Описание установки и расчетные формулы

Порядок проведения работы

В ходе лабораторной работы студенты знакомятся с устройством измерительных приборов, делают эскизную зарисовку каждого прибора с описанием деталей приборов и инструментов.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2

ИЗМЕРЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ, ХАРАКТЕРИЗУЮЩИХ РАБОТУ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ И АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Цель работы- овладение навыками работы с приборами, используемыми для определения основных параметров потоков жидкости и газа.

Приборы и инструменты: 1-установка для измерения давления и определения расхода в воздухопроводе, рис.6а; 2- установка для определения напоров и расхода в водопроводе, рис.6б; 3- микроманометр, манометр; 4- диафрагма.

Для проведения измерения давлений используется установка, схема которой показана на рис. 6а.

При движении воздуха по воздухопроводу рассматривают следующие давления: статическое -P_ст, динамическое -P_д, полное -P_п.

Статическое давление есть потенциальная энергия потока, действующая по нормали к стенке канала.

Динамическое давление есть кинетическая энергия потока. Динамическое давление связано со скоростью выражением

.

Полное давление есть сумма статического и динамического давлений:

.

Чтобы измерить статическое давление, необходимо полость воздухопровода сообщить с соответствующим типом манометра (микроманометра). Для этого в стенке трубопровода делается отверстие диаметром 0,5-1,0 мм, к нему припаивается штуцер, который соединяется шлангом с манометром или микроманометром.

Для измерения полного и динамического давления используется трубка Прандтля. Если поместить в поток такую трубку навстречу потоку, то подключенный микроманометр к штуцеру со знаком + измерит полное давление потока P_п.

При одновременном подсоединении штуцеров трубки + к + микроманометра и штуцера трубки - к - микроманометра, получим значение динамического давления.

По значению динамического давления вычисляем скорость потока:

Следует иметь в виду, что динамическое давление потока, измеренное пневмометрической трубкой, соответствует скорости только в данной точке потока. Для определения средней скорости можно использовать два метода.

Первый - пневмометрическая трубка устанавливается по оси трубопровода. Измеряется динамическое давление P_д,а затем по выше указанной формуле находим скорость потока на оси. Далее вычисляем критерий и по графической зависимости (рис. 7) определяем среднюю скорость потока.

Второй -точное и не зависимое от характера потока измерение скорости получается при разбивке сечения воздухопровода на несколько участков, для каждого из которых измеряется своя скорость. Средняя скорость вычисляется как среднеарифметическое значение измеренных скоростей по выражению

.

Для круглых воздухопроводов сечение разбивается на n участков с окружностями, радиус которых вычисляется по формуле

,

где R- радиус воздухопровода.

Прямоугольный канал разбивается на несколько равных по площади участков. Скорость измеряют в центре каждого участка. Зная значения средней скорости потока,не представляет большого затруднения определить расход:

,

Кроме указанных методов определения скоростей и расходов существуют косвенные методы с использованием диафрагмы или трубки Вентури.

Схема установки для определения расхода посредством диафрагмы приведена на рис. 6б.

Сужение при помощи диафрагмы достигается установкой в трубопроводе диаметром D_тр тонкого диска с концентрическим отверстием определенного диаметра D_д и профиля.

Формулы для подсчета расхода жидкости имеют вид:

м³/с или м³/с,

где r-плотность жидкости, кг/м³; m- коэффициент расхода диафрагмы,см. рис.7. D_д -диаметр отверстия диафрагмы, м; P₁ и P₂ или h₁ и h₂ - соответственно, давление, Па, или напор, м, до и после диафрагмы.

а б

Рис. 6а. Установка для измерения давления и расхода в воздухопроводе: 1-вентилятор; 2-воздухопровод; 3-микроманометр; 4-регулятор расхода; 5-пневмометрическая трубка; 6- термометр

Рис. 6б. Установка для измерения напора и расхода в водопроводе: 1-напорный бак;2- вентиль;3-диафрагма;4- водомер;5-пьезометры

Порядок выполнения работы. Установка №1. Метод 1 1. Запускаем вентилятор - 1. 2.Подсоединяем микроманометры - 3. 3.Замеряем полное,статическое и динамическое давление как на всасывающей, так и на нагнетательной части сети воздухопроводов. 4. По динамическому давлению на оси воздухопровода вычисляем скорость и значение числа Re. По графику рис.7 находим среднее значение скорости и по средней скорости рассчитываем расход.

Рис.7.Зависимость между режимом движения жидкости и относительной скоростью потока в круглой трубе

Установка №1. Метод2. 1 - Разбиваем сечение воздухопровода на равновеликие части и производим замеры динамического давления по отдельным участкам. 2.Вычисляем значения скоростей по отдельным участкам и среднюю скорость течения воздуха в воздухъопроводе.3.Вычисляем расход воздуха. 4.Сравниваем полеченные значения средних скоростей и расходов по методу 1 и методу 2. 5.Вычисляем погрешность измерений по методу 1 и 2.

Установка №2. 1.Замеряем перепад давления на диафрагме - 3.2.Вычисляем значение расхода в трубопроводе. 3.Все замеры проводятся не менее трех раз.

Опытные и расчетные значения заносятся в таблицу 1.

Таблица 1

Наименование	Обозначение	Размерность	Установка 1	Установка 2
			Номер наблюдения	Номер наблюдения
			1 2 3 4....	1 2 3 4....
Перепад давле­ния на диафраг­ме P=P1-P2	P	Па
Перепад напо­ров на диафраг­ме h=h1-h2	h	м вод. ст.
Коэффициент расхода	m
Коэф. кинемати­ческой вязкости	n	м^2/c
Число Re
Диаметр трубопровода	Dтр	м
Диаметр воздухопровода	Dвоз	м
Диаметр диафрагмы	Dд	м
Локальная скорость	Vi	м/с
Средняя скорость	V ср	м/c
Объемный расход	L, Q	м^3/c
Массовый расход	G	кг/c
Погрешность измерений	E	%
Статическое давление	Pст	Па
Динамическое давление	Pд	Па
Полное давление	Pп	Па

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ВЯЗКОСТИ ЖИДКОСТИ

Цель работы. Определение динамического кинематического коэффициента вязкости воды.

Приборы и инструменты. 1.Установка для измерения вязкости. 2.Секундомер. 3.Мерный сосуд.

Основные расчетные формулы и описание установки. Вязкостьюназывается свойство жидкости оказывать сопротивление сдвигу. Вязкость различных жидкостей характеризуется динамическим или кинематическим коэффициентами вязкости, связь между ними описывается зависимостью:

C увеличением температуры вязкость капельной жидкости уменьшается, а у газов увеличивается. Зависимость коэффициента динамической вязкости от температуры определяет формула Пуазейля:

,

где t- температура воды в градусах по Цельсию.

Используя формулу Гагеля -Пуазейля можно определить коэффициент динамической вязкости в зависимости от потери напора в трубке малого размера:

где Q-объемный расход жидкости, м³/c; r- радиус трубки, м; l- длина трубки, м; h₁ и h₂ - показания пьезометров в начале и конце трубопровода.

В данной лабораторной работе для определения вязкости используется капиллярный вискозиметр. В таком вискозиметре вязкость определяют, используя движение жидкости по трубке небольшого диаметра.

Таким образом, чтобы определить динамический коэффициент вязкости жидкости, надо замерить расход Q и разность показаний пьезометров в начале -,h₁, и конце,h₂,капиллярной трубки.

Схема установки приведена на рис.8.

Вискозиметр состоит из резервуара 1, горизонтальной трубки малого диаметра 3, пьезометров 2, регулировочного крана 4, мерного сосуда 5.

Рис. 8.Резервуар -1; пьезометр -2; капиллярная трубка -3; регулировочный кран -4; мерная мензурка -5

Используя формулу Пуазейля находим коэффициент динамической вязкости. Расход жидкости определяем по формуле:

где W- объем, заполненный за время t; радиус капиллярной трубки r=1,85 мм, а длина l =0,45м.

Кинематический коэффициент вязкости вычисляется по формуле:

,

где r=1000 кг/м³.

Число Рейнольдса определяется из выражения

где .

Порядок выполнения работы. Для выполнения работы необходимо заполнить резервуар водой, замерить температуру воды. Устанавливаем расход жидкости при помощи крана 4. Замеряем время, в течение которого в мерный сосуд поступит 50 см³ воды. Сделав необходимые замеры, производим вычисления по выше- приведенным формулам. Полученные результаты замеров и вычислений заносим в таблицу №2.

Таблица №2

	h1	h2	t	Q	m	n	Vср	Re
	м	м	с	м^3/c	Па с	м^2/с	м/с

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4

ЛАМИНАРНЫЙ И ТУРБУЛЕНТНЫЙ РЕЖИМ ДВИЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ

Цель работы: наблюдение различных режимов течения жидкости в трубе и определение значений чисел Рейнольдса, соответствующих ламинарному и турбулентному режимам течения.

Принадлежности: Секундомер, термометр, установка для изучения режимов течения, мерный сосуд.

Описание установки. Установка (рис.11) для изучения режима течения жидкости состоит из бака -аккумулятора 1, мерного бака 2, стеклянной трубки 3 диаметром 0,02 м. Вода из бака аккумулятора по трубке 3 стекает в мерный бак 3. В центре стеклянной трубки из бачка 4 по тонкой трубке подводится красящая жидкость, количество которой регулируется краником 5. Режим течения жидкости регулируется краном 6.

При больших расходах объем протекающей жидкости измеряется с помощью мерного бака 2 емкостью 4,5 л. В случае меньших расходов (ламинарный и переходные режимы течения) удобнее пользоваться мерной мензуркой.

Характер режима течения жидкости определяется численным значением критерия Рейнольдса ,где V- средняя скорость движения жидкости, м/с; d- диаметр трубы, м; n- кинематическая вязкость жидкости, м²/с.

Критерий Рейнольдса имеет определенный физический смысл - он является мерой отношения сил инерции к силам вязкости в потоке жидкости.

Опытным путем установлено, что если Re <2000, то имеет место ламинарный режим течения в круглой трубе, а при Re>10000 - течение жидкости обычно носит турбулентный характер течения. При значениях чисел Рейнольдса от 2000 до 10000 имеет место переходный режим течения жидкости.

Рис.9.Бак-1; мерный бак-2; стеклянная трубка--3; бачок с красящей жидкостью -4; регулировочные краны -5,6

Порядок выполнения опытов. Наполнить бак 1 водой. Открыть вентиль 6. Измерить температуру воды. Отрегулировать краном 5 подачу красящей жидкости в поток воды. Регулируя вентилем 6 подачу воды, устанавливаем режим течения в трубе. При каждом режиме замеряем объем жидкости с помощью мензурки или мерного сосуда за промежуток времени.

Значения кинематического коэффициента вязкости воды даны в таблице 3.

Таблица 3

^0C
n·10^4, м^2/c	0,015	0,013	0,012	0,0118	0,0112	0,0106	0,0101

Полученные данные сводятся в таблицу 4

Таблица 4

Наблюдаемый режим движения	W	t	Q	V	Re
	V^3	c	м^3/с	м/c	-

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 5

ОПЫТНАЯ ДЕМОНСТРАЦИЯ УРАВНЕНИЯ БЕРНУЛЛИ

Цель работы: Определение изменения напоров в трубе переменного сечения и построение графика их распределения.

Уравнение Бернулли является одним из основных уравнений гидроаэродинамики, характеризующих энергетическое состояние потока жидкости.

Уравнение Бернулли для потока жидкости записывается в виде

,

где a₁ и a₂ - коэффициенты Кариолиса в соответствующих сечениях; V₁ и V₂ - значения средних скоростей жидкости; - потеря полного напора между сечениями; P₁ и P₂ - гидростатическое давление в соответствующих сечениях.

Коэффициент a является отношением действительного распределения энергии потока к осредненному распределению кинетической энергии, определенному по средней скорости потока. Для турбулентного режима течения жидкости в трубе коэффициент Кариолиса составляет a_т=1,05-1,1, при ламинарном режиме течения a_л=2,0.

Принадлежности: Экспериментальная установка; мерный сосуд; секундомер.

Описание установки: Установка для демонстрации уравнения Бернулли состоит (рис.10) из напорного бака 1, наклонной трубки переменного сечения 2 и мерного бака 3 со сливным отсеком 4. Трубка 2 сделана из стекла и состоит из трех характерных сечений трубы. Каждый участок трубы имеет пьезометрическую трубку и трубку Пито для измерения пьезометрического и полного напоров. Расход воды регулируется вентилем 5. Диаметры сечений трубопровода: d₁=44мм; d₂=26,5мм; d₃=15,5мм.

Рис.10. Напорный бак-1; труба переменного сечения -2; мерный бак-3; сливной отсек мерного бака -4; регулировочный вентиль -5

Порядок выполнения опытов. Открыть вентиль 5.Снять показания пьезометров в соответствующих сечениях по пьезометрическим трубкам и трубкам Пито во всех трех сечениях. Замерить расход воды мерным баком. Замеры проводятся при различных степенях открытия вентиля 5.

Вычисления. Объемный расход воды вычисляется по формуле , где W-объем протекшей воды за время t c. Вычисляются значения средних скоростей потока в сечениях, где установлены измерительные трубки: . По величине средней скорости потока вычисляем скоростной напор: (коэффициент a принять равным 1,08). Вычислить полный напор по сечениям: H = z + P/g+aV²/2q.

Потерю напора между сечениями вычислить как разность полных напоров: .

Местная скорость в точках установки трубок Пито определяется по величине скоростного напора , где h_ск - разность показаний трубки Пито и пьезометрической трубки. По данным, полученным в результате замеров, строится график распределения напоров по сечениям, c учетом, что z=300мм, z=150мм, z=0,0мм.

Данные замеров сводятся в таблицу 5.

Таблица 5

№.	Объем воды	Вре- мя	Объем- ный рас- ход	Ско- рость	Скор. напор	Пъезом. напор	Полн. напор	Потеря напора	Мест- ная ско- рость
	W	t	Q	Vi.ср		P/g		Dh	V
	м^3	с	м^3/c	м/с	м	м	м	м	м/c

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОТЕРИ НАПОРА

В ПРЯМОЙ ТРУБЕ

Цель работы. Определение потери напора в прямой трубе опытным путем и сравнение полученных зависимостей с расчетными значениями.

Принадлежности. Установка, состоящая из круглой трубы с запорно - регулирующей арматурой и водомером. Пьезометрические трубки. Секундомер.

Описание установки. Установка состоит из бака 1 (рис.11), прямой горизонтальной трубы 2, пьезометров 3, водомера 4. На участке трубопровода длиной l=10 d в начале и в конце установлены пьезометры.

Расход воды регулируется задвижкой 5. В установке смонтирован водомер ВКМ-10.

Порядок выполнения опытов. 1.Открыть задвижку 5. 2. Снять показания пьезометров3 в начале и конце трубопровода. 3. Замерить количество воды по водомеру 4 и время, за которое прошла вода.

Используя задвижку, провести 2-4 замера.

Рис.11.1-бак; 2-горизонтальная труба; 3- пьезометры; 4-водомер; 5-регулирующий вентиль

Вычисления. Находим расход воды по формуле м³/c. Определяем среднюю скорость течения воды в трубопроводе . По значению средней скорости вычисляем величину числа Рейнольдса (коэффициент кинематической вязкости взять из таблицы №3, лабораторной работы №4).

Потеря напора определяется как разность показаний на пьезометрических трубках. Полученные в результате замеров данные заносятся в таблицу 6.

Полученные в результате замеров данные проверяются расчетными данными.

Потеря напора по длине трубы определяется по формуле Дарси -Вейсбаха

,

где l- длина трубопровода; d- диаметр трубопровода; V_ср- средняя скорость движения воды; l- коэффициент гидравлического сопротивления трения.

В общем случае ,

где к=D/d; а D абсолютная шероховатость.

Наиболее приемлемой для определения коэффициента гидравлического сопротивления трения является формула

Принять абсолютную шероховатость в пределах 0,7-1,0 мм.

Таблица 6

№ п.п	Пьезо-метри-ческий напор в начале трубо-провода	Пьезо-метри- ческий напор в конце трубо-провода	Объ-ем воды	Вре-мя	Секунд- ный расход	Ско-рость	Коэф. Гидр. сопр. Тре-ния	Знач. числа Re	Пот. На- по-ра. Экс.	Пот. На- по ра. Вы-чис- ен- ные
			W	t	Q	V	l	Re	Dhэ	Dhв
	м	м	м^3	с	м^3/с	м/с	-	-	м	м

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗНАЧЕНИЙ КОЭФФИЦИЕНТОВ МЕСТНЫХ СОПРОТИВЛЕНИЙ ЭЛЕМЕНТОВ ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ СИСТЕМ

Цель работы. Определение опытным путем значений коэффициентов местного сопротивления, внезапного расширения, задвижки и вентиля. Сравнение полученных значений со справочными данными.

Принадлежности. Установка для определения коэффициентов местного сопротивления. Пьезометрические трубки. Расходомер.

Описание установки. Установка состоит из напорного бака 1 (рис. 13), трубопровода 2, перед каждым местным сопротивлением и после установлены пьезометры 3, расход воды замеряется расходомером 4.

Порядок выполнения работы. 1.Открыть запорную задвижку и добиться постоянства расхода. 2.При установившемся расходе произвести замеры напоров на соответствующих пьезометрах для каждого местного сопротивления. 3. Снять показания расходов по расходомеру -4. 4.Произвести соответствующие расчеты. Полученные данные занести в таблицу 8.

Вычисления. Находим расход воды по формуле м³/c. Определяем среднюю скорость течения воды в трубопроводе .

Потеря напора определяется как разность показаний на пьезометрических трубках.

Потеря напора в местном сопротивлении определяется по формуле Вейсбаха

,

где; z- коэффициент местного сопротивления;V_ср- средняя скорость движения воды.

Из этой формулы определяем величину коэффициента местного сопротивления.

Полученные в результате замеров данные сверяются со справочными.

Рис. 13. Бак для воды -1; трубопровод -2; пьезометры -3; водомер-4.

Все результаты замеров и расчетов заносятся в таблицу 8.

Таблица 8

№ п.п	Объем воды	Время	Расход	Ско-рость	Скор. напор	Пъзом. напор	Потер. напора	К.м.с. эксп.	К.м.с. справ.
	W	t	Q	V	Hcк	H1	H2	Dh	zэкс	zcпр
	м^3	с	м^3/с	м/с	м	м	м	м	-	-
за-движ- ка										0,12
Вен-тиль										5,0
Вн. рас- шире- ние										0,86
Вн. суже- ние										1,1

Дата добавления: 2015-08-31