ИЗУЧЕНИЕ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ СОПРОТИВЛЕНИЙ

Виртуальный лабораторный практикум

По гидравлике

Тверь 2010

ВВЕДЕНИЕ

Выполнение лабораторных работ при изучении гидравлики должно способствовать более глубокому пониманию студентами физической сущности изучаемых гидравлических явлений, освоению ими методов испытания гидромашин, упрочению связи теории с экспериментами, а также приобретению навыков в научных исследованиях и в работе с научно-технической и справочной литературой.

В предлагаемом лабораторном курсе описание каждой работы содержит:

а) вводную часть, где в сжатой форме изложены сведения общего характера и основные теоретические положения, имеющие самое прямое отношение к рассматриваемым в работе вопросам;

б) цель работы;

в) схему установки;

г) порядок выполнения работы и детально разработанные таблицы для упрощения и удобства обработки опытных данных;

д) основные контрольные вопросы, позволяющие студентам целенаправленно готовиться к защите отчета о каждой работе;

е) номера рекомендуемых литературных источников (их названия и другие сведения о них даны в списке литературы, приведенном в конце курса).

Выполнение студентами лабораторных работ приводится на виртуальных моделях созданных на основе физического и математического моделирования с использованием компьютерных технологий, разработанных кафедрой «Гидравлика, теплотехника, гидропривод» ТГТУ.

Курс написан на основе многолетнего научно-методического и преподавательского опыта авторов с учетом опыта других ВУЗов России и стран ближнего зарубежья.

ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ, КАСАЮЩИЕСЯ ВЫПОЛНЕНИЯ

ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ, РЕКОМЕНДАЦИИ ПО СОСТАВЛЕНИЮ И ОФОРМЛЕНИЮ ОТЧЁТОВ О РАБОТАХ И ИХ

ЗАЩИТЕ

1. Текстовую часть отчета о каждой лабораторной работе студент должен представлять на отдельных листах белой писчей бумаги формата А4 (210х297 мм), а графическую ( схему установки и график, построенный в масштабе по опытным данным ) - на миллиметровой или потребительской бумаге в клетку. При этом весь графический материал , в том числе надписи и обозначения на нем, должен быть выполнен карандашом. При вычерчивании графиков на осях координат должны быть разбиты шкалы, даны обозначения откладываемых величин и их размерность.

2. Каждый рисунок в отчете должен иметь порядковый номер и пояснительную надпись, располагаемые под рисунком.

3. К выполнению работы допускаются студенты, оформившие в соответствии с изложенными ниже требованиями подготовительную часть отчёта, включающую:

а) название работы и цель её выполнения;

б) основные теоретические положения работы (в конспективном изложении);

в) схему установки, а также рисунки, поясняющие физическую картину изучаемого гидравлического явления;

г) таблицы для записи опытных данных и результатов вычислений.

4. После окончания работы результаты измерений и вычислений должны быть предъявлены преподавателю для подписи.

5. Для получения оценки (в баллах) за выполненную лабораторную работу студент должен предъявить преподавателю полностью оформленный отчёт, т.е. отчёт, дополненный результатами вычислений, графическим материалом, а также выводами (заключением) по работе, ответами на контрольные вопросы, и защитить его.

6. Защита отчёта о работе проводится письменно ( в виде тестирования). При этом студенту предлагается ответить на пять вопросов, в том числе два в виде числовых примеров. На защиту отводится один академический час. Организационно защита проводится одновременно для всей группы студентов в рамках расписания лабораторных занятий.

Лабораторная работа 4

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ИЛЛЮСТРАЦИЯ ЛАМИНАРНОГО И ТУРБУЛЕНТНОГО РЕЖИМОВ ДВИЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ, УСТАНОВЛЕНИЕ ЗАКОНОВ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ КРИТИЧЕСКОГО ЧИСЛА РЕЙНОЛЬДСА

Вводная часть. Многочисленными экспериментальными исследованиями установлено, что движение жидкости может происходить или при ламинарном, или при турбулентном режиме. Ламинарный режим наблюдается при небольших скоростях движения. При этом окрашенные струйки жидкости не перемешиваются, сохраняясь по всей длине потока, т.е. движение жидкости при ламинарном режиме является струйчатым, перемешивание частиц жидкости отсутствует.

Турбулентный режим наблюдается при значительных скоростях и характеризуется интенсивным перемешиванием частиц жидкости, что обуславливает пульсацию скоростей и давления.

Средняя скорость потока, при которой происходит смена режима движения жидкости, называется критической ( _кр). Величина ее, как показывают опыты в трубопроводах круглого сечения, зависит от рода жидкости, характеризуемого динамической вязкостью m и плотностью r, а также от диаметра трубопровода d. Одновременно опытами установлено, что величина безразмерного алгебраического комплекса, отвечающего критической скорости _кр: , (1)

от m, r и d не зависит.

Re_кр(_d₎=2320, называется критическим числом Рейнольдса. Устойчивый ламинарный режим наблюдается при значениях числа Рейнольдса , а турбулентный – при

. Таким образом, число Рейнольдса

(2)

является критерием, позволяющим судить о режиме движения жидкости в круглой трубе, работающей полным сечением.

Величину , входящую в формулы (1) и (2), называют кинематическим коэффициентом вязкости жидкости.

Из изложенного следует, что для определения режима движения жидкости в круглом трубопроводе при напорном движении достаточно вычислить по формуле (2) число Рейнольдса и сравнить его с критическим.

Знание режима движения жидкости необходимо для правильной оценки потерь напора при гидравлических расчетах. Как показывают опыты в круглых трубах при напорном равномерном движении (результаты их представлены на рис.1 в виде графика зависимости потерь напора по длине h_l от средней скорости ), при ламинарном режиме потери напора h_l пропорциональны средней скорости в первой степени, а при турбулентном - в степени . Заметим, что с помощью этого графика определяют величину критической скорости _кр, а через нее - и критическое число Рейнольдса по формуле (1).

Описание установки. Установка включает в себя расположенную горизонтально стеклянную трубу (d=1,0 cм), в которой и изучается движение воды при различных режимах, напорный бак, емкость с раствором красителя, подаваемого открытием краника по трубке во входное сечение стеклянной трубы. Для измерения расхода воды в стеклянной трубе служат мерная емкость и секундомер.

Вода в напорный бак подается по питающему трубопроводу открытием вентиля из резервуара лаборатории. Для поддержания уровня воды в напорном баке во время опытов на постоянной отметке имеется переливное устройство. Температура воды в напорном баке измеряется термометром.

Регулирование расхода воды, а следовательно и средней скорости ее движения в стеклянной трубе, осуществляется краном. На стеклянной трубе имеются пьезометры для определения потерь напора по длине h_l (по разности их показаний).

Цель работы: 1. Убедиться на опыте путем окрашивания струйки воды в стеклянной трубе в существовании ламинарного и турбулентного режимов.

2. Вычислить по данным опытов, проведенных на этой трубе, числа Рейнольдса при ламинарном и турбулентном режимах, сравнить их с критическим, убедиться, что при ламинарном режиме Rе< Re_кр , а при турбулентном – Re > Re_кр.

3. Построить по опытным данным график lgh_l=f(lg ), определить с его помощью критическую скорость _кр, а через нее вычислить критическое число .

4. Подтвердить с помощью графика lgh_l=f(lg ), что при ламинарном режиме потери напора по длине h_l пропорциональны средней скорости в первой степени, а при турбулентном - в степени 1,75 £ m £ 2.

Рис. 2. Схема установки для изучения режимов движения жидкости.

Порядок выполнения работы. 1. Открыть подающий вентиль на питающем трубопроводе и наполнить водой напорный бак настолько, чтобы работало переливное устройство.

2. Открыть незначительно регулирующий вентиль на стеклянной трубке, чтобы скорость движения воды в ней была небольшой (вода должна течь тонкой струйкой).

3. Приоткрыть краник на емкости с красителем и направить в стеклянную трубку небольшое количество раствора красителя, чтобы окрашенная струйка воды представляла собой отчетливо выраженную нить по всей длине трубы.

4. Измерить с помощью мерной емкости и секундомера расход воды Q в трубе.

5. Измерить температуру воды в напорном бакетермометром .

6. Результаты измерений записать в таблицу 1.

7. Увеличить открытием регулирующего вентиля скорость движения воды в стеклянной трубе , но так, чтобы окрашенная струйка жидкости сохранялась, т.е. чтобы режим остался ламинарным, и, выполнив те же измерения, что и в первом опыте, записать их результаты в таблицу 1.

8. Дальнейшим увеличением открытия регулирующего вентиля создать в стеклянной трубке турбулентный режим (об этом будет свидетельствовать интенсивное перемешивание с водой раствора красителя) и выполнить третий и четвертый опыты так, как описано выше. Результаты измерений записать в таблицу 1.

9. Для заполнения таблицы 2 сделать десять аналогичных опытов, увеличивая в каждом опыте открытие регулирующего вентиля в диапазоне от 0 до 100% так, чтобы 4-5 замеров были выполнены в ламинарном режиме, а 5-6 - в турбулентном. Результаты измерений записать в табл. 2.

10. Выполнить все вычисления, предусмотренные табл. 1 и 2.

11. Построить в масштабе по данным табл. 2 график lgh_l= f(lg )

и определить с его помощью критическую скорость , а через неё и , а также показатели степени и и коэффициенты пропорциональности и .

13. Дать заключение по результатам работы.

Основные контрольные вопросы

1. Назовите режимы движения жидкости и укажите их характерные особенности.

2. Поясните, что такое критерий Рейнольдса, и назовите факторы, от которых он зависит, и укажите, в чем заключается его физический смысл?

3. Поясните, что такое критическое число Рейнольдса?

4. Поясните, каким образом при гидравлических расчётах определяют режим движения жидкости и, с какой целью?

5. Поясните, что такое критическая скорость, от каких факторов она зависит и как её определяют?

6. Напишите и поясните аналитические зависимости потерь напора по длине от средней скорости потока при ламинарном и турбулентном режимах движения жидкости.

7. Изобразите график зависимости потерь напора по длине от средней скорости ( в логарифмических координатах) и дайте пояснения к нему.

Таблица 1

№ позиций	Наименования и обозначения измеряемых и вычисляемых величин	Ед. изм.	Рез. измерений и вычислений
Ламин. режим	Турбул. режим
Опыт 1	Опыт 2	Опыт 3	Опыт 4

	Объём воды в мерном сосуде	см³
	Время наполнения объёма	с
	Расход воды	см³/с
	Внутренний диаметр стеклянной трубы	см
	Площадь попереч. сечения трубы	см²
	Средняя скорость движения воды	см/с
	Температура воды T
	Кинематический коэффициент вязкости воды (по справочнику)	см²/с
	Число Рейнольдса	-
	Критическое число Рейнольдса (по справочнику)	-