Изучение поля скоростей потока в трубопроводе

СБОРНИК ОПИСАНИЙ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

Кафедра «Теплотехники и гидравлики»

по дисциплине «Гидравлика»

по направлению 653300 «Эксплуатация транспорта и транспортного оборудования»

специальности 190601 «Автомобили и автомобильное хозяйство»

Курс 3

Семестр 5

по направлению 651600 «Технологические машины и оборудование»

специальности 150405 «Машины и оборудование лесного комплекса»

Курс 3

Семестр 6

по направлению 656300 «Технология лесозаготовительных и деревообрабатывающих производств»

специальности 250401 «Лесоинженерное дело»

Семестр 4, 5

Всего часов 18

по направлению 653600 «Транспортное строительство»

специальности 270205 «Автомобильные дороги и аэродромы»

Курс 3

Семестр 5

по направлению 660300 «Агроинженерия»

специальности 110301 «Механизация сельского хозяйства»

специальности 110302 «Электрификация и автоматизация сельского хозяйства»

по направлению 653300 «Эксплуатация транспорта и транспортного оборудования»

специальности 190603 «Сервис транспортных и технологических машин и оборудования (по отраслям)»

Курс 3

Семестр 6

по направлению 653500 «Строительство»

специальности 270102 «Промышленное и гражданское строительство»

по направлению 656300 «Технология лесозаготовительных. и деревообрабатывающих производств»

специальности 250403 «Технология деревообработки»

Семестр 4

Всего часов 16

Сыктывкар 2006

УДК

ББК

Авторский знак -

Сборник описаний лабораторных работ составлен в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования

по направлению 653300 «Эксплуатация транспорта и транспортного оборудования»

специальности 190601 «Автомобили и автомобильное хозяйство»,

по направлению 651600 «Технологические машины и оборудование»

специальности 150405 «Машины и оборудование лесного комплекса»,

по направлению 656300 «Технология лесозаготовительных и деревообрабатывающих производств»

специальности 250401 «Лесоинженерное дело»,

по направлению 653600 «Транспортное строительство»

специальности 270205 «Автомобильные дороги и аэродромы»,

по направлению 660300 «Агроинженерия»

специальности 110301 «Механизация сельского хозяйства»

специальности 110302 «Электрификация и автоматизация сельского хозяйства»,

по направлению 653300 «Эксплуатация транспорта и транспортного оборудования»

специальности 190603 «Сервис транспортных и технологических машин и оборудования (по отраслям)»,

по направлению 653500 «Строительство»

специальности 270102 «Промышленное и гражданское строительство»,

по направлению 656300 «Технология лесозаготовительных. и деревообрабатывающих производств»

специальности 250403 «Технология деревообработки»

от № гос. рег. 222 тех/де

Сборник описаний лабораторных работ составили:

Н. А. Корычев, кандидат технических наук,

В.М. Попов, кандидат технических наук,

Т.Л. Леканова, кандидат химических наук,

В. Т. Чупров

Сборник описаний лабораторных работ обсужден на заседании кафедры химии

Протокол № от «____»_____________2006г.

Заведующий кафедрой,: к.х.н., доцент __________________Леканова Т.Л.

Сборник описаний лабораторных работ рассмотрен и одобрен методической комиссией технологического факультета

Протокол № от «____»_____________2006г.

Председатель комиссии: к.х.н., доцент __________________О.А. Конык

Лесотранспортного факультета, протокол № от «____»_____________2006г.

Председатель комиссии: к.х.н., доцент __________________З.И.. Кормщикова

Сельскохозяйственного факультета, протокол № от «____»_____________2006г.

Председатель комиссии: к.х.н., доцент __________________Г.Г. Романов

Оглавление

Цель и задачи дисциплины, ее место в учебном процессе

Цель преподавания дисциплины

Целью преподавания дисциплины "Гидравлика" является обеспечение теоретической подготовки и фундаментальной базы инженеров-механиков.

Преподавание дисциплины имеет целью изучение студентами законов равновесия и движения жидкостей и газов при решении практических задач и правильной эксплуатации гидрофицированных машин, оборудования, механизированных и автоматизированных устройств.

Предметом дисциплины являются основы технической гидромеханики, общие законы и уравнения статики и динамики жидкостей и газов, а также гидромашины, гидро- и пневмопривод.

Задачи изучения дисциплины.

В результате изучения курса ”Гидравлика” студент должен иметь представление:

- об общих законах статики и динамики жидкости;

- о методах расчета основных параметров и характеристик процессов с использование жидкости;

- о перспективных разработках и исследованиях в области гидравлики;

- о назначении и области применения гидравлических машин и оборудования;

- о перспективных разработках и исследованиях в области гидравлики.

Требования к знаниям и умениям

- основные понятия, законы гидравлики; физические свойства капельных жидкостей; практические приложения законов гидростатики и гидродинамики;

- методы решения основных задач гидростатики и гидродинамики, имеющих практическую направленность;

- определять основные размеры и параметры гидравлических машин;

- читать и выполнять чертежи со специальными обозначениями гидравлических машин и аппаратуры в соответствии с ГОСТами.

Нормы государственного образовательного стандарта

Вводные сведения. Основные физические свойства жидкостей и газов. Основы кинематики. Общие законы и уравнения статики и динамики жидкостей и газов. Силы, действующие в жидкостях. Абсолютный и относительный покой (равновесие) жидких сред. Модель идеальной (невязкой) жидкости. Общая интегральная форма уравне­ний количества движения и момента количества движения. Подобие гидромеханических процессов. Общее уравнение энергии в интегральной и дифференциальной формах. Турбулентность и се осноные статистические характеристики. Конечно-разностные формы уравнений Навье-Стокса и Рейнольдса. Общая схема применения численных методов и их реализация на ЭВМ. Одномерные потоки жидкостей и газов.

Гидравлические машины. Гидропередачи и гидропневмоприводы. Гидро- и пневмотранспорт. Основы сельскохозяйственного водоснаб­жения и гидромелиорации.

Лабораторная работа № 1

Часа

Изучение поля скоростей потока в трубопроводе

Цель работы:исследование распределения локальных скоростей движения воздуха по сечению трубопровода.

Задачи работы:

§ построение поля скоростей;

§ определение средней скорости воздуха в трубопроводе;

§ определение отношения w/w_max при различных режимах движения и сравнение полученных результатов со справочными данными;

§ определение расхода воздуха.

§

Обеспечивающие средства:лабораторный стенд, состоящий из вентилятора с электродвигателем, всасывающего и нагнетательного трубопровода, лабораторного трансформатора. Контрольно-измерительные приборы – тахометр с тахогенератором, дифференциальный микроманометр с гидродинамической трубкой, барометр, влагомер и термометр. Управление электродвигателем включает в себя: магнитный пускатель, амперметр и вольтметр.

Задание:провести три серии опытов (изменяя число оборотов вентилятора не менее 3-х раз в сторону увеличения от 800 до 2500 об/мин), установив напорную трубку на заданных расстояниях от внутренней стенки трубопровода, снять показания с микроманометра, барометра, влагомера и термометра; рассчитать значения локальных скоростей воздуха; определить среднюю скорость потока методом графического интегрирования; построить эпюры скоростей; рассчитать критерий Рейнольдса для средней скорости потока; вычислить отношение средней скорости к максимальной при различных режимах; сравнить экспериментально полученные отношения w/w_max со значениями из графика зависимости отношения средней скорости потока к максимальной w/w_max от критерия Рейнольдса.

Требования к отчету:итоги лабораторной работы представить в виде таблиц 1.1. «Измерительные величины» и 1.2. «Рассчитанные величины», привести графики зависимостей произведения w_r ∙ r от радиуса r, графики эпюр скоростей для трех режимов работы вентилятора, сделать выводы к работе и ответить на контрольные вопросы.

Технология работы:провести три серии опытов (изменяя число оборотов вентилятора не менее 3-х раз в сторону увеличения от 800 до 2500 об/мин), установив напорную трубку на заданных расстояниях от внутренней стенки трубопровода, снять показания с микроманометра, барометра, влагомера и термометра; провести технические расчеты.

Контрольные вопросы:

1. В чем отличие местной (локальной) скорости от средней скорости при течении газа или жидкости по трубопроводу?

2. Режимы движения потоков, критерий Рейнольдса.

3. Эпюры скоростей для ламинарного и турбулентного потоков.

4. Как рассчитывается средняя скорость потока газа в трубопроводе?

5. Соотношение средней и максимальной скоростей для ламинарного и турбулентного потоков.

6. Как устроена напорная трубка?

7. Как устроен и работает микроманометр?

8. Определение плотности воздуха с учетом его влажности.

Описание лабораторной работы

Теоретическая часть

При движении жидкости или газа по трубопроводу скорости различных слоев потока по сечению трубопровода не одинаковы из-за сил внутреннего трения и трения о стенку. Скорость в какой-либо точке поперечного сечения потока называется местной(локальной) скоростью. Для сформировавшегося (установившегося) потока местная скорость движения наибольшая в центре потока (на оси трубопровода), а у стенок трубопровода равна нулю.

В ряде случаев нет необходимости учитывать различие скоростей по сечению потока, поэтому пользуются понятием средней скорости.Средней скоростью потока называют скорость, с которой должны были бы двигаться все частицы жидкости через живое сечение потока, чтобы сохранялся расход соответствующий данному распределению скоростей в сечении. Объемный расход жидкости V, м³/с, проходящий через сечение трубопровода F, м², при средней скорости w, м/с, будет равен

(1.1)

где R – радиус трубопровода, м.

Распределение местных скоростей по сечению трубопровода зависит от движения жидкости или газа. Режим их движения определяют по значению критерия Рейнольдса

(1.2)

где d­ – внутренний диаметр трубопровода, м; ρ – плотность жидкости, кг/м³; μ – динамический коэффициент вязкости, Па ∙ c.

Различают ламинарныйи турбулентныйрежим движения жидкости. При течении жидкости в прямых трубах устойчивый ламинарный режим имеет место, когда Re ≤ 2320; развитый турбулентный режим наблюдается при Re ≥ 10⁴; переходной области соответствуют значения критерия 2320 ≤ Re ≤ 10⁴.

При ламинарном режиме движения все частицы движутся по параллельным друг другу траекториям, не перемешиваясь между собой.

При турбулентном режиме частицы совершают беспорядочные неустановившиеся движения по сложной траектории, что приводит к интенсивному перемешиванию слоев жидкости.

Наглядное представление о скорости в различных точках живого сечения потока может быть получено при рассмотрении поля скоростей.

Полем скоростей называется система векторов, каждый из которых характеризует собой по значению результирующую скорость в данной точке вдоль оси трубопровода. Эпюры скоростей для ламинарного и турбулентного потоков различны, рис. 1.1.

Рис. 1.1. Поле скоростей при движении потока жидкости в круглой трубе:

а) ламинарный режим; б) турбулентный режим

Объемный расход dV в живом сечении потока, рис. 1.2, радиусом r и толщиной dr можно представить формулой

dV = w_r 2 r d r, (1.3)

где w_r – местная (локальная) скорость потока, м/с; r – расстояние от центра трубопровода, м.

Тогда объемный расход через полное сечение трубопровода определяется интегрированием выражения (1.3) в пределах от 0 до R.

V = 2π w_r r d r , (1.4)

Рис. 1.2. Поперечное сечение потока

Приравнивая правые части уравнений (1.1) и (1.4) и учитывая, что площадь поперечного сечения трубопровода F = πR², получаем формулу для определения средней скорости потока

(1.5)

Значение интеграла определяют графическим интегрированием.

Для этого сечение потока трубопровода условно делится на ряд равновеликих кольцевых площадок Ι, ΙΙ, ΙΙΙ, рис. 1.3. Каждая кольцевая площадка, в свою очередь, делится окружностью (проведенной штрих-пунктирной линией) на две равные по площади части. Точки 1, 2, 3, отмеченные на этих штрих-пунктирных окружностях, являются срединными точками выделенных кольцевых площадок Ι, ΙΙ, ΙΙΙ.

Если произвести замеры локальных скоростей в точках 1, 2, 3, то получатся средние скорости потока для каждой кольцевой площадки. Так как все кольцевые площадки по условию равновелики, то средняя арифметическая величина из замеренных в точках 1, 2, 3 скоростей и будет являться средней скоростью данного потока.

Рис. 1.3. Деление поперечного сечения трубопровода на ряд равновеликих кольцевых площадок

Расстояние x от стенок трубопровода до средних точек каждой кольцевой площадки, т. е. до точек замера скоростей 1, 2, 3, определяется по следующей формуле:

(1.6)

где d – диаметр трубопровода; n – номера окружностей, делящих пополам кольцевые площадки (считая от центра трубопровода); N – число кольцевых площадок.

В данной лабораторной установке для диаметра трубопровода d = 98 мм число кольцевых площадок N можно принять равными 3, рис. 1.3. Тогда n = 1…3. Знак плюс в формуле (1.6) берется при определении значений x правее оси трубопровода (x₁, x₂, x₃), знак минус – для x, лежащих левее оси трубопровода (x₄, x₅, x₆).

Стандартная напорная трубка системы НИИОГАЗ для измерения ΔP_ск имеет диаметр d = 6 мм; следовательно, когда такая трубка находится в крайнем правом или крайнем левом положении, расстояние от оси напорной трубки АВ до стенки трубопровода равно 6:2 = 3 мм, рис. 1.4.

Рис. 1.4. Положение напорных трубок в крайних точках замера

Чем больше число кольцевых площадок, тем точнее будет значение средней скорости потока.

Крайние же точки замеров по формуле (1.6) должны находиться от правой внутренней стенки трубопровода на расстоянии:

,

.

Следовательно, можно с небольшой погрешностью принять, что точкам замеров x₁ и x₆ будут соответствовать крайние – правое и левое – положения напорной трубки в трубопроводе. Для остальных точек замера (от х₂ до х₅) положения напорной трубки вычисляется по формуле (1.6). При проведении измерений положение напорной трубки указывается стрелкой (укрепленной на верхней части трубки) по неподвижной горизонтальной шкале, имеющей градуировку от 0 до 98 мм (соответственно диаметру трубопровода).

После проведенных замеров местных скоростей в установленных площадках строят график, рис. 1.5, в координатах w_r∙r = ƒ(r). Площадь, ограниченная полученной кривой с учетом масштаба построения, дает значение интеграла.

Нетрудно доказать, что для ламинарного потока средняя скорость равна половине максимальной, т. е. w = 0,5w_max.

Для развитого турбулентного потока отношение средней скорости к максимальной зависит от значения критерия Рейнольдса, рис. 1.6. Так, например, при Re = 10⁸ средняя скорость составит w = 0,9w_max.

Рис. 1.5. Зависимость произведения w_r ∙ r от радиуса r

Рис. 1.6. Зависимость отношения средней скорости потока к максимальной w/w_max от критерия Рейнольдса (Re)

Для замера скоростей потока используется напорная трубка системы НИИОГАЗ. Напорная трубка состоит из двух трубок – внутренней и наружной, рис. 1.7. Внутренняя трубка, открытая с торца навстречу потоку, воспринимает общее давление, равное сумме статического и скоростного (динамического) давлений. Наружная трубка, имеющая круговую прорезь (или отверстия) на боковой поверхности, воспринимает только статическое давление. Напорная трубка всегда устанавливается вдоль оси трубопровода, открытым концом навстречу потоку.

По разности общего и статического давлений можно определить скоростное (динамическое) давление, обычно обозначаемое через ΔP_ск.

Выведенные наружу (за пределы трубопровода) концы внутренней и наружной трубок имеют следующие отличительные знаки: для статического давления – знак минус «–», для общего давления – знак плюс «+». Для измерения разности давлений концы трубок присоединяются к дифференциальному манометру, показывающему величину скоростного давления ΔP_ск.

Из формулы

(1.7)

находится значение местной скорости

(1.8)

Рис. 1.7. Схема измерения скоростного давления с помощью напорной трубки НИИОГАЗ и дифференциального манометра

Экспериментальное изучение закона распределения скоростей в поперечном сечении потока производится на специальной лабораторной установке.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Лабораторная установка, рис. 1.8, состоит из вентилятора 1 с электродвигателем переменного тока 2, частота вращения которого регулируется с помощью лабораторного трансформатора 3. Число оборотов вала вентилятора снимают с цифрового табло тахометра 4, соединенного с тахогенератором 5. К вентилятору присоединены всасывающий трубопровод 6 с сеткой 7 (для устранения попадания посторонних предметов в вентилятор) и нагнетательный трубопровод 8. Диаметры трубопроводов 98 мм. На нагнетательном трубопроводе 8 установлена напорная (гидродинамическая) трубка 9, которая может перемещаться по сечению потока в диаметральном направлении и соединена с дифференциальным микроманометром 10. Место расположения оси напорной трубки в нагнетательном трубопроводе устанавливается по измерительному устройству 11. В схему лабораторной установки входят следующие приборы: барометр 12, влагомер 13 и термометр 14. Управление электродвигателем включает в себя: магнитный пускатель 15, амперметр 16 и вольтметр 17.

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

Для выполнения данной работы включают вентилятор 1 и задают наименьшую частоту вращения (порядка 800 об/мин) по шкале тахометра 4. Затем устанавливают напорную трубку 9 на заданном расстоянии х₁ от внутренней стенки трубопровода по измерительному устройству 11 и снимают показания с микроманометра 10, барометра 12, влагомера 13 и термометра 14. Для остальных точек (от х₂ до х₆) устанавливают новые положения напорной трубки по измерительному устройству и в той же последовательности производят замеры и снимают показания приборов. Данные замеров повторяют и заносят в таблицу 1.1.

После проведения всей серии опытов (изменяя число оборотов вентилятора не менее 3-х раз в сторону увеличения от 800 до 2500 об/мин) подсчитывают значения локальных (местных) скоростей воздуха в шести точках поперечного сечения потока.

Затем производят дополнительный замер скоростного давления в центре трубопровода для получения величины максимальной скорости w_max на оси потока (при тех же числах оборотов) и после определения средней скорости потока находят отношение ее к максимальной (осевой), т. е. А = w/w_max.

Величина А полученного отношения средней скорости к осевой может служить ориентировочной характеристикой режима течения потока. При А = 0,5 – поток ламинарный, при А > 0,5 – поток турбулентный.

Рис. 1.8. Схема установки:

1 – вентилятор; 2 – электродвигатель; 3 – лабораторный трансформатор (ЛАТР); 4 – тахометр; 5 – тахогенератор; 6, 8 – трубопроводы; 7 – сетка; 9 – напорная трубка; 10 – микроманометр; 11 – измерительное устройство; 12 – барометр; 13 – влагомер; 14 – термометр; 15 – магнитный пускатель; 16 – амперметр; 17 – вольтметр

ОБРАБОТКА ОПЫТНЫХ ДАННЫХ И СОСТАВЛЕНИЕ ОТЧЕТА

1. Определяют точки замера скоростных давлений по выражению (1.6) и заносят в отчетную таблицу 1.1.

2. По скоростному давлению ΔР_ск определяют значение местной скорости в различных точках поперечного сечения из формулы (1.8) и при различных режимах.

При этом скоростное давление ΔР_ск , Па, определяется из выражения

ΔР_ск = l g K ρ_сп, (1.9)

где l – отсчет по шкале микроманометра, м сп. ст.; g – ускорение силы тяжести, м/с²; К – постоянная прибора, при которой производились замеры; ρ_сп – плотность спирта (ρ_сп = 800 кг/м³),

и заносится в таблицу 1.2.

В формулу (1.8) входит плотность влажного воздуха ρ_вл.в, кг/м³.

Плотность влажного воздуха рассчитывают по показаниям термометра и влагомера:

, (1.10)

где Т – температура воздуха, К; φ – относительная влажность воздуха, в долях; В – барометрическое давление, Па; Р_нас – давление насыщенного водяного пара при температуре воздуха в условиях эксперимента (по таблице), Па.

3. Вычисляют произведение w_r∙r. Данные расчетов заносят в таблицу 1.2. Строят зависимость w_r∙r = ƒ(r) (см. рис. 1.5), из которой находят значение .

4. Среднюю скорость воздуха рассчитывают по формуле (1.5). По данным таблицы 1.2 строят эпюру скоростей (см. рис. 1.1), на которую наносят среднюю скорость.

5. Рассчитывают критерий Рейнольдса по формуле (1.2), в которую входят плотность влажного воздуха ρ_вл.в, кг/м³, и динамическая вязкость влажного воздуха μ_вл.в, Па·с.

6. Вычисляют отношение средней скорости к максимальной при различных режимах, т. е. при различных критериях Рейнольдса. Сравнивают экспериментально полученные отношения w/w_max со значениями из графика (см. рис. 1.6).

7. По формуле (1.1) рассчитывают расход воздуха.

Таблица 1.1

ИЗМЕРЕННЫЕ ВЕЛИЧИНЫ

Таблица 1.2

РАССЧИТАННЫЕ ВЕЛИЧИНЫ

Лабораторная работа № 2

Часов

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: