 |
Исследование поля скоростей при движении жидкости в трубах
|
|
|
|
Министерство образования и науки Украины
Запорожская государственная инженерная академия
В.В. Губачев
Н.В.. Беренда
И.В. Малышева
ИНЖЕНЕРНАЯ ГИДРАВЛИКА
Методические указания
К лабораторным работам
для студентов ЗГИА
специальности 6.092601 “Водоснабжение и водоотведение»
дневного и заочного отделений
Запоріжжя
Министерство образования и науки Украины
Запорожская государственная инженерная академия
В.В. Губачев
Н.В. Беренда
И.В. Малышева
ИНЖЕНЕРНАЯ ГИДРАВЛИКА
Методические указания
К лабораторным работам
для студентов ЗГИА
специальности 6.092601 «Водоснабжение и водоотведение»
дневного и заочного отделений
Рекомендовано к изданию
на заседании кафедры ОТиЭМП
протокол № от.06.05
Запорожье
Инженерная гидравлика. Методические указания к лабораторным работа для студентов ЗГИА специальности 6.092601 «Водоснабжение и водоотведение» дневного и заочного отделений /Сост.: В.В. Губачёв, Н.В.Беренда, И.В.Малышева. – Запорожье: Изд-во ЗГИА, 2005. – 42 с.
Методические указания содержат краткие теоретические сведения по темам лабораторных работ, описание лабораторных установок, порядок проведения работ, обработки результатов измерений, контрольные вопросы.
Составители:
В.В. Губачёв - канд. техн. наук, доцент
Н.В. Беренда – канд. техн.наук, доцент
И.В. Малышева - ассистент
Ответственный за выпуск: заведующий кафедрой ОТиЭМП
доц. Г.Б. Кожемякин
СОДЕРЖАНИЕ
Лабораторная работа № 1. Истечение.жидкости через отверстия и насадки…4
|
|
|
Лабораторная работа № 2. Исследование поля скоростей при движении
жидкости в трубах…………………………………. 8
Лабораторная работа № 3. Определение времени опорожнения сосуда……..15
Лабораторная работа № 4. Определение эквивалентной шероховатости
трубопровода………………………………………18
Лабораторная работа № 5 Определение коэффициента скорости, сжатия и сопротивления при истечении жидкостей через отверстия и насадки…….…25
Лабораторная работа № 6 Построение пьезометрической линии при
фильтрации жидкости через пористую среду…….…….……....28
Лабораторная работа № 7. Определение коэффициента фильтрации……..…31
Лабораторная работа № 8 Исследование турбулентной фильтрации…………6
Лабораторная работа № 9 Экспериментальное изучение свободной
затопленной струи………………………………….39
Лабораторная работа № 10. Исследование поля скоростей в свободной
затопленной струе………………………….……45
Приложение А. График зависимости кинематической вязкости воды
от ее температуры………………………………………...……47
Приложение Б. Расчет доверительных интервалов по методу Стьюдента…..48
Литература………………………………………………………………………..49
Лабораторная работа №1
Истечение жидкости чрез отверстия и насадки
Цель работы: Экспериментально определить коэффициент расхода для отверстий и насадок различных типов.
Теоретические сведения
В технике широко используется истечение жидкости через различные отверстия и насадки. Различают истечение в тонкой стенке, малых отверстий и насадок.
Тонкой стенкой называется стенка, толщина 
которой меньше 2-3 диаметров 
отверстия. Малым отверстием называют отверстие, диаметр которого намного меньше напора (d 0 < 0,1 H). Насадком называется короткая труба цилиндрической, конической или иной формы длинной 3…5 диаметров отверстия: l» (3…5) d 0.
|
|
|
Вытекая из отверстия, струя на некотором расстоянии от него l» (3…5) d 0 сжимается и ее сечение 
становиться меньше сечения отверстия 
. Отношение площади сжатой струи к диаметру отверстия называется коэффициентом сжатия 
.
Различают два вида сжатия: совершенное, когда боковые стенки резервуара не оказывают влияние на истечение, и несовершенное, которое имеет место, если расстояние от стенки резервуара до кромки отверстия меньше трех диаметров отверстия.
Для определения средней скорости истечения жидкости из отверстия применим уравнение Бернулли для сечений 1-1 и 2-2 (рис. 1.1).
(1.1)
где Н - высота уровня жидкости над центром отверстия;
Р бар- атмосферное давление;
r -плотность жидкости;
- коэффициент Кориолиса;
w- скорость истечения жидкости из отверстия или насадки;
h м- местные потери напора.
Используем для определения местных потерь напора формулу Вейсбаха:
, (1.2)
где z - коэффициент местного сопротивления.
Из (1.1) и (12) получим: w = j 
, 
- коэффициент скорости.
Коэффициент скорости 
учитывает уменьшение скорости потока вследствие потерь напора при прохождении жидкости через отверстие или через насадку и вследствие неравномерности распределения скоростей в сжатом сечении струи.
,
где wт – максимальная скорость истечения, которая возможна при вытекании идеальной жидкости из отверстия или насадки.
Расход жидкости, вытекающей из отверстия или насадки, определяют по формуле
,
где 
- коэффициент расхода.
Коэффициент расхода равен отношению действительного к теоретическому:
(1.3)
где Q T – максимально возможный расход при истечении идеальной жидкости без сжатия струи.
Таким образом, истечение жидкости из отверстия или насадка характеризуется коэффициентами 
, зная которые можно по известным d 0 и Н вычислить скорость истечения и расход жидкости.
Для турбулентного режима течения в таблице 1.1 приведены справочные данные по коэффициентам сжатия, скорости и расхода при истечении из отверстия и насадки различных типов
Таблица 1.1 – Коэффициенты, характеризующие истечение
| Вид отверстия или насадки | Коэффициент сжатия 
| Коэффициент скорости
| Коэффициент расхода 
|
| Отверстие в тонкой стенке | 0,62…0,64 | 0,97…0,98 | 0,60…0,62 |
| Насадки: | |||
| Цилиндрический внешний | 0,82 | 0,82 | |
| Цилиндрический внутренний | 0,71 | 0,71 | |
| Конусный сходящийся | 0,982 | 0,963 | 0,946 |
| Конусный расходящийся | 0,45…050 | 0,45…0,50 | |
| Коноидальный | 0,97 | 0,97 |
Описание установки
|
|
|
Схема установки изображена на рисунке 1.2. Опытная установка состоит из напорного бака 1, в вертикальной стенке которого сделано несколько отверстий, к которым присоединены различные насадки. Насосом 7 вода непрерывно подается в бак 1, в котором с помощью перелива 2 поддерживается постоянный уровень жидкости Н=0,7 м. Струя вытекающая из отверстия или насадки, с помощью воронки и гибкого шланга 
отводиться в мерный бачок 6.
Рис. 1.1 Истечение из отверстия Рис 1.2 Схема установки
Порядок выполнения работы
Включить насос и заполнить напорный бак водой для перелива. Поддерживая постоянный напор Н с помощью насоса 7, открыть клапан 3, закрывающий отверстие 4.
Подвести под струю приемную воронку 5, шланг который опущен в мерный бачок 6. С помощью секундомера определить время его заполнения.
Для каждого типа отверстия и насадки провести 3-4 опыта. В расчетах использовать средние значения.
Определить расход жидкости Q= 
. По формуле (1.3) вычислить коэффициент расхода и сравнить со значением в таблице 1.1.
Все результаты измерений и вычислений занести в таблицу 1.2.
Таблица 1.2 – Результаты замеров
| Тип отверстия или насадка | Диаметр отверстия d 0 м | Напор Н,м | Время заполнения мерного бачка | Коэф-фициент расхода m | |||
| t 1 | t 2 | t 3 | t ср | ||||
Контрольные вопросы
1. Дайте определение малого отверстия, отверстия в тонкой стенке, насадки
2. Какие сжатия называются совершенными и несовершенными
3. Напишите уравнение Бернулли для сечений 1-1 и 2-2 (рис 1.1)
4. Докажите, что коэффициент скорости и расхода всегда меньше единицы.
Лабораторная работа № 2
Исследование поля скоростей при движении жидкости в трубах
Цель работы: исследовать поле скоростей при движении жидкости.
|
|
|
Теоретические сведения
Расход жидкости Q протекающей по трубе, можно определить по формуле
Q = w w,
где w-средняя скорость жидкости;
w - площадь живого сечения.
В трубах круглого сечения среднюю скорость жидкости можно определить, измерив скорость в одной точке. При ламинарном течении [1; 3] 
, где y c- расстояние от стенки до точки, в которой местная скорость равна средней; r - радиус трубы.
Многочисленными исследованиями установлено, что для турбулентного потока [1] 
, где 
- коэффициент гидравлического трения.
С достаточной для практических расчетов точность можно принять [1] 
.
Для труб некруглого сечения теоретически определить положение точки, в которой местная скорость u равна средней скорости u m потока, весьма сложно,
поэтому среднюю скорость определяют по формуле 
.
Скорость жидкости можно измерить анемометрами, гидродинамическими трубками, термоэлектрическими анемометрами и другими приборами
Анемометры
В этих приборах набегающий поток газа создает аэродинамическую силу, момент которой вращает вертушку. Эти приборы чаще всего применяют при измерении местной скорости в каналах и трубах большого сечения.
Гидродинамические трубки
Определение скорости с помощью гидродинамических трубок основано на измерении удельной кинетической энергии (разности механической и потенциальной удельной энергии). Удельная механическая энергия измеряется трубкой полного напора, представляющая собой изогнутую трубку В (рис. 2.1). Один конец этой трубки помещен в поток так, что его нормальный срез проходит через мерную точку а и ориентирован перпендикулярно к скорости потока, другой конец открыт в атмосферу. В такой трубке жидкость поднимается до высоты Н 2. При этом высота Н 2 равна удельной механичес-
Рис. 2.1. Схема замера динами- энергии в мерной точке, т.е полному
ческого напора напору
, (2.1)
где Р – давление в мерной точке, Па;
u - местная скорость, м/с.
Удельная потенциальная энергия измеряется трубкой статического напора А, нижний нормальный срез который проходит через мерную точку потока и ориентирован параллельно скорости поток, а верхний срез открыт в атмосферу.
Жидкость в этой трубке поднимается до высоты Н1, равной удельной потенциальной энергии в мерной точке, т.е.
(2.2)
На практике чаще всего применяют трубку представляющую собой комбинацию в одном приборе трубок полного и статического напоров (трубка Пито – Прандтля). Основную часть таких трубок (рис. 2.2) является измерительный цилиндр, укрепленный на державке. Носок цилиндра имеет полусферическую или коническую форму.
|
|
|
Рис. 2.2 -Пневматическая трубка Пито - Прандтля
Из формул (2.1) и (2.2) для удельной кинетической энергии (скоростного напора)
(2.3)
При исследовании поля скоростей в газовом потоке необходимо учитывать отношение плотности жидкости в манометре к плотности газа, и формула (2.3) приводиться к виду
(2.4)
где 
;
и 
- плотность соответственно жидкости, залитой в манометр, и газа.
Трубка Пито – Прандтля применяется при измерении скорости потока более 1м/с. При меньших скоростях измерения проводить трудно, так как приходиться измерять малые перепады давлений.
Термоэлектрические анемометры (термоанемометры )
Действие этих приборов основано на использовании зависимости между электрическим сопротивлением проводников и их температурой. Термоанемометры представляют собой проволоку, припаянную к двум электродам. Проволока помещается в поток и нагревается электрическим током. Поток, обтекающий проволоку, охлаждает ее. Электрическое сопротивление проволоки при этом изменяется. По изменению электрического сопротивления проволоки судят о скорости обтекания потоком проволоки.
Применяемые приборы
В выполняемой лабораторной работе для измерения скоростей потока используется трубка Пито – Прандтля. Устройство такой трубки показано на рисунке 2.2. Пневмометрическую трубку устанавливают параллельно оси трубопровода открытым концом на встречу потоку.
Разность давлений измеряют микроманометром типа ММН, шкала которого установлена под углом.
Микроманометр заливают спиртом с плотностью 
кг/м3. Если в прибор залита жидкость иной плотности, следует внести соответствующую поправку.
|
|
|
