Лабораторный практикум по гидравлике. Гидравлика лабораторные

Вид жидкости

r ,
см

W ,
см 3

ΔТ ,
К

l ,
см

ΔW ,
см 3

β Т ,
К -1

β Т * ,
К -1

Спирт

Инженерно-физический факультет высоких технологий

Кафедра физических методов в прикладных исследованиях

М.В. Вяльдин

Методические указания

к лабораторному практикуму по гидравлике

Учебно-методическое пособие

Ульяновск

УДк 532.5 (075.8)

ББк 30.123 я73

Печатается по решению Ученого совета инженерно-физического факультета высоких технологий Ульяновского государственного университета

Рецензенты:

Доктор технических наук, профессор кафедры нефтегазового дела и сервиса П.К. Германович

Кандидат физико-математических наук, доцент кафедры физических методов в прикладных исследованиях Ю.Н. Зубков

Вяльдин М.В.

В 99 Методические указания к лабораторному практикуму по гидравлике. – Ульяновск: УлГУ, 2014.- 48с.

Практикум по гидравлике предусматривает выполнение 9 лабораторных работ, две из которых направлены на изучение устройства и принципа действия двух лабораторных стендов «Гидростатика» и «Гидродинамика», остальные охватывают практическое определение гидростатического давления, плотности неизвестной жидкости, силы давления на горизонтальные и вертикальные стенки сосуда, гидравлического сопротивления по длине трубы и на внезапном расширении; исследование потока жидкости при истечении в трубах Вентури и визуальное наблюдение ламинарного и турбулентного режимов течения одномерного потока жидкости.

Методическое пособие предназначено для студентов инженерно-физического факультета высоких технологий.

Ульяновский государственный университет, 2014

Вяльдин М.В., 2014

Введение……………………………………………………………………...4

Измерения, погрешности измерений и представление экспериментальных данных……………………………………………………………………………….4

Лабораторная работа №1

Изучение лабораторного стенда «ГИДРОСТАТИКА ГС» …………………8

Лабораторная работа №2

Определение гидростатического давления …………………………………..11

Лабораторная работа №3

Определение плотности неизвестной жидкости …………………………......14

Лабораторная работа №4

Определение силы давления жидкости на плоские стенки ………………..17

Лабораторная работа №5

Изучение лабораторного стенда «ГИДРОДИНАМИКА ГД» ………………21

Лабораторная работа №6

Определение потерь напора в круглой трубе ………………………………...28

Лабораторная работа №7

Определение потерь напора на внезапном расширении ………………….....34

Лабораторная работа №8

Экспериментальное построение диаграмм Бернулли ………………………..39

Лабораторная работа №9

Наблюдение режимов течения и определение параметров потока…. …….43

Введение

Гидравлика как наука является одной из важнейших в плане практического применения знаний как на производстве, так и в быту, и современный инженер обязан знать методы исследования гидравлических явлений и диагностики состояния трубопроводов. Поэтому студенты должны знать устройство различных измерителей давления, плотности, вязкости, расхода жидкостей, а также единицы измерения этих величин, причем как в системах единиц измерения в СИ и СГС, так и во внесистемных единицах измерения.

Для расчета многих исследуемых величин важно уметь пользоваться Интернет-ресурсами для поиска соответствующих табличных данных (например, кинематическую вязкость во многих случаях путают с динамической вязкостью, т.к. не знают формулы связи между этими величинами и соответственно не обращают внимания на единицы измерения и приставки, указанные в таблицах). Снятие показаний гидравлических приборов тоже представляет некоторые трудности: например, показания ротаметров даются в делениях, а чтобы перевести эти показания в систему СИ, необходимо уметь пользоваться графиком зависимости расхода (в делениях) от расхода (в литр/час).

При выполнении лабораторных работ следует помнить, что часть соединительных труб в стенде «Гидростатика» являются открытыми, и изменение давления (избыточного и вакууметрического) производить плавно и с учетом инерционности жидкости.

Измерения, погрешности измерений и представление экспериментальных данных.

В лаборатории гидравлики производят прямые и косвенные измерения. Под измерением понимают сравнение измеряемой величины с другой величиной, принятой за единицу измерения.

При прямых измерениях (например, температуры, давления и др.) пользуются измерительными приборами (термометр, манометр), проградуированными в соответствующих единицах измерения.

При косвенных измерениях искомая величина определяется из результатов прямых измерений других величин, которые связаны с измеряемой величиной определенной функциональной зависимостью (например, P = P 0 +ρgh, ρ = m/V, ρ = P/gh).

При измерении любых величин выполняют три последовательные операции:

выбор, проверку и установку приборов (в нашем случае стенды к работе готовит техник-инженер);

наблюдение показаний и их отсчет для каждого режима;

вычисление искомой величины из результатов измерений и проведение оценки погрешности.

Истинное значение измеряемой величины абсолютно точно определить нельзя. Каждое измерение дает значение определенной величины X с некоторой погрешностью ∆X, называемой абсолютной погрешностью.

Погрешности измерений бывают: систематические, случайные и промахи.

Систематической называют такую погрешность, которая остается постоянной или закономерно изменяется при проведении повторных измерений одной и той же величины. В любом измерительном приборе имеется та или иная систематическая погрешность, которую невозможно устранить, но которую можно учесть.

Случайные погрешности – ошибки, появление которых невозможно предупредить. Обычно их учитывают при многократных измерениях и они подчиняются статистическим закономерностям.

Промахи и грубые погрешности это чрезмерно большие ошибки, явно искажающие результат измерения.

При лабораторном методе измерений делают несколько измерений величины и вычисляют среднее арифметическое полученных значений, в отличие от технического метода, в котором допускается однократное измерение исследуемой величины.

Источниками погрешностей могут быть: средства измерения (инструментальная погрешность), наблюдатель (погрешности отсчета), окружающая среда (средовая погрешность), методика измерения и техника обработки результата (погрешность математической обработки). Суммарная погрешность ∆Х при прямых измерениях определяется после нахождения случайной погрешности и оценки систематической погрешности.

В простейших случаях ∆Х (абсолютная погрешность) определяется погрешностью измерительных приборов. Например, для манометра абсолютная погрешность принимается равной половине цены наименьшего деления. Цена деления определяется отношением разности ближайших цифровых значений величин на шкале прибора к числу делений между ними.

Чтобы оценить точность косвенных измерений определяют сначала относительную погрешность

ε = ∆X/Xср.,

где Хср. – среднее арифметическое значений величины, тогда запись результатов измерений будет следующей:

Х = Хср. ± ∆Х,

а ∆Х определяется через относительную погрешность ε, которая находится по правилу дифференцирования. В таблице 1(см. Приложение) приводятся формулы расчета относительной погрешности величин по наиболее часто встречающимся функциональным зависимостям. Приведем некоторые случаи расчета относительной погрешности косвенных измерений величины Y:

Пусть функция задана выражением Y = A + B, а абсолютные погрешности измерений ∆A, ∆B, тогда

Y +∆Y = (A ± ∆A) + (B ± ∆B), следовательно, ∆Y = ∆A +∆B, тогда относительная погрешность будет определяться так

∆Y/Y = ∆Y/(A+B) = (∆A +∆B)/(A + B);

Если Y = A * B, тогда ∆Y/Y = ∆A/A + ∆B/B, или ε Y = ε A + ε B .

Если в расчетные формулы входят константы, например, число π = 3, 14 какие-то физические постоянные величины, например, g = 9,83 м/с 2 , табличные данные, то они берутся с такой точностью, чтобы число значащих цифр после запятой в них было на единицу больше, чем число значащих цифр в значениях измеряемых величин.

Пример расчета относительной погрешности измерения абсолютного давления. Исходная формула: Р = Р 0 + ρgh, значит функциональная зависимость аналогична Y =A +B, т.е.

∆P/P = (∆P 0 +∆(ρgh))/ (P 0 + ρgh), где

∆(pgh) рассчитывается по примеру второй функциональной зависимости

∆(ρgh)/ρgh = ∆p/p + ∆g/g +∆h/h, откуда

∆(ρgh) = (εp + εh)*ρgh.

Правила вычисления погрешностей и представление экспериментальных данных. Так как точность определяемой физической величины определяется измерением, а не вычислением, то округление числового значения результата измерения производят до цифры того же порядка, что и значение погрешности.

Лишние цифры у целых чисел заменяются нулями, а у десятичных дробей отбрасываются. Пример: (103221 ± 245)Па – до округления;

(103220 ± 250)Па – после округления при расчете давления жидкости.

Если заменяемые нулем или отбрасываемые цифры меньше 5, то остающиеся цифры не изменяются. А если эта цифра больше 5. То последующие остающиеся цифры увеличиваются на единицу. Пример: (846,45 ± 0,13)кг/м 3 – до округления; (846,5 ± 0,1) кг/м 3 – после округления при расчете плотности неизвестной жидкости.

Если заменяемая нулем или отбрасываемая цифра равна 5 (с последующими нулями), то округление производится так: последняя цифра в округляемом числе остается без изменения. Если она четная, и увеличивается на единицу, если нечетная. Пример: (184, 256 ± 0,127)Н – до округления; (184,26 ± 0,13)Н или

(184,3 ± 0,1) - после округления при расчете силы давления жидкости на плоские горизонтальные и вертикальные стенки.

При представлении окончательного результата измерений удобно применять запись численного значения в виде десятичной дроби, умноженной на необходимую степень числа 10. Например, при записи значения атмосферного давления: 101 239 Па = 101,239 *10 3 Па =101,24 кПа.

В большинстве случаев экспериментального изучения гидравлических явлений целесообразно представить полученные зависимости в виде графика. Сопоставляя теоретическую кривую с экспериментальной, выявляют согласуются ли результаты опыта с ожидаемой величиной. В некоторых случаях предлагается наложение экспериментального участка графика на теоретическую кривую. При этом следует учесть поведение участка кривой именно в тех пределах измеряемой величины, которые отображены на теоретической кривой. Для удобства выбранный масштаб при построении экспериментальной зависимости должен совпадать с масштабом теоретической зависимости. Например, при наложении графика зависимости гидравлического сопротивления от числа Re на график Мурина, экспериментальный участок составляет всего лишь десятую долю теоретической кривой (а их целое множество на графике Мурина). Поэтому правильное совпадение экспериментального участка с одной из этих кривых позволит в продолжении этой кривой определить эквивалентную относительную шероховатость внутренней поверхности трубы.

Экспериментальные точки на миллиметровой бумаге представляют в виде крестиков и кривую проводят не по всем точкам, а в пределах погрешностей, чтобы выше и ниже этой кривой количество точек по их суммарному удалению от экспериментальной линии было примерно одинаковым. Общий вид экспериментальной кривой должен быть аналогичен виду теоретической зависимости или виду соответствующей части теоретической кривой.

Лабораторная работа №1

ИЗУЧЕНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА «ГИДРОСТАТИКА ГС»

Цель работы: изучить устройство и принцип действия лабораторного стенда «Гидростатика»; записать формулу для определения абсолютного давления, записать формулу для определения избыточного давления с помощью батареи пьезометров; знать плотность жидкостей в пьезометрах; определить цену деления пьезометров и манометров; выразить их значение в системе СИ.

Краткая теория.

Стенд состоит из рабочего стола 1 (рис.1), закрепленных на нем бака 2 и щита 3 с батарейным мановакуумметром П3. Рядом со столом закреплен щит настенных пьезометров 4. Бак на ¾ заполнен рабочей жидкостью. С помощью компрессора 5 и пылесоса 6, находящихся на нижней полке стола, под крышкой бака может быть создано избыточное или вакуумметрическое давление. Необходимый режим обеспечивается блоком управления 7 и кранами В1 и В2. Давление воздуха в баке регистрируется механическими приборами- манометром МН1 и вакуумметром ВН. На лицевой и боковой стенках бака расположены фланцы, к которым через сильфоны 8 крепятся две испытуемые плоские стенки 9 – вертикальная и горизонтальная. На фланцах закреплены линейки со шкалами, служащие для определения перемещения стенок. Колена батарейного мановакуумметра П3 заполнены жидкостью (в общем случае жидкости могут быть различными). Левый конец батарейного мановакуумметра заполнен воздухом и соединен с верхней частью бака, а правый - открыт в атмосферу (рис. 2).

На настенном щите пьезометров 4 размещены пьезометр П1, подключенный к заполненной рабочей жидкостью части бака, и U-образный мановакуумметр П2, заполненный исследуемой жидкостью с неизвестной плотностью. Один конец мановакуумметра П2 подсоединен к верхней (воздушной) части бака, а второй выведен на механический прибор – манометр МН2.

Краны В5 и В3 служат для блокирования мановакуумметра П2 при проведении опытов на давление или вакуум, превосходящие пределы измерения этого жидкостного прибора. Краны В8 и штуцер 10 используются для заполнения бака рабочей жидкостью и опорожнения его.

Рис. 1. Лабораторный стенд «Гидростатика ГС».

Лабораторный стенд «ГС» предназначен для выполнения лабораторных работ № 2.3.4 по определению гидростатического давления, плотности неизвестной жидкости и силы давления жидкости на плоские вертикальные и горизонтальные стенки.

Контрольные вопросы.

Для чего предназначен лабораторный стенд «Гидростатика ГС»?

На чем основан принцип действия стенда?

Перечислите основные элементы лабораторного стенда.

Какие измерители давления используются в стенде?

Какова цена деления шкалы батареи пьезометров?

Чему равна цена деления шкалы настенных пьезометров?

Рис. 2. Гидравлическая схема стенда «Гидростатика ГС».

Чему равна цена деления механических манометров? Выразите эту величину в системе СИ.

Какая жидкость налита в батарее пьезометров? Укажите ее плотность.

Какие жидкости налиты в настенных пьезометрах? Укажите чему равна плотность жидкости в пьезометре П1.

Какой жидкостью и до какого уровня заполнен бак? Почему?

Как определяется избыточное и мановакууметрическое давления в баке батареей настольных пьезометров? Напишите формулу.

Укажите два основных режима работы стенда. Какие приборы используются для создания этих режимов и где они расположены?

Какие методы определения гидростатического давления являются наиболее точными.

Лабораторная работа №2

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГИДРОСТАТИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ.

Цель работы - освоение студентами способов измерения гидростатического, избыточного и вакуумметрического давлений в двух режимах.

При подготовке к работе, в процессе выполнения работы и при обработке результатов опытов студент должен:

Ознакомиться с различными приборами для измерения давления;

Определить гидростатическое давление тремя способами в двух режимах;

Определить давление под крышкой бака по показаниям пьезометра и батарейного мановакуумметра и сравнить их с показаниями механического прибора в двух режимах;

Определить абсолютную погрешность измерения гидростатического давления всеми тремя способами для всех режимов.

Лабораторные работы по гидравлике - раздел Образование, Министерство Сельского Хозяйства Российской Федерации...

Кафедра природообустройства,

строительства и гидравлики

ОПД.Ф.03 Гидравлика

Опд.ф.02.05 гидравлика

ОПД.Ф.07.01 Гидравлика

ОПД.Ф.08.03 ГИДРАВЛИКА

ОПД.Ф.07 Гидравлика и гидромашины

ОПД.Р.03 ПРИКЛАДНАЯ ГИДРОМЕХАНИКА

ОПД.Ф.08 ГИДРОГАЗОДИНАМИКА

Лабораторные работы по гидравлике

Методические указания

Лабораторная работа №1

ИЗМЕРЕНИЕ ОСНОВНЫХ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ

ХАРАКТЕРИСТИК ЖИДКОСТИ

Общие сведения

В лабораторной практике и производственных условиях измеряют следующие параметры: уровень, давление и расход жидкости.

Измерение уровня. Простейшим прибором является стеклянная трубка, соединенная с нижним концом с открытым резервуаром, в котором определяется уровень. В трубке и резервуаре, как в сообщающихся сосудах, положение уровня жидкости будет одинаковым.

Широкое применение получили поплавковые уровнемеры (в топливных баках, групповых автопоилках, различных технологических резервуарах). Рабочий орган прибора – поплавок - следует за измерением уровня жидкости, и соответственно меняются показания по шкале. Механическое перемещение поплавка (первичного датчика) вверх-вниз может быть преобразовано в электрический сигнал посредством реостата или катушки индуктивности и зафиксировано вторичным прибором. В этом случае возможна дистанционная передача показаний.

Из приборов, основанных на косвенных методах определения искомой величины, наибольший интерес представляет емкостный уровнемер. В нем в качестве датчика используется металлический электрод, покрытый тонким слоем изоляции из пластмассы. Система электрод-жидкость-резервуар при подключении тока образует конденсатор, емкость которого зависит от уровня жидкости. К недостаткам емкостных датчиков относят значительную зависимость показаний от состояния изоляции электрода.

Измерение давления. По назначению различат приборы для измерения атмосферного давления (барометры), избыточного давления (манометры – при р изб >0 и вакуумметры - при р изб <0), разности давлений в двух точках (дифференциальные манометры).

По принципу действия различают приборы жидкостные и пружинные.

В жидкостных приборах измеряемое давление уравновешивается столбом жидкости, высота которого служит мерой давления. Отличается простотой конструкции пьезометр, представляющий собой вертикальную стеклянную трубку, соединенную нижним концом с местом

измерения давления (рис.1.1а).

Рисунок 1.1 Жидкостные приборы:

а) пьезометр;

б) U – образная трубка

Величина давления в точке подключения определяется по высоте h подъема жидкости в пьезометре: р=rgh, где r - плотность жидкости.

Пьезометры удобны для измерения небольших избыточных давлений – порядка 0,1-0,2 ат. Функционально шире возможности у двухтрубных U – образных приборов (рис.1.1б), которые используются в качестве манометров, вакуумметров и дифференциальных манометров. Стеклянную трубку прибора можно заполнить более тяжелой жидкостью (например, ртутью). Жидкостные приборы имеют относительно высокую точность, применяются для технических измерений, а также градуировки и проверки других типов приборов.

В пружинных приборах измеряемое давление воспринимает упругий элемент (трубчатая пружина, мембрана, сильфон), деформация которого служит мерой давления. Широко распространены приборы с трубчатыми пружинами. В таком приборе нижний открытый конец трубки овального сечения (рис.1.2а) жестко закреплен в корпусе, а верхний (закрытый) конец свободен в пространстве.

Под действием давления среды трубка стремится разогнуться (если р>р ат) или, наоборот, еще более согнуться (если р<р ат). В показывающих приборах упругий элемент, перемещаясь, воздействует через передаточный механизм на стрелку и по шкале ведется отсчет измеряемого давления. В приборах с дистанционной передачей показаний механическое перемещение упругого элемента преобразуется в электрический (или пневматический) сигнал, который регистрируется вторичным прибором.

Рисунок 1.2 Пружинные приборы:

а) с трубчатой пружиной;

б) сильфонный; в) мембранный

По классу точности приборы с трубчатыми одновитковыми пружинами делят на:

Технические (для рядовых измерений – класс точности 1,5; 2,5; 4,0);

Образцовые (для точных измерений – класс точности 0,16; 0,25; 0,4; 0,6; 1,0);

Контрольные (для проверки технических приоров – класс точности 0,5 и 1,0).

Класс точности указывается на циферблате прибора; он характеризует предельную ошибку прибора в % от максимального значения шкалы при нормальных условиях (t=20°C, р=760 мм.рт.ст.).

Измерение расхода. Наиболее простой и точный метод определения расхода жидкости – объемный с использованием мерного сосуда. Измерение сводится к регистрации времени Т наполнения сосуда с известным объемом W. Тогда расход Q=W/Т. В производственных условиях в качестве измерителей количества жидкости W применяют различные объемные и скоростные счетчики (крыльчатые и турбинные). Метод позволяет определить осредненные во времени значения Q.

а ) б ) в )

Рисунок 2.5 Счетчики жидкости:

а − объемный с овальными шестернями; б − ротационный;

в − скоростной с крыльчатой вертушкой

Для измерений мгновенных расходов в напорных трубопроводах применяют различные типы расходомеров (рис.1.4). Удобны для

измерений расходомеры с сужающими устройствами. Принцип действия прибора основан на создании в потоке с помощью сужающего устройства (например, диафрагмы) перепада статических напоров и его измерения дифференциальным манометром (рис.1.4б). Расход жидкости определяется по тарировочному графику Q = f(h) или по формуле:

Q = mАÖ2gh, (2.2)

где m – коэффициент расхода сужающего устройства;

h – показание дифференциального манометра;

А – постоянная расходомера;

где D – диаметр трубопровода;

d – диаметр отверстия сужающего устройства.

Рисунок 1.4 Расходомеры жидкости:

а) постоянного перепада давления (ротаметр);

б) переменного перепада давления

(с сужающим устройством – диафрагмой);

в) индукционный

Цель работы

Ознакомиться с устройством, принципом действия и эксплуатацией приборов для измерения уровня, давления и расхода жидкости; усвоить методику тарирования расходомеров.

Прядок выполнения работы

Лабораторная работа №2

Экспериментальное изучение уравнения

Бернулли

Общие сведения

Для установившегося плавно изменяющегося движения реальной жидкости уравнение Бернулли имеет вид:

z 1 +, (2.1)

где z 1 , z 2 – высоты положения центров тяжести сечений 1и 2;

р 1 , р 2 – давления в сечениях;

u 1 , u 2 - средние скорости потока в сечениях;

a 1 ,a 2 - коэффициенты кинетической энергии.

С энергетической точки зрения:

z – удельная потенциальная энергия положения (геометрический напор);

Удельная потенциальная энергия давления (пьезометрический напор);

Удельная кинетическая энергия (скоростной напор).

Сумма z ++ = H выражает полную удельную энергию жидкости (полный напор).

Из уравнения (2.1) следует, что при движении реальной жидкости полный напор уменьшается вниз по течению (Н 2 <Н 1). Величина h 1-2 = Н 1 - Н 2 характеризует потери напора на преодоление гидравлических сопротивлений.

Уменьшение полного напора определенным образом отражается и на его составляющих – пьезометрическом и скоростном напорах. Характер изменения напоров в конкретной гидравлической системе представляет практический интерес и наглядно может быть изучен опытным путем.

Цель работы

Экспериментально подтвердить справедливость уравнения

Бернулли: установить характер изменения полного, пьезометрического и скоростного напоров при движении жидкости в исследуемом трубопроводе.

Методика опыта

Лабораторная работа может выполняться на специализированной установке и универсальном стенде.

В первом случае в контрольных сечениях экспериментального участка при установившемся движении жидкости измеряются пьезометрические и полные напоры, во втором – только пьезометрические, с последующим вычислением полных напоров.

По опытным данным строится график напоров и проводится анализ изменения вдоль потока составляющих уравнения Бернулли.

Описание опытной установки

Порядок проведения работы

Обработка опытных данных

Приводится анализ графика напоров. Дается заключение о характере изменения вдоль потока полного, пьезометрического и скоростного напоров с соответствующими пояснениями.

КонтРольные вопросы

1. В чем заключается физический смысл уравнения Бернулли?

2. Поясните понятия геометрического, пьезометрического и полного напоров?

4. Что показывают напорная и пьезометрическая линии?

5. Чем обусловлен характер изменения вдоль потока полного, пьезометрического и скоростного напоров?

6. За счет какой энергии движущейся жидкости преодолеваются гидравлические сопротивления?

Лабораторная работа №3

Изучение режимов движения жидкостей

Общие сведения

При движении жидкости в трубопроводе (канале) возможны два режима течения: ламинарный и турбулентный.

Ламинарный режим характеризуется слоистым, упорядоченным движением, при котором отдельные слои жидкости перемещаются относительно друг друга, не смешиваясь между собой. Струйка краски, введенная в ламинарный поток воды, не размывается окружающей средой и имеет вид натянутой нити.

Для турбулентного режима характерно неупорядоченное, хаотическое движение, когда частицы жидкости перемещаются по сложным, все время изменяющимся траекториям. Наличие в турбулентном потоке поперечных составляющих скорости обуславливает интенсивное перемешивание жидкости. Окрашенная струйка в этом случае самостоятельно существовать не может и распадается в виде завихрений по всему сечению трубы.

Опытами установлено, что режим движения зависит от средней скорости u, диаметра трубы d, плотности жидкости r и ее абсолютной вязкости m. Для характеристики режима принято использовать совокупность этих величин, составленных определенным образом в безразмерный комплекс – число Рейнольдса

где n = m/r - кинематический коэффициент вязкости.

Число Рейнольдса, соответствующее переходу ламинарного течения к турбулентному, называется критическим и обозначается Re кр. Следует подчеркнуть, что в силу неустойчивости течения жидкости на границе ламинарного и турбулентного режимов величина Re кр не является строго определенной. Для цилиндрических труб при движении воды с учетом условий входа потока, шероховатости стенок, наличия первоначальных возмущений Re кр =580-2000. В расчетах обычно принимают Re кр »2300.

При Re Re кр – турбулентный.

В большинстве технических приложений, связанных с движением маловязких сред (вода, воздух, газ, пар), реализуется турбулентный режим – системы водоснабжения, вентиляции, газоснабжения, теплоснабжения. Ламинарный режим имеет место в пленочных теплообменниках (при стекании конденсатной пленки под воздействием силы тяжести), при фильтрации воды в порах грунта, при движении вязких жидкостей по трубопроводам.

Цель работы

Визуальными наблюдениями установить характер движения жидкости при различных режимах; усвоить методику расчетного определения режима давления; для опытной установки определить критическое число Рейнольдса.

Описание опытной установки

Лабораторная установка (рисунок 3.1) включает напорный резервуар, трубопровод (с прозрачным участком – для визуального наблюдения), сосуд с красителем, мерный бак.

Сосуд с красителем закреплен с помощью штатива на стенке напорного резервуара и снабжен трубкой для подачи красителя в движущийся в трубопроводе поток воды. Расход задается регулирующим вентилем и определяется с помощью мерного бака.

Порядок выполнения работы

Обработка опытных данных

Анализ результатов. Выводы по работе

Приводится анализ визуальных наблюдений за характером движения жидкости при различных режимах. Отмечается значение критического числа Рейнольдса для опытной установки и результаты расчетного определения режима.

Контрольные вопросы

1. Какие режимы течения жидкости вы знаете?

2. Поясните методику опытного определения режима течения.

3. В чем принципиальное отличие турбулентного режима от ламинарного?

4. Как находится режим течения расчетным путем?

5. Дайте определение критического числа Рейнольдса.

6. Приведите примеры технических систем (устройств), в которых имеет место: а) ламинарный режим; б) турбулентный режим.

Лабораторная работа №4

Определение коэффициента гидравличсекого

Трения

Общие сведения

Равномерно движущийся в трубе (канале) поток жидкости теряет часть энергии вследствие трения о поверхность трубы, а также внутреннего трения в самой жидкости. Эти потери носят название потерь напора по длине потока или потерь напора на трение.

В соответствии с уравнением Бернулли потери напора по длине горизонтальной трубы постоянного диаметра

h дл = , (4.1)

где – пьезометрические напоры в рассматриваемых сечениях.

Опыты показывают, что потери напора по длине пропорциональны безразмерному коэффициенту l, зависят от длины l и диаметра d трубопровода, средней скорости движения u. Указанная зависимость устанавливается известной формулой Дарси-Вейсбаха

h дл = . (4.2)

Коэффициент l, характеризующий сопротивление трения, в общем случае зависит от числа Рейнольдса Re и относительной шероховатости стенок трубы D/d (здесь D - абсолютный размер выступов шероховатости). Однако влияние этих величин на коэффициент l при ламинарном и турбулентном режимах различно.

При ламинарном режиме шероховатость не оказывает влияния на сопротивление трения. В этом случае l = f(Re) и расчет выполняют по формуле

l = 64/Re. (4.3)

При турбулентном режиме влияние Re и D/d обусловлено значением числа Рейнольдса. При сравнительно малых Re, также как и при ламинарном режиме, коэффициент l является функцией только числа Рейнольдса Re (область гидравлически гладких труб). Для расчета здесь применимы формулы Г. Блазиуса при Re£10 5:

l = 0,316/Re 0.25 , (4.4)

и формула г.К. Конакова при Re£ 3×10 6:

В диапазоне умеренных чисел Рейнольдса l = f(Re,) и хорошее совпадение с опытом дает формула А.Д. Альтшуля:

При достаточно больших значениях Re (развитый турбулентный поток) влияние вязкого трения несущественно и коэффициент l = f(D/d) – так называемая область вполне шероховатых труб. В этом случае расчет можно выполнить по формуле Б.Л. Шифринсона:

Приведенные выше и другие известные эмпирические формулы для определения коэффициента гидравлического трения получены путем обработки экспериментальных графиков. Сравнивая результаты вычисления l по этим формулам с опытными значениями, можно оценить достоверность проводимых опытов.

Цель работы

Усвоить методику опытного определения коэффициента гидравлического трения; для условий проведения опыта установить зависимость коэффициента гидравлического трения от режима течения жидкости и сравнить полученные результаты с расчетами по эмпирическим формулам.

Методика опыта

Коэффициент гидравлического трения определяется косвенным методом с использованием формулы Дарси-Вейсбаха (4.2). При этом непосредственно из опыта находят потери напора h дл – по разности пьезометрических напоров в начале и конце исследуемого участка трубопровода, и скорость движения u по расходу жидкости Q.

Зависимость l = f(Re) устанавливается путем проведения опытов при различных режимах движения жидкости и построения соответствующего графика.

Описание опытной установки

Лабораторная установка (рисунок 4.1) включает напорный резервуар, экспериментальный трубопровод и мерный бак.

Экспериментальный трубопровод – горизонтальный, постоянного сечения (l = 1,2 м, d = 25 мм). На участке определения потерь напора имеются два ниппеля статического давления, которые с помощью резиновых шлангов соединены с пьезометрами. За измерительным участком смонтирован вентиль для регулирования расхода воды.

Порядок проведения работы

Обработка опытных данных

Анализ результатов. Вывод по работе

Лабораторная работа №5

Определение коэффициента местного

Сопротивления

Общие сведения

В реальных гидравлических системах движущаяся жидкость теряет механическую энергию на прямолинейных участках труб, а также в арматуре и фасонных частях, других местных сопротивлениях. Потери энергии на преодоление местных сопротивлений (так называемые местные потери напора) обусловлены частично трением, но в большей степени деформацией потока, отрывом его от стенок, возникновением интенсивных вихревых течений.

Местные потери напора определяют расчетом по формуле Вейсбаха:

h м = z м (u 2 /2g), (5.1)

где z м - коэффициент местного сопротивления; показывающий какая часть скоростного напора расходуется на преодоление сопротивления.

Величина z м в общем случае зависит от вида местного сопротивления и режима течения. Опытные значения коэффициента для квадратичной области турбулентного режима приводятся в справочных таблицах.

Цель работы

Усвоить методику опытного определения коэффициента местного сопротивления; определить опытным путем коэффициент z м для исследуемого местного сопротивления, установить зависимость его от числа Рейнольдса и сравнить полученные данные с табличными.

Методика опыта

Описание опытной установки

Установка для опытного определения коэффициента местного сопротивления (рисунок 5.1) включает напорный резервуар, трубопровод с исследуемым местным сопротивлением и мерный бак. На трубопроводе перед местным сопротивлением и за ним установлены ниппели статического давления, которые с помощью резиновых шлангов соединены с пьезометрами. Для регулирования расхода воды имеется вентиль.

Порядок проведения работы

Обработка опытных данных

Анализ результатов

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным для Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Министерство образования и науки РТ

ГАПОУ “Лениногорский нефтяной техникум ”

Практическая работа №1

Тема :

“Гидравлические расчеты на применение основных законов гидростатики ”.

ОП 12 Гидравлика

Специальность 21.02.01. «Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений»

Специальность 21.02.02. «Бурение нефтяных и газовых скважин»

Курс II

Разработал преподаватель специальных дисциплин

М. И. Брендюрева

Лениногорск, 2016

Цель работы : Уметь применять законы гидростатики для решения практических задач.

Оснащение урока : методические указания, калькуляторы, тетрадь, ручка.

Методические указания: при решении задач, сначала необходимо изучить раздел “Гидростатика” – основные понятия, вывод основного уравнения гидростатики, давление жидкости на плоские и криволинейные поверхности. Решение задач производим в соответствии со своим вариантом по списку.

Вариант 1

Задача 1

Необходимо определить избыточное давление в самой глубоководной части Мирового океана (на дне Мариинской впадины), если ее глубина h , а средняя плотность воды.

Задача 2

В резервуаре на водяной подушке хранится керосин. Слой воды высотой h 1 , слой керосина h 2 . Плотность керосина. Определить силу давления на дно.

Данные

Варианты

h + №, м

11000

9000

30 00

45 00

65 00

1040

1020

1030

1040

1035

h 1 + 0,2*№, м

0,45

h 2 , м

Кг/м 3

h , м

D + 0,3*№, м

ρ , кг/м 3

1230

1200

1250

1300

1210

ВУ + №, 0 Е

H + №, м

Р 0 , 10 5 , Па

0,15

0,18

B , м

ρ ж , кг/м 3

1100

Задача 3

Определить силу давления на дно вертикального цилиндрического резервуара, если резервуар диаметром d , заполнен нефтью до высоты h , плотность нефти 900 кг/м 3 .

Задача 4.

Условная вязкость битумной эмульсии при температуре 20 0 С ВУ 0 Е, плотность равна ρ. Определить динамическую вязкость битумной эмульсии при той же температуре.

Задача 5

h 0 , ширина стенки b , плотностью жидкости ρ ж .

Вариант 2

Задача 1

Определить избыточное давление в забое скважины глубиной h , которая заполнена глинистым раствором плотностью 1250 кг/м 3 .

Задача 2

Определить давление, которое испытывает стенка сосуда, заполненного водой, на глубине h от поверхности.

Задача 3

Прямоугольный открытый резервуар предназначен для хранения V воды. Определить силы давления на стенки и дно резервуара, если ширина дна b , а длина.

Задача 4

В резервуар залито V нефти плотностью 800 кг/м 3 . Сколько необходимо залить нефти плотностью 824 кг/м 3 , чтобы плотность смеси стала равной 814 кг/м 3 .

Задача 5

Построить эпюру гидростатического давления жидкости для вертикальной стенки, если высота смоченной поверхности Н, до половины высоты на стенку действует жидкость с плотностью ρ 1 , а на вторую половину действует жидкость с плотностью ρ 2 .

Данные

Варианты

H + №, м

H + 0,1*№, м

V + №, м 3

V + №, м 3

Н + №, м

ρ 1 , кг/м 3

ρ 2 , кг/м 3

1100

1000

1100

1200

1000

Вариант 3

Задача 1

Определить давление на внутреннюю стенку открытого канала, заполненного водой, на глубине h от поверхности, если известно, что барометрическое давление равно Р.

Задача 2

Открытый вертикальный резервуар квадратного сечения со стороной а, заполнен водой до высоты Н. Определить, полное давление воды на боковую стенку и на дно резервуара.

Задача 3

Расширяющийся к низу открытый резервуар отстойник имеет дно площадью 1 м 2 , уровень осевшей воды равен h 1 , уровень нефти h 2 . Определить силу давления на дно резервуара, если ρ Н =900 кг/м 3 , ρ В =1000 кг/м 3 .

Задача 4

При испытании прочности баллона он был заполнен водой при давлении Р. Через некоторое время в результате утечки части воды через неплотности, давление в баллоне снизилось вдвое. Диаметр баллона d , высота h . Определить объем воды, вытекший при испытании.

Данные

Варианты

h , м

Р + 10*№, мм. рт. ст.

a , м

H, м

h 1 , м

h 2 , м

Кг/м 3

Р, кгс/см 2

d , мм

H , мм

1200

1000

1200

1300

H , м

Р 0 , 10 5 , Па

0,11

0,13

0,11

0,08

0,07

B , м

ρ ж , кг/м 3

1000

1200

Задача 5

Построить эпюру гидростатического давления для плоской стенки, графически определить силу давления жидкости на стенку и место ее приложения, если высота смоченной поверхности h , давление на свободную поверхность жидкости Р 0 , ширина стенки b , плотностью жидкости ρ ж .

Вопросы для самоконтроля:

1. Объясните, что называется гидростатическим, вакуумным и избыточным давлением, в каких единицах оно измеряется.

2. Объясните, как записывается основной закон гидростатики.

3. Объясните, как определяется результирующая силы давления на плоскую стенку.

4. Объясните, как определяется результирующая силы давления на криволинейную поверхность.