ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ по курсу «Гидравлика»chirt.ru/download/student/vpo/TTP/labs.pdfвается поток жидкости через исследуемые

Министерство путей сообщения Российской Федерации

Филиал Уральского государственного университета путей сообщения

Челябинский институт путей сообщения

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ

по курсу «Гидравлика»

Руководство по выполнению и журнал

лабораторных работ

Студент _______________________

Шифр ________________________

Челябинск

2004

2

УДК 532

Л 12

Предназначено для студентов следующих специальностей:

290900 – Строительство железных дорог, путь и путевое хозяйство;

290300 – Промышленное и гражданское строительство;

150800 – Вагоны.

Составитель канд. техн. наук, доцент Г.Г. Проценко

Одобрено учебно-методическим советом

Челябинского института путей сообщения

© Филиал Уральского государственного

университета путей сообщения.

Челябинский институт путей сообщения, 2004

3

ПОРЯДОК РАБОТЫ В ЛАБОРАТОРИИ «ГИДРАВЛИКА»

1. Занятия в лаборатории проводятся одновременно для всей группы сту-

дентов.

2. К занятиям допускаются студенты, ознакомившиеся с содержанием

предстоящих работ по данной разработке и изучившие необходимые

разделы по рекомендуемой литературе.

3. Студенты допускаются к практическому выполнению лабораторных

работ после изучения мер безопасности при работе на лабораторном

стенде и соответствующей подписи в журнале по технике безопасно-

сти.

4. Во время выполнения лабораторных работ студент обязан вести записи

всех измерений карандашом. Обработка результатов измерений прово-

дится фронтально всей группой с записью на аудиторной доске. В

журнал заносятся ручкой итоговые результаты расчѐтов. Преподава-

тель проставляет в личном журнале студента подпись о его участии в

выполнении лабораторной работы.

5. Оформление отчѐтов лабораторных работ должно быть аккуратным,

необходимые рисунки выполняются карандашом с применением чер-

тѐжных инструментов. Студенты, не успевшие оформить отчѐт на за-

нятиях, заканчивают оформление журнала дома.

6. В лаборатории студент обязан соблюдать трудовую дисциплину, не за-

ниматься посторонними делами, бережно относиться к государствен-

ному имуществу.

7. После выполнения всех намеченных работ производится их защита.

Студентам, показавшим при выполнении лабораторных работ хоро-

шую подготовленность и сознательное отношение к делу, отметка о

зачѐте проставляется автоматически после оформления в журнале всех

работ.

8. Студенты, пропустившие лабораторные занятия или не защитившие

отчѐты лабораторных работ к экзамену по курсу «Гидравлика» не до-

пускаются.

4

Лабораторная работа №1

ИЗУЧЕНИЕ КОНСТРУКЦИИ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА

Цель работы: изучение конструкции и технических возможностей лабораторного стенда.

Описание лабораторного стенда

Лабораторный стенд (рис. 1) состоит из напорного бака 1, мерного

бака 14, трех горизонтальных и одного вертикального исследуемых тру-бопроводов. Напорный бак 1 для поддержания постоянного уровня жид-кости снабжен водосливом.

В верхнем горизонтальном трубопроводе вмонтирована прозрачная труба 4 для исследования режимов движения жидкости. Подкрашенная жидкость поступает в трубопровод из бака 2 через краник 3.

В нижнем трубопроводе установлен расходомер Вентури 10. Средний трубопровод представляет собой последовательное соеди-

нение двух простых трубопроводов с диаметрами 8 и 19 мм, в кото-рых вмонтированы исследуемый участок трубопровода 18 и местные со-противления: двойное колено 20, внезапное расширение 21, вентиль 9.

На конце вертикального трубопровода устанавливаются сменные насадки 12 для исследования истечения жидкости.

Измерение напора (давления) жидкости осуществляется прямыми пьезометрами 16, 5, установленными в необходимые сечения гидравличе-ской системы.

Избыточное давление в трубопроводе определяется по показаниям пьезометра расчѐтом по формуле

P=ρgh.

Измерение расхода жидкости Q может измеряться двумя способами: объемным с помощью мерного бака 14 с подсоединенной к нему мер-

ной трубкой 19:

Q=V/t; V=Sh,

где V – объем воды, поступившей в мерный бак 14 за время t; S – площадь дна мерного бака 14; h – разность показаний пьезометра 19 за время t.

с помощью расходомера Вентури 10.Методика измерения расхода Q с по-мощью расходомера Вентури 10 рассмотрена в лабораторной работе № 2.

В установке вмонтированы вентили 6, 8, 11, 13, 15, 17, обеспечива-ющие движение жидкости по необходимым участкам трубопроводов. Вентиль 7 предназначен для удаления воздуха из системы.

5

20

19

14

15

11 10

9

21 12

8

13

16

18

17

6

7

5 2 1

3

4

Рис 1. Схема лабораторного стенда

6

Технические возможности лабораторного стенда Лабораторный стенд позволяет выполнить следующие лаборатор-

ные работы: Лабораторная работа № 2 – Тарирование расходомера Вентури. При

открытии вентилей 6, 8, 11 через расходомер 10 обеспечивается поток жидкости. Измерение действительного расхода жидкости осуществляется объѐмным способом при помощи мерного бака 14 и по показаниям пье-зометров 5 расходомера Вентури.

Лабораторная работа № 3 – Исследование режимов движения жид-кости. При открытии вентилей 6, 8, 11 обеспечивается поток жидкости по прозрачной трубе 4 и через расходомер Вентури 10. Подкрашенная жид-кость вводится в прозрачную трубу 4 из бака 2 через краник 3. По харак-теру движения подкрашенных слоѐв жидкости в прозрачной трубе опре-деляется режим движения жидкости.

Лабораторная работа № 4 – Определение коэффициента гидрав-лического трения в трубопроводе. При открытии вентилей 17, 9 и 11 обеспечивается поток жидкости через исследуемый трубопровод 18 и расходомер Вентури 10. Потери напора в трубопроводе 18 измеряются посредством прямых пьезометров 5.

Лабораторная работа № 5 – Определение коэффициентов местных гидравлических сопротивлений. При открытии вентилей 17, 9, 11 обеспечи-вается поток жидкости через исследуемые гидравлические сопротивления: двойное колено 20, внезапное расширение 21, вентиль 9 и через расходомер Вентури 10. Потери напора на местных сопротивлениях измеряются по-средством прямых пьезометров 5.

Лабораторная работа № 6 – Исследование уравнения Бернулли. При открытии вентилей 17, 9 и 11 обеспечивается поток жидкости через иссле-дуемый средний горизонтальный трубопровод и расходомер Вентури 10. По показаниям пьезометров 5 строится пьезометрическая линия и расчѐтным путѐм с учѐтом измеренного расхода – напорная линия трубопровода.

Лабораторная работа № 7 – Экспериментальное определение гид-равлической характеристики трубопровода. При открытии вентилей 17, 9 и 11 обеспечивается поток жидкости через исследуемый средний гори-зонтальный трубопровод и расходомер Вентури 10. Зависимость потерь напора на трубопроводе от расхода жидкости в нѐм определяет гидравли-ческую характеристику трубопровода.

Лабораторная работа № 8 – Истечение жидкости через отверстия и насадки. При открытии вентилей 17 и 13 обеспечивается поток жидко-сти через исследуемый насадок 12. Приведѐнный напор перед насадком измеряется пьезометром 16, а расход жидкости объѐмным способом при помощи мерного бака 14. В лабораторной работе используются несколько сменных насадков 12.

7

Меры безопасности при работе на лабораторном стенде

1. Лабораторные работы проводятся только на исправном стенде. 2. Включение подачи воды и работа на стенде осуществляется под

наблюдением преподавателя или лаборанта. 3. Не прилагать усилий и не наносить удары по пьезометрам, что может

привести к их разрушению и получению травмы стеклянными оскол-ками.

4. Следить за уровнем воды в мерном баке 14, открывать вовремя вентиль 15 и закрывать вентили 13 и 11, исключая перелив воды через верхние кромки мерного бака.

5. Вентиль 7 открывать только для спуска воздуха из системы. При появ-лении воды вентиль закрыть.

6. При открытии вентиля 13 следить, чтобы не было перелива воды через верхнюю кромку пьезометра 16.

7. При обнаружении неисправности в трубопроводе слива воды в систему канализации отключить подачу воды в лабораторный стенд и закрыть вентили 13, 11, 15.

Содержание отчѐта

В целях экономии времени отчѐт лабораторной работы № 1 не вы-

полняется. При защите лабораторной работы № 1 необходимо знать устройство, работу и назначение каждого элемента лабораторного стенда.

Контрольные вопросы

1. Расскажите общее устройство лабораторного стенда. 2. Укажите назначение напорного бака 1. 3. Какую роль в гидравлической системе стенда выполняют колено 20,

внезапное расширение 21 и вентиль 9? 4. Укажите назначение трубопровода 18. 5. Где на стенде установлен расходомер Вентури? Укажите его назначе-

ние. 6. Как измеряются в лабораторном стенде напоры и давления? 7. Какова методика измерения расхода объемным способом? 8. Укажите назначение мерного бака 14 и трубки 19. 9. С какой целью в стенде установлена прозрачная труба 4? 10. Укажите назначение блока пьезометров 5. 11. Площадь дна мерного бака 14 S = 375 см

2. За время t = 25 с уровень

воды в баке поднялся на 5 см. Определите расход жидкости в гидрав-лической системе.

12. Центр сечения трубопровода расположен на высоте 30 см относитель-но нулевой линии отсчѐта. Уровень жидкости в пьезометре 90 см. Определите давление в трубопроводе.

8

Лабораторная работа № 2

ТАРИРОВАНИЕ РАСХОДОМЕРА ВЕНТУРИ

Цель работы: изучение конструкции и принципа действия расхо-домера Вентури и определение его характеристик на основании опытных данных.

Конструкция и принцип работы расходомера Вентури

Конструкция расходомера Вентури приведена на рисунке 1.

Рис 1. Конструкция расходомера Вентури

Расходомер Вентури состоит из участков 1 и 2 диаметром d1=20 мм и участка 3 диаметром d2=10 мм, соединѐнных между собой коническими участками 4 и 5. Посредством резьбы участки 1 и 2 подсоединяются к гидравлической системе. Отверстия 6 и 7 служат для подключения пьезо-метров. На рис. 2 приведена схема, раскрывающая принцип работы рас-ходомера Вентури.

Рис 2. Схема действия расходомера Вентури

Z

Z1 Z2 1 2

v1 v2

P1 P2

P1/ρg P2/ρg

v12/2g

v22/2g

Δh

0

Линия полного напора

9

Действие расходомера Вентури описывается уравнением Бернулли:

,22

222

2

211

1gg

PZ

gg

PZ

vv

(2.1)

где Z1, Z2 – геометрические напоры;

g

P

g

P

21 , – пьезометрические напоры;

gg 2,

2

22

21 vv

– скоростные напоры;

Индексы: 1 – сечение 1, 2 – сечение 2.

Скорости жидкости в сечениях 1 и 2 связаны уравнением неразрыв-

ности потока

2

112211A

AAAQ v v;vv 2 , (2.2)

где 4

21

1d

A

– площадь сечения 1; 4

22

2d

A

– площадь сечения 2;

Q – расход жидкости через расходомер.

Учитывая, что 12

1 A

A, имеем 21 vv и, следовательно,

gg 22

22

21 vv . Это

означает, что уровень жидкости в пьезометре 2 будет ниже, чем в пьезо-

метре 1, как и изображено на рис. 2. Из рис. 2 имеем:

,2

v

2

1v

2

v

2

v 2

1

2

2

11

2

1

2

2

ggA

A

ggh

1

2v

2

2

1

2

A

A

hg

(2.3)

Теоретический расход жидкости через расходомер

,

1

2v

2

2

1

1

11 ha

A

A

hgAAQт

(2.4)

где

1

2

2

2

1

1

A

A

gAa – теоретическая конструктивная постоянная расходомера.

10

Так как в расходомере имеют место потери напора, неточности раз-

меров при изготовлении, то действительная конструктивная постоянная

расходомера Вентури и, следовательно, действительный расход будут не-

сколько отличаться от теоретического.

В лабораторной работе действительная конструктивная постоянная

расходомера Вентури определяется опытным путѐм. Если измерить рас-

ход жидкости Q через расходомер Вентури и потери напора Δh на нѐм, то

действительная конструктивная постоянная расходомера определяется

выражением:

h

Qa

(2.6)

Порядок выполнения работы

1. Включить подачу воды из водопровода и заполнить напорный бак 1 до

начала сброса воды через водослив.

2. Открыть вентили 17, 6, 8, 11 и заполнить гидравлическую систему тру-

бопроводов водой. Закрыть вентиль 11 и проверить показания пьезо-

метров 5 расходомера Вентури: уровни жидкости в пьезометрах долж-

ны быть на одной высоте, в противном случае удалить воздух из под-

соединительных трубок и пьезометров.

3. Открыть вентиль 11 и установить минимальный расход воды. Опреде-

лить действительный расход жидкости с помощью мерного бака 14 и

секундомера, а также снять показания с пьезометров 5. Данные изме-

рений опыта внести в таблицу.

4. Повторить п. 3 (5 опытов) последовательно увеличивая расход жидкости

с помощью вентиля 11. Данные измерений внести в таблицу.

5. Рассчитать действительную постоянную а расходомера Вентури из соот-

ношения (2.6) для каждого опыта и определить еѐ среднее значение аср.

6. Рассчитать и построить график тарировочной зависимости расходоме-

ра Вентури haQ ср .

7. Оформить отчѐт лабораторной работы. Отчѐт должен содержать цель

работы, таблицу результатов опыта, тарировочный график расходоме-

ра и выводы.


1. Устройство расходомера Вентури.

2. Уравнения Бернулли и неразрывности потока как основа действия

расходомера Вентури.

3. В чѐм смысл отличия теоретической и действительной постоянных

расходомера Вентури?

4. Для чего необходим тарировочный график расходомера Вентури?

11

Отчѐт по лабораторной работе №2 Тарирование расходомера Вентури

Цель работы: __________________________________________________ _______________________________________________________________

Данные измерений и результатов расчѐта

Параметры Опыты

1 2 3 4 5

Высота воды в мерном баке, см Объем воды, см

3. Sбака=375 см

2

Время наполнения контрольного объѐма, с

Действительный расход жидкости, gQ , см3/с

Показание пьезометра в сечении 1—1, см Показание пьезометра в сечении 2—2, см Разность показаний пьезометров, h, см Действительная постоянная расходомера, а, см

2,5/с

Среднее значение аср , см2,5

/с

Тарировочная зависимость haQ ср , см3/с

Рис. 3. Тарировочный график расходомера Вентури

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 1 2 3 4 5 h,см

Q, см3/с

Выводы:_______________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Работа выполнена ―____‖ __________________ 200___ г.

12


ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ ДВИЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ

Цель работы: изучение ламинарного и турбулентного режимов дви-жения жидкости в трубопроводе.

Общие сведения

Различают два режима движения жидкости: ламинарный и турбу-лентный.

При ламинарном (от лат. laminare – слоистый) режиме жидкость движется отдельными параллельными струями, не перемешиваясь между собой.

При турбулентном (от лат. turbulentus – бурный, беспорядочный) режиме, струи жидкости перемешиваются между собой.

В 1883 году английский физик О. Рейнольдс теоретически обосновал закономерности ламинарного и турбулентного режимов движения жидко-сти. Существование ламинарного и турбулентного режимов движения жидкости определяется безразмерным параметром:

,v

Re

d

(3.1)

где v – скорость движения жидкости; d – диаметр трубопровода; – кинематическая вязкость жидкости.

Впоследствии данный безразмерный параметр получил название число Рейнольдса.

Кинематическая вязкость воды при температуре t рассчитывается по формуле

.00022,0037,01

0178,02tt

t

(3.2)

По данным О. Рейнольдса имеется некоторое критическое число

Рейнольдса Reкр, при котором режим ламинарный переходит в турбулент-ный и наоборот. Для труб круглого сечения Reкр=2320. Ламинарный режим характеризуется условием

2320Rev

Re кр

d

. (3.3)

Турбулентный режим характеризуется условием

2320Rev

Re кр

d

. (3.4)

13

Знание режимов движения жидкости является важным, так как при различных режимах движения наблюдаются свои закономерности потерь напора и давления:

– при ламинарном режиме потери пропорциональны скорости vAh ; – при турбулентном режиме

nBh v , где A, B – коэффициенты пропорциональности; n – показатель, зависящий от степени турбулизации потока.


1. Закрыть вентили 8, 11, 13, 17, включить подачу воды из водопровода и

заполнить напорный бак 1 до начала сброса воды через водослив. 2. Открыть вентили 6, 8, 11, обеспечив устойчивый расход жидкости. 3. Резко открыть и закрыть краник 3, направив в поток каплю подкра-

шенной жидкости. По характеру движения подкрашенной жидкости убедиться, что режим ламинарный (слои покрашенной жидкости не размываются). Снять показания пьезометров 5 расходомера Вентури 10 и заполнить таблицу.

4. Увеличить расход воды, дополнительно открыв вентиль 11. Повторить п. 3, убедившись, что в прозрачном трубопроводе турбулентный режим (слои подкрашенной жидкости перемешиваются).

5. Рассчитать числа Рейнольдса для проведѐнных опытов и убедиться в правильности теории О. Рейнольдса.

6. Оформить отчет лабораторной работы. Отчет должен содержать цель работы, таблицу измерений и результатов расчета, выводы. Контрольные вопросы

1. Назовите виды режимов движения жидкости. В чем их особенности? 2. Какова роль числа Рейнольдса для инженерных расчетов? 3. От каких параметров зависит режим движения жидкости? 4. Укажите критическое значение числа Рейнольдса для круглых трубо-

проводов. 5. По трубопроводу диаметром d=20 мм движется минеральное масло с

расходом Q=0,628 дм3/с. Изменится ли режим движения, если темпера-

тура масла увеличилась от температуры t=20оС, υ20=32 сСт до темпера-

туры t=70оС, υ20=8 сСт?

14

Отчѐт по лабораторной работе № 3

Исследование режимов движения жидкости

Цель работы __________________________________________________ ______________________________________________________________

Данные измерений и расчѐтов

Параметры

Опыты

1 2

Разность показаний пьезометров расходомера Вентури 5h , см

Расход жидкости 5haQ ср , см3/с

Скорость v, см/с

Вязкость жидкости при температуре Ct ____ , ,Ст

Число Рейнольдса, Re

Режим движения

Расчѐты числа Рейнольдса:

Опыт 1 Re= Опыт 2 Re= Выводы: _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________


15


ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ТРЕНИЯ В ТРУБОПРОВОДЕ

Цель работы: теоретическое и экспериментальное определение ко-

эффициента гидравлического трения в трубопроводе.


Потери напора по длине трубопровода определяются по формуле Дарси – Вейсбаха

gdh

2

v2

где h – потери напора по длине, м; – коэффициент гидравлического трения; d, l – диаметр и длина трубопровода, м; v – скорость потока жидкости, м/с. При ламинарном режиме движения жидкости коэффициент гидрав-

лического трения определяют по формуле Дарси:

.Re

64

При турбулентном режиме движения коэффициент гидравлического трения определяется по следующим зависимостям:

– при 2320 < Re < 105 (гидравлически гладкие трубопроводы) по фор-

муле Блазиуса

,Re

316,04

(4.3)

– при Re >10

5 и 20d/э < Re < 500d/э (переход от гидравлически глад-

ких к гидравлически шероховатым трубопроводам) по формуле Аль-тшуля

,Re

6811,0

25,0

d

э (4.4)

где э – эквивалентная шероховатость трубопровода; – при Re >10

5 и Re > 500d/э (гидравлически шероховатые трубопро-

воды) по формуле Шифринсона

.11,0

25,0

d

э (4.5)

Таким образом, зная параметры трубопровода (d, , э), режим дви-жения жидкости – число Рейнольдса Re, можно теоретически определить

16

коэффициент гидравлического трения по одной из вышеперечисленных зависимостей (4.2)...(4.5).

Если известны параметры трубопровода (d, ), скорость жидкости v и величина потерь напора h , то коэффициент гидравлического трения λ определяется из формулы (4.1)

.2

2v

hgd (4.6)


1. Закрыть вентили 8, 11, 13, включить подачу воды из водопровода и за-

полнить напорный бак 1 до начала сброса воды через водослив. 2. Открыть вентиль 11, обеспечив устойчивый расход жидкости через ис-

следуемый участок трубопровода 18. С помощью пьезометров 5 расхо-домера Вентури 10 произвести измерения расхода жидкости. Снять по-казания с пьезометров 5, определяющих потери напора в трубопроводе 18. Данные измерений внести в таблицу.

3. Повторить п.2 (3 опыта), изменяя расход жидкости в гидравлической системе. Данные измерений внести в таблицу.

4. Рассчитать скорость потока жидкости и экспериментальные значения коэффициента гидравлического трения. Параметры трубопровода 18 (d=0,8 см, =30см).

5. Определить режим движения жидкости и рассчитать теоретическое значение коэффициента гидравлического трения.

6. Данные расчѐтов внести в таблицу и сравнить экспериментальные и теоретические значения коэффициента гидравлического трения.

7. Оформить отчѐт лабораторной работы. Отчѐт должен содержать цель работы, таблицу измерений и результатов расчѐта, выводы. Контрольные вопросы

1. Физический смысл коэффициента гидравлического трения в трубопро-

воде. 2. Какими параметрами определяются потери напора в трубопроводе? 3. Какова зависимость коэффициента гидравлического трения от режимов

движения жидкости? 4. Как экспериментально определить коэффициент гидравлического тре-

ния? 5. Как теоретически рассчитать коэффициент гидравлического трения? 6. По трубопроводу диаметром d=100 мм и длиной l=100 м движется вода

с расходом Q=0,02 м3/с при температуре t=10

оС. Определить потери

давления и мощность, затрачиваемую на перемещение воды в трубо-проводе.

17

Отчѐт по лабораторной работе № 4 Определение коэффициента гидравлического трения в трубопроводе

Цель работы: __________________________________________________ _______________________________________________________________

Результаты измерений и расчѐта коэффициента гидравлического трения


1 2 3

Разность показаний пьезометров 5 расходомера Вентури, 5h , см

Расход жидкости, haQ ср , см

Скорость потока жидкости, v, см/с

Потери напора в исследуемом трубопроводе 18, h ,см

Коэффициент гидравлического трения по экспериментальным данным,

Режим движения жидкости, Re

Теоретическое значение коэффициента гидравлического трения, Т

Расчѐты коэффициента гидравлического трения Т

Опыт 1 Re= Т= Опыт 1 Re= Т= Опыт 1 Re= Т= Выводы: ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________


18


ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТОВ МЕСТНЫХ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ СОПРОТИВЛЕНИЙ

Цель работы: экспериментальное определение коэффициентов мест-

ных сопротивлений: колена, внезапного расширения трубы и вентиля.


При движении реальной жидкости возникают местные потери напора в разного рода устройствах: кранах, задвижках, отводах, коленах, внезап-ных расширениях и сужениях трубы, тройниках и др., которые получили название местные сопротивления. Местные потери энергии (напора) воз-никают вследствие деформации потока: поворота, сжатия или расшире-ния, разделения потока.

Потери напора в местных сопротивлениях рассчитываются по фор-муле Вейсбаха:

,2

v2

max

ghM (5.1)

где – коэффициент местного сопротивления; v mах – максимальная скорость потока на входе или выходе местного

сопротивления. Ориентировочные значения коэффициентов местных сопротивлений

приводятся в справочной литературе в виде эмпирических формул, таб-лиц и графиков.

В инженерной практике довольно часто возникает необходимость определения коэффициентов местных сопротивлений опытным путем. При экспериментальном определении коэффициента местного гидравли-ческого сопротивления необходимо определение расхода жидкости и по-терь полного напора. На рисунке приведена схема, раскрывающая прин-цип измерения полного напора в местном сопротивлении.

В соответствии с уравнением Бернулли для реальной жидкости имеем:

HI=HII+hM , 5.2)

где HI, HII – полный напор в сечениях I, II, соответственно, до и после сопротивления;

hМ – потери напора в местном сопротивлении. Полная запись уравнения Бернулли:

,2

v

2

v 2

22

22

2

11

11 Mh

gg

PZ

gg

PZ

(5.3)

19

Схема измерения потерь полного напора

Учитывая, что Z1 = Z2 , имеем

,

2

vv 2

22

2

1121

gg

PPhM

(5.4)

где hg

PP

21 – разность показаний пьезометров;

– коэффициент Кориолиса; =2 – для ламинарного режима; =1,13 – для турбулентного режима.

Если v1=v2 , то hM=h.

Таким образом, чтобы определить опытным путѐм коэффициент местного сопротивления , необходимо: 1) измерить расход Q и разность показаний пьезометров h ; 2) рассчитать скорости 1v , 2v , определить 1Re , 2Re и принять соот-

ветствующие значения 1 , 2 ; 3) по зависимости (5.4) рассчитать потери напора в местном сопротивле-нии Mh ; 4) рассчитать коэффициент местного сопротивления

,v

22

max

Mhg (5.5)

где maxv – наибольшая из скоростей 1v , 2v .

v2 v1

hМ

1v12/2g

2v22/2g

h

H1 P1/g

P2/g

Q P1

P2

II

I Z1 Z2

0

20

Порядок выполнения работы 1. Закрыть вентили 8, 11, 13, включить подачу воды из водопровода и за-


следуемый участок местных сопротивлений: двойное колено 20; вне-запное расширение 21 с параметрами d1=0,9 см, d2=1,9 см, вентиль 9. С помощью пьезометров 5 расходомера Вентури 10 произвести измере-ния расхода жидкости. Снять показания с пьезометров 5, определяю-щих потери на соответствующем местном сопротивлении.

Данные занести в таблицу. 3. Повторить п.2 (3 опыта), изменяя расход жидкости в гидравлической

системе. Данные измерений занести в таблицу. 4. Рассчитать 1v , 2v , 1Re , 2Re , 1 , 2 , Mh , . 5. Сравнить опытные значения коэффициентов местных сопротивлений

со справочными: - 1 колено 1,1 ;

- внезапное расширение

2

2

11

A

A;

- вентиль при полном открытии 0,5 . 6. Оформить отчѐт лабораторной работы. Отчѐт должен содержать цель

работы, таблицу измерений и результатов расчѐта, выводы.

Контрольные вопросы 1. Что понимается под термином местное гидравлическое сопротивле-

ние? 2. Как рассчитываются потери в местных гидравлических сопротивлени-

ях? 3. Как определяются коэффициенты различных местных сопротивлений

при расчѐтах гидравлических систем? 4. В чѐм заключается методика экспериментального определения коэф-

фициентов местных сопротивлений? 5. Через местное сопротивление с коэффициентом =2 движется вода.

Скорость на входе в местное сопротивление v1=5 м/с, на выходе v2=2 м/с. Определить потери напора и давления на местном сопротивлении.

6. Прямому трубопроводу диаметром d=50 мм, длиной l=20 м и λ=0,025 изменили трассу, выполнив два колена с коэффициентами местных сопротивлений =1,2. Определить, на сколько процентов увеличились потери напора и дав-ления в трубопроводе.

21

Отчѐт по лабораторной работе № 5 Определение коэффициентов местных

гидравлических сопротивлений

Цель работы:__________________________________________________ ______________________________________________________________

Результаты измерений и расчѐта коэффициентов местных сопротивлений


1 2 3

Разность показаний пьезометров расходомера Вентури h5 , см

Расход жидкости 5haQ ср , с

см 3

Разность показаний пьезометровh , см

Колено Скорость v, см/с

Коэффициент местного сопротивления

Скорость v, см/с v1

v2

Внезапное Режим движения жидкости Re1

расширение Re2

Коэффициент Кориолиса 1

2

Разность показаний пьезометровh, см

Потери напора hМ , см


Разность показаний пьезометровh, см

Вентиль Скорость v, см/с


Выводы: _________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________


22


ИССЛЕДОВАНИЕ УРАВНЕНИЯ БЕРНУЛЛИ

Цель работы: исследование закономерностей изменения механической энергии жидкости вдоль потока в трубопроводе переменного сечения.

Энергетические характеристики потока. Уравнение Бернулли

Энергетическую характеристику потока можно выразить полной

энергией:

,2

v2m

g

PmgmgZE

(6.1)

где mgZ – потенциальная энергия положения частицы жидкости мас-

сой m , поднятой на вертикальную координату Z ; mg(P/ g) – потенци-

альная энергия давления (давление P способно поднять частицу в пьезо-

метре на высоту h= P/ g); m v 2/2 – кинетическая энергия частицы жид-

кости массой m, движущейся со скоростью v . Разделив уравнение (6.1) на mg , получим выражение, характеризующее удельную энергию, отнесенную к весу жидкости:

gg

PZ

mg

EH

2

v2

, (6.2)

где H – удельная полная энергия или полный напор, м; Z – удельная по-тенциальная энергия положения или геометрический напор, м; P/ g – удельная потенциальная энергия давления или пьезометрический напор, м; v

2/2g – удельная кинетическая энергия или скоростной напор, м.

Для частицы жидкости, находя-щейся в горизонтальном слое с координатой Z , давлением P и скоростью v , выражению (6.2) можно дать геометрическую ин-терпретацию (рис. 1). Поток жидкости в любом сече-

нии гидравлической системы ха-рактеризуется тремя параметрами:

- координатой центра сечения Z ; - давлением P ; - скоростью жидкости v .

v2/2g

H

P/g

0 Z 0

Рис. 1

23

Если пренебречь потерями энергии в гидравлической системе, то для любых двух произвольно взятых сечений можно записать:

H1=H2

.22

222

2

211

1gg

PZ

gg

PZ

vv

(6.3)

Выражение (6.3) называется уравнением Бернулли для идеальной жидко-сти. Из уравнения (6.3) видны следующие закономерности: - если площади сечений равны 21 AA , т.е. 21 vv , то с уменьшением Z

(понижением уровня сечения) увеличивается давление P и наоборот, однако сумма Z+P/ g остаѐтся величиной постоянной. Выражение Z+P/ g называют статическим напором (характеризует удельную полную потенциальную энергию);

- если 21 ZZ , то давление P будет зависеть от скорости v : при умень-шении площади сечения )( 12 AA увеличивается скорость )vv( 12 и, следовательно, уменьшается давление 12 PP (часть потенциальной энергии давления преобразуется в кинетическую энергию потока); при увеличении площади сечения )( 12 AA уменьшается скорость )vv( 12 и, следовательно, увеличивается давление 12 PP (часть кинетической энергии потока преобразуется в потенциальную энергию давления);

- если 21 ZZ и 12 AA , то все три параметра v,,PZ изменяются в соот-ветствии с уравнением Бернулли (6.3). С учетом потерь энергии в гид-равлической системе уравнение Бернулли для реальной жидкости принимает вид:

1221 hHH

12

2

22

22

2

11

11

2

v

2

vh

gg

PZ

gg

PZ

, (6.4)

где 12h – потери полного напора между сечениями 1 и 2; – коэффициент Кориолиса, характеризующий неравномерность

распределения скоростей по сечению потока; =1,13 – для турбулентного, =2,0 – для ламинарного режимов движения жидкости.

Потери полного напора 12h происходят в трубопроводах и в мест-ных сопротивлениях. При этом часть механической энергии потока пре-образовывается в тепловую энергию.

На рис. 2 приведена трасса исследуемой гидравлической системы. В лабораторной работе необходимо установить закономерности из-

менения статического Z+P/ g и полного Н напоров для шести сечений гидравлической системы при движении по ней потока жидкости и по-строить пьезометрическую и напорную линии.

24

Порядок выполнения работы 1. Закрыть вентили 8, 11, 13, включить подачу воды из трубопровода и

заполнить напорный бак 1 до начала сброса воды через водослив. 2. Открыть вентиль 11, обеспечив устойчивый расход жидкости через иссле-

дуемую гидравлическую систему. С помощью пьезометров 5 расходоме-ра Вентури 10 произвести измерение расхода жидкости. Снять показания с пьезометров исследуемого трубопровода. Данные занести в таблицу.

3. На рис. 2 исследуемой гидравлической системы отметить в масштабе геометрические и пьезометрические напоры в сечениях 1...6. Провести пьезометрическую линию по уровням показаний пьезометров.

4. Рассчитать скоростные напоры для каждого из сечений, отложить их в масштабе на рис. 2 и построить напорную линию.

5. Проследить и объяснить закономерности изменений статического и полного напоров при движении потока из сечения 1 к сечению 6.

6. Оформить отчѐт лабораторной работы. Отчѐт должен содержать цель ра-боты, таблицу измерений и результатов расчѐта, рис. 2 гидравлической системы с изображениями пьезометрической и напорной линий, выводы.

Контрольные вопросы 1. Каков физический смысл полного, геометрического, пьезометрическо-

го и скоростного напоров? 2. Объяснить рисунок формирования полного напора. 3. Записать и объяснить уравнение Бернулли для идеальной и реальной

жидкости. 4. Объяснить закономерность изменения статического и полного напо-

ров на каждом элементе (трубопровод, колено, внезапное расширение, вентиль) исследуемой гидравлической системы.

5. Какая линия называется пьезометрической? 6. Какая линия называется напорной? 7. По ступенчатому трубопроводу движется жидкость с расходом Q.

Изобразить вид напорной и пьезометрической линий.

Pвых=Pa

d1=d d2>d d3=d

P1

25

Отчѐт по лабораторной работе № 6 Исследование уравнения Бернулли

Цель работы __________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________________________________

Результаты измерений и расчѐта полного напора

Параметры Сечения

1 2 3 4 5 6

Геометрический напор Z , см

Пьезометрический напор P/ g, см

Статический напор Z+P/ g, см

Разность показаний пьезометров h5, см

Расход жидкости Q, см3/с

Скорость жидкости v, см/с

Режим движения Re

Коэффициент Кориолиса

Скоростной напор v2/2g, см

Полный напорH=Z+ P/ g+ v2/2g, см

Рис. 2. Графики напорной и пьезометрической линий

1 2 3 4 5 6

40

100

120

80

60

26

Выводы: ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Графический тест по индивидуальному заданию Построить напорную и пьезометрическую линии


27


ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРУБОПРОВОДА

Цель работы: построение характеристики трубопровода и опреде-

ление его гидравлического сопротивления на основе экспериментальных данных.


В гидравлических системах используются трубопроводы, содержа-щие участки труб различного диаметра, местные сопротивления и гидро-аппараты. При пропускании через трубопровод потока Q возникают поте-ри напора h. Зависимость суммарных потерь в трубопроводе от расхода называется гидравлической характеристикой трубопровода

,2aQh (7.1)

где a – гидравлическое сопротивление по напору. При последовательном соединении трубопроводов

iaa . (7.2)

Гидравлическое сопротивление простого трубопровода определяет-

ся по формуле Дарси – Вейсбаха:

,8

42

i

i

i

i

i

idgd

а

(7.3)

где i и di – длина и диаметр участков трубопровода; i – сумма местных гидравлических сопротивлений; i – коэффициент гидравлических потерь в трубопроводе.

Зная конструктивные параметры трубопроводов можно рассчитать гидравлические характеристики простых трубопроводов ai, суммарное гидравлическое сопротивление a, рассчитать и построить гидравлическую характеристику трубопровода.

Однако часто гидравлическую характеристику определяют экспери-ментальным путем. Для чего через трубопровод пропускают известный расход Q и измеряют суммарные потери в трубопроводе. Зависимость

)(Qfh определяет экспериментальную гидравлическую характеристи-ку трубопровода. Гидравлическое сопротивление определяется из соот-ношения (7.1)

2Q

ha

(7.4)

28


1. Закрыть вентили 8, 11, 13, включить подачу воды из водопровода и за-


следуемый трубопровод, включающий участки труб диаметрами 81 d мм и 192 d мм и местные сопротивления: два колена, внезапное

расширение, вентиль. С помощью пьезометров 5 расходомера Вентури 10 произвести измерения расхода жидкости. Снять показания с пьезо-метров в начале и в конце исследуемого трубопровода. Данные занести в таблицу.

3. Повторить п. 2 (3 опыта) увеличивая расход жидкости в гидравличе-ской системе. Данные измерений занести в таблицу.

4. Рассчитать Q , 1v , 2v , 1Re , 2Re , 1 , 2 и h .

gg

PZ

gg

PZh

2

v

2

v 2

21

22

2

11

11

5. Рассчитать экспериментальное значение гидравлического сопротивле-

ния трубопровода по формуле (7.4). 6. Построить график экспериментальной гидравлической характеристики

трубопровода )(Qfh (см. рисунок). 7. Рассчитать теоретическое значение гидравлического сопротивления тру-

бопровода по формулам (7.2) и (7.3). Сравнить теоретическое и экспери-ментальное значения гидравлического сопротивления трубопровода.

8. Оформить отчѐт лабораторной работы. Отчѐт должен содержать цель работы, , таблицу измерений и результатов расчѐта, график гидравли-ческой характеристики трубопровода, расчѐт теоретического значения гидравлического сопротивления трубопровода, выводы.


1. Что понимается под термином гидравлическая характеристика трубо-

провода? 2. Как рассчитать гидравлическую характеристику трубопровода? 3. Какова методика экспериментального определения гидравлического

сопротивления трубопровода? 4. От каких параметров зависит гидравлическое сопротивление трубопро-

вода? 5. Как изменится сопротивление трубопровода а и потери напора h , ес-

ли диаметр трубы увеличили в 1,5 раза? Коэффициент гидравлического трения λ считать постоянным.

29

Отчѐт по лабораторной работе № 7 Экспериментальное определение характеристики трубопровода

Цель работы ___________________________________________________ _______________________________________________________________

Результаты измерений и расчѐта гидравлической характеристики

трубопровода


1 2 3

Разность показаний пьезометров расходомера h5,

см

Расход жидкости Q , см3/с

Показания пьезометров, см Z1+P1/g

Z2+P2/g

Скорость жидкости, см/с v1

v2

Режим движения Re1

Re2

Коэффициент Кориолиса 1

2

Потери полного напора h, см

Гидравлическое сопротивление a, с2/см

5

Гидравлическая характеристика трубопровода

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 10 20 30 40 50 60 70 80 Q,см3/с

Δh,см

Гидравлическая характеристика трубопровода

30

Выводы: ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________

Расчѐт теоретического значения сопротивления трубопровода Параметры первого простого трубопровода: d1=8 мм, 1 =40 см

λ1= 1 =

1

1

1

14

1

21

8

dgdа

Параметры второго простого трубопровода: d2=19 мм, 2 =50 см

λ2= 2 =

2

2

2

24

2

22

8

dgdа

а=а1+а2=


31


ИСТЕЧЕНИЕ ЖИДКОСТИ ИЗ ОТВЕРСТИЙ И НАСАДКОВ

Цель работы: определение коэффициентов расхода через отверстия и насадки.


Задача об истечении жидкости через отверстия встречается доволь-

но часто в практических расчѐтах различных гидравлических устройств. На рис. 1а) представлена схема истечения жидкости через отверстие

в тонкой стенке. Малым называют отверстие, если его вертикальный ли-нейный размер менее 0,1 полного напора H перед отверстием; тонкой стенкой называют такую стенку, толщина которой не влияет на характер истечения жидкости <(1...1,5)d0.

Рис. 1. Схема истечения жидкости: а) через отверстие;

б) через внешний цилиндрический насадок

Расход жидкости через отверстие определяется по зависимости:

,200 gHSQ (8.1)

где 0S – площадь сечения отверстия;

0 – коэффициент расхода через отверстие, 0 =0,6...0,62;

H – полный приведенный напор перед отверстием, g

PHH

0

0 .

32

В технических системах требуется получение максимального расхо-да через сечение отверстия. Для увеличения расхода используют короткие патрубки различной конфигурации длиной (3...5) 0d , которые называют насадками.

На рис. 1б) изображена схема истечения жидкости через цилиндри-ческий внешний насадок.

В сечении сжатия струи будет максимальная скорость движения жидкости и, соответственно, пониженное давление. Вследствие этого происходит подсос жидкости из бака и дополнительный расход жидкости через отверстие.

Расход жидкости через насадки определяется по зависимости

,20 gHSQ H (8.2)

где H – коэффициент расхода через насадок. В гидравлических устройствах нашли применение различные типы

насадков (рис 8.2), которые позволяют получить эффект увеличения рас-хода или давления.

Рис. 2. Типы насадков:

а) цилиндрический внешний, 82,0H ;

б) цилиндрический внутренний, 71,0H ;

в) конический сходящийся (конфузор), 946,0H ;

г) коноидальный, 98,0H ;

д) конический расходящийся (диффузор), 5,0H


1. Включить подачу воды из водопровода и заполнить напорный бак 1 до

начала сброса воды через водослив. Вентиль 11 должен быть закрыт. 2. Установить насадок 12 в виде малого отверстия в тонкой стенке. От-

крыть вентиль 13 таким образом, чтобы при устойчивом расходе жид-кости через отверстие пьезометр 16 показывал напор 50H см. Изме-рить расход жидкости через отверстие при помощи мерного бака и се-кундомера. Данные внести в таблицу.

3. Повторить п. 2 для различных типов насадков. Данные измерений вне-сти в таблицу.

33

4. Рассчитать и сравнить коэффициенты расхода через отверстие и насад-ки.

5. Сравнить опытные коэффициенты расхода со справочными данными (рис. 2).

6. Оформить отчѐт лабораторной работы. Отчѐт должен содержать цель работы, таблицу измерений и результатов расчѐта, выводы.

Контрольные вопросы 1. В чем отличие процессов истечения жидкости через отверстие и через

насадки? 2. Какие виды насадков вам известны и для чего они применяются? 3. От каких параметров зависит расход жидкости через отверстие и через

насадки? 4. Объясните причину отличия коэффициентов расхода для различных

типов насадков. 5. Конфузор заменили на коноидальный насадок. Как изменится величина

расхода?

34

Отчѐт по лабораторной работе № 8 Истечение жидкости из отверстий и насадков

Цель работы: __________________________________________________ _______________________________________________________________

Данные измерений и результатов расчѐтов коэффициентов расхода

Параметры

Типы насадков тонкая

стенка

Ци-

линдр

внеш-

ний

ци-

линдр

внут-

ренний

кон-

фу-

зор

конои-

даль-

ный

диф-

фу-

зор

Высота воды в мерном баке, см

Объем воды в мерном баке, см3

Время наполнения контрольного объѐма, с

Расход жидкости, см3/с

Напор перед отверстием (насадком), см

Диаметр отверстия, см

Площадь сечения отверстия, см2

Опытное значение коэффициента расхода

Справочное значение коэффициента расхода

Выводы: _______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________________________________


35

СОДЕРЖАНИЕ

Порядок работы в лаборатории «Гидравлика» ....................................................... 3

Лабораторная работа № 1. Изучение конструкции лабораторного стенда ......... 4

Лабораторная работа № 2. Тарирование расходомера Вентури ........................... 8

Отчѐт по лабораторной работе № 2 ....................................................................... 11

Лабораторная работа № 3. Исследование режимов движения жидкости .......... 12


Лабораторная работа № 4. Определение коэффициента гидравлического трения в трубопроводе ............................................................................................ 15


Лабораторная работа № 5. Определение коэффициентов местных гидравлических сопротивлений ............................................................................ 18


Лабораторная работа № 6. Исследование уравнения Бернулли ......................... 22


Лабораторная работа № 7. Экспериментальное определение характеристики трубопровода ............................................................................................................ 27


Лабораторная работа № 8. Истечение жидкости из отверстий и насадков ....... 31


Отметка выполнения лабораторных работ

Дата № лабораторной работы Подпись

преподавателя









36

Лабораторные работы по курсу «Гидравлика»

Руководство по выполнению и журнал лабораторных работ

Составитель Проценко Григорий Григорьевич

Редактор Л.Л. Шигорина

Компьютерная верстка Е.А. Ляшевской

Подписано в печать 16.03.04. Формат 60х84 1/16.

Бумага офсетная. Печать офсетная.

Уч.-изд. л. 2,5. Усл. печ. л. 2,1.

Тираж 140 экз. Заказ 117.

Цена договорная

Отпечатано в Издательском центре ЧИПС

454111 Челябинск, ул. Цвиллинга, 56

Documents

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ по курсу «Гидравлика»chirt.ru/download/student/vpo/TTP/labs.pdfвается поток жидкости через исследуемые