолобі.

Теоретичні відомості: Відкриті русла довільної форми «живого перерізу» потоку характеризуються гідравлічним радіусом R

R=4аН/(а+2Н) , (2)

де: а – ширина дна жолоба, м; Н – висота рівня води над дном жолоба, м.

Швидкісний співмножник С (коефіцієнт Шезі), що враховує втрату енергії на тертя, розраховується за формулою Павловського

, для R≤1 (3)

де: n – коефіцієнт шорсткості стінок жолоба (для даного гідродинамічного стенда n=0,0985), а тому

С=101,52R^0,149 , (4)

Середня швидкість υ в відкритому жолобі розраховується за формулою Шезі

, (5)

Максимальна швидкість U_n течії спостерігається на поверхні потоку. Вона пов`язана з середньою швидкістю υ залежністю Базена

, (6)

Мінімальна швидкість U_д спостерігається біля дна жолоба. Її обчислюють за формулою

, (7)

Розподіл швидкості в відкритих руслах по осі жолоба з висотою y від дна жолоба характеризується функцією

, (8)

при значенні

, (9)

Середня швидкість υ буде спостерігатись на глибині h від вільної поверхні води

, (10)

Об`ємна витрата води через відкритий жолоб обчислюється за формулою

, (11)

або за класичною залежністю

, (12)