Методические указания к лабораторным работам по курсу «Гидромеханика»

Институт морская академия

Кафедра «Теплотехника, судовые котлы и вспомогательные установки»

Гидромеханика

Методические указания к лабораторным работам

для курсантов и студентов 3 курса специальности 180405.65
«Эксплуатация судовых энергетических установок»

Санкт-Петербург

Издательство ГУМРФ им. адм. С.О. Макарова

ББК

УДК 532

О

Соответствует Федеральному государственному образовательному стандарту по специальности 180405.65 «Эксплуатация судовых энергетических установок».

В Методических указаниях изложены теоретические основы лабораторных работ, описаны лабораторные стенды, определён порядок проведения работ и обработки результатов экспериментов.

Предназначены для курсантов и студентов 3-го курса.

Рассмотрено и рекомендовано на заседании кафедры «Теплотехника, судовые котлы и вспомогательные установки». Протокол №8 от 24 марта 2015 г.

Рецензент

Подволоцкий Н.М., д-р техн. наук, проф. кафедры «Теплотехника, судовые котлы и вспомогательные установки» (ФГБОУ ВПО «ГУМРФ им. адм. С.О. Макарова»)

Содержание

1. Планы лабораторных работ по гидромеханике. 5

2. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНЫХ СТЕНДОВ.. 8

Лабораторная работа № 1 Экспериментальное определение физических свойств жидкости 10

Лабораторная работа №2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГИДРОСТАТИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ ПРЯМЫХ ПЬЕЗОМЕТРОВ 15

Лабораторная работа № 3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕСТНОЙ СКОРОСТИ ЖИДКОСТИ С ПОМОЩЬЮ ТРУБКИ ПИТО 18

Лабораторная работа № 4 ИССЛЕДОВАНИЕ УРАВНЕНИЯ БЕРНУЛЛИ ПРИ НАПОРНОМ ДВИЖЕНИИ ЖИДКОСТИ В ТРУБОВОДЕ 21

Лабораторная работа №5 Определение режима движения вязкой жидкости и числа Рейнольдса 25

Лабораторная работа №6 Определение коэффициента гидравлического трения и коэффициентов местных сопротивлений ПРИ НАПОРНОМ ДВИЖЕНИИ ЖИДКОСТИ В ТРУБОВОДЕ. 29

Библиографический список. 35

Лабораторный практикум по курсу «Гидромеханика» направлен на формирование следующих компетенций специалиста по специальности «Эксплуатация судовых энергетических установок» в соответствии с ФГОС ВПО

1. Планы лабораторных работ по гидромеханике

2. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНЫХ СТЕНДОВ

2.1. Гидравлический стенд №1

Гидравлический стенд №1 (рис. 1) состоит из бака 1, служащего одновременно основанием установки, напорного резервуара 2, наклонной трубы переменного сечения 3 с пьезометрами 4 и трубками Пито 5.

Напорный резервуар наполняется водой насосом, который подает воду из внутреннего автономного резервуара. В напорном баке поддерживается постоянный уровень за счет переливной трубы 6. Насос включается тумблером 7. Расход воды в наклонной трубе регулируется краном 8.

Визуализация потока жидкости, протекающей в канале переменного сечения, достигается за счет прозрачной стенки, выполненной из органического стекла.

2.2. Гидравлический стенд №2

Напорный резервуар наполняется водой с помощью насоса, который подает воду из внутреннего автономного резервуара. В напорном баке поддерживается постоянный уровень за счет переливной трубы. Насос включается тумблером 7.

На передней панели установки скомпонованы маховички управления краном подвода воды в напорный бак, краном регулирования расхода 5 в опытной трубе и краном слива 6 из мерного бачка.

E 70j8g7VIvVGnFEIJcSpUhBA9lSYXbpt4SVLidRS7beDrcXuBy0qjGc28TZej6cSBBtdaVjCbRiCI K6tbrhUU+cv1AoTzyBo7y6Tgmxwss8uLFBNtj/xOh62vRShhl6CCxvs+kdJVDRl0U9sTB+/TDgZ9 kEMt9YDHUG46eRNFsTTYclhosKdVQ9XXdm8UPOe7opz/bIpxne9WrzP/8VZu7pSaXI1PjyA8jf4v DCf8gA5ZYCrtnrUTnYLwiD/f4N0uHkCUCuL7GGSWyv/s2S8AAAD//wMAUEsBAi0AFAAGAAgAAAAh ALaDOJL+AAAA4QEAABMAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAFtDb250ZW50X1R5cGVzXS54bWxQSwECLQAU AAYACAAAACEAOP0h/9YAAACUAQAACwAAAAAAAAAAAAAAAAAvAQAAX3JlbHMvLnJlbHNQSwECLQAU AAYACAAAACEAMfbJyR4CAADYAwAADgAAAAAAAAAAAAAAAAAuAgAAZHJzL2Uyb0RvYy54bWxQSwEC LQAUAAYACAAAACEAA5UxPN0AAAADAQAADwAAAAAAAAAAAAAAAAB4BAAAZHJzL2Rvd25yZXYueG1s UEsFBgAAAAAEAAQA8wAAAIIFAAAAAA== " strokecolor="windowText" strokeweight="1.5pt">

Рис. 2. Гидравлический стенд №2

Длина прямого участка трубопровода между 1 и 2 пьезометрами — 1м, внутренний диаметр трубы в узком сечении — 10 мм, в широком сечении — 22 мм.

Лабораторная работа № 1
Экспериментальное определение физических свойств жидкости

1. Цель работы

Ознакомление со способами измерения физических свойств жидкости

2. Теоретические основы работы

В модели сплошной среды жидкостям и газам приписываются определенные физические свойства, адекватно отражающие состояние реального вещества и изменение его состояния в различных процессах.

Масса единицы объёма вещества называется плотностью, (ρ, кг/м³). Величина, обратная плотности называется удельным объёмом (u , м³/кг)

;

.

Способность жидкостей и газов при изменении температуры изменять свой объём называется тепловым расширением и характеризуется коэффициентом температурного объёмного расширения b_t, К^-1. Он численно равен относительному изменению объёма V при изменении температуры на один Кельвин (К) при постоянном давлении:

или .

Для жидкостей коэффициент b_t зависит от температуры и давления.

Способность жидкости изменять свой объём под действием давления называется сжимаемостью и характеризуется коэффициентом объёмного сжатия b_р, Па^-1. Он численно равен относительному изменению объёма V при изменении давления р на единицу при неизменной температуре

или

где V₀, ρ₀ – начальные значения объёма и плотности (до изменения температуры или давления).

Вязкость — свойство жидкости сопротивляться относительному сдвигу ее слоев. Ее оценивают динамическим коэффициентом вязкости µ, который измеряется в паскаль-секундах (Па⋅с) и равен касательному напряжению между соседними слоями, при единичном градиенте скорости. Кинематический коэффициент вязкости ν определяют из формулы ν = µ/ρ и измеряют квадратными метрами на секунду (м²/с) или Стоксами (1 Ст = 1 см²/с).

Поверхностное натяжение — свойство жидкости образовывать поверхностный слой взаимно притягивающихся молекул, характеризуется коэффициентом поверхностного натяжения σ, равным работе, необходимой для увеличения площади поверхности жидкости при постоянной температуре на единицу. Значения ρ, β_Р, β_t, ν и σ для некоторых жидкостей при 20 ^оС приведены в табл. 1.

Таблица 1

Физические свойства некоторых жидкостей

3. Экспериментальное определение физических свойств жидкостей

Лабораторная работа выполняется на настольном лабораторном стенде, показанном на рис. 3.

Рис. 3. Настольный лабораторный стенд: 1 — термометр; 2 — ареометр; 3 — вискозиметр Стокса; 4 — капиллярный вискозиметр; 5 — сталагмометр

3.1. Определение коэффициента температурного
объёмного расширения жидкости

Коэффициент теплового расширения термометрической жидкости определяется на основе мысленного эксперимента, т. е. предполагается, что температура окружающей среды повысилась от нижнего (нулевого) до верхнего предельного значения термометра и уровень жидкости в капилляре возрос на величину l.

В ходе работы выполнить следующие операции:

1. Подсчитать общее число градусных делений ∆Т в шкале термометра и измерить расстояние l между крайними штрихами шкалы.

2. Вычислить приращение объема термометрической жидкости ∆V = πr²l, где r = 0,01 см — радиус капилляра термометра.

3. С учетом начального (при 0 ^◦С) объема спирта V₀ = 0,0274 см³ найти значение коэффициента температурного объёмного расширения и сравнить его со справочным значением β_t (табл. 1).

3.2. Определение плотности жидкости ареометром

Ареометр 2 служит для определения плотности жидкости поплавковым методом. Он представляет собой пустотелый цилиндр с миллиметровой шкалой и грузом в нижней части. Благодаря грузу ареометр плавает в исследуемой жидкости в вертикальном положении. Глубина погружения ареометра считывается со шкалы по верхнему краю мениска жидкости вокруг ареометра. В обычных ареометрах шкала отградуирована сразу по плотности.

В ходе работы выполнить следующие операции:

1) измерить глубину погружения h ареометра по миллиметровой шкале на нем;

2) вычислить плотность жидкости по формуле ρ = 4m/(πd² h), где m = 5,5 г и d = 1,1 см — масса и диаметр ареометра. Эта формула получена путем приравнивания силы тяжести ареометра G = mg и выталкивающей (архимедовой) силы P_A=ρgV, где V — объем погруженной части ареометра V = (πd²/4)h;

3) сравнить опытное значение плотности воды ρ со справочным значением (см. табл.1).

3.3. Определение вязкости жидкости вискозиметром Стокса

Вискозиметр Стокса 3 представляет собой цилиндрическую емкость, заполненную исследуемой жидкостью, в которой находится шарик. Прибор позволяет определить вязкость жидкости по времени падения шарика.

В ходе работы выполнить следующие операции:

1) повернуть стенд в вертикальной плоскости на 180^о и зафиксировать секундомером время t прохождения шариком расстояния l = 0,07 м между двумя метками в приборе 3. Шарик должен падать по оси емкости без соприкосновения со стенками. Опыт выполнить три раза, а затем определить среднеарифметическое значение времени t;

2) вычислить опытное значение кинематического коэффициента вязкости жидкости (М8-В)

ν = gd² t(ρ_ш/ρ – 1)/[18l + 43,2*l(d/D)],

где g — ускорение свободного падения; d =0,008 м, D = 0,02 м — диаметры шарика и цилиндрической емкости; ρ = 900 кг/м³, ρ_ш = 982 кг/м³ — плотности жидкости и материала шарика;

3) сравнить опытное значение коэффициента вязкости ν с табличным значением (см. табл. 1).

3.4. Определение вязкости жидкости капиллярным вискозиметром

Капиллярный вискозиметр 4 включает емкость с капилляром. Вязкость определяется по времени истечения жидкости из емкости через капилляр.

В ходе работы выполнить следующие операции:

1) перевернуть стенд (см. рис. 3.) в вертикальной плоскости и определить секундомером время t истечения через капилляр объема жидкости между метками (высотой S) из емкости вискозиметра 4 и температуру Т по термометру 1;

2) вычислить значение кинематического коэффициента вязкости ν = Мt (М = 300∙10^-6 — постоянная прибора) и сравнить его с табличным значением ν (см. табл. 1).

Примечание. В табл. 1. приведены значения коэффициента вязкости жидкостей при температуре 20 °С. Поэтому опытные значения, полученные при другой температуре, могут существенно отличаться от табличных значений.

3.5. Определение вязкости жидкости капиллярным сталагмометром

Сталагмометр 5 служит для определения поверхностного натяжения жидкости методом отрыва капель. Он содержит емкость с капилляром, расширенным на конце для накопления жидкости в виде капли. Сила поверхностного натяжения в момент отрыва капли равна ее весу (силе тяжести) и поэтому определяется по плотности жидкости и числу капель, полученному при опорожнении емкости с заданным объемом.

В ходе работы выполнить следующие операции:

1) перевернуть стенд и подсчитать число капель, полученных в сталагмометре 5 из объема высотой S между двумя метками. Опыт повторить три раза и вычислить среднее арифметическое значение числа капель n;

2) найти опытное значение коэффициента поверхностного натяжения масла М8-В

σ = Кρ/n,

где К = 6,1∙10^-3, м³/с (постоянная сталагмометра) и сравнить его с табличным значением (см. табл.1).

Лабораторная работа №2
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГИДРОСТАТИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ ПРЯМЫХ ПЬЕЗОМЕТРОВ

1. Цель работы

Научиться определять абсолютное и избыточное давление с помощью прямых пьезометров и барометра.

2. Теоретические основы работы

Силы давления относятся к поверхностным силам, которые характеризуются напряжением.

Напряжение — это сила, действующая на единицу поверхности. Поскольку в покоящейся жидкости не происходит относительного перемещения слоев, следовательно, в ней отсутствуют касательные напряжения.

Нормальные напряжения в покоящейся жидкости называются гидростатическим давлением.

Свойства гидростатического давления:

– давление всегда направлено по нормали к поверхности, на которую оно действует;

– давление всегда стремится сжать выделенный объём;

– давление в данной точке жидкости или газа со всех сторон одинаково;

– давление в любом горизонтальном слое покоящейся жидкости постоянно, т. е. величина гидростатического давления изменяется только по вертикали (при переходе от слоя к слою).

Абсолютное давление в покоящейся жидкости (или газе) на глубине h определяется основным уравнением гидростатики:

, Па (1)

где р₀ — давление, приложенное к жидкости (например, атмосферное);

р_и = rgh — избыточное давление, обусловленное весом вышележащих слоев жидкости;

ρ — плотность жидкости, кг/м³;

g — ускорение свободного падения, м/с².

Пьезометры и манометры — простейшие приборы для измерения избыточного давления.

Пьезометр представляет собой вертикальную стеклянную трубку, верхний конец которой открыт в атмосферу, а нижний присоединен к емкости с измеряемым давлением (рис. 4).

Рис. 4. Измерение избыточного давления с помощью пьезометра ?

3. Экспериментальное определение абсолютного давления

Лабораторная работа выполняется на гидравлическом стенде №1, показанном на рис. 1.

Последовательность действий:

1) заполните напорный резервуар водой, включив насос тумблером 7. Кран 8 должен быть закрыт;

2) определите атмосферное давление по показаниям барометра: р_а, мм рт. ст.;

3) определите атмосферное давление в Па

;

4) определите показания прямых пьезометров h_p в пяти точках покоящейся жидкости, находящихся на разной высоте, показания занесите в табл. 2;

5) вычислите абсолютное давление по формуле (1), результаты занесите в табл. 2;

6) сделайте выводы по результатам эксперимента.

Таблица 2

Результаты эксперимента

Лабораторная работа № 3
ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕСТНОЙ СКОРОСТИ ЖИДКОСТИ С ПОМОЩЬЮ ТРУБКИ ПИТО

1. Цель работы

Научиться определять местную скорость потока с помощью трубки Пито.

2. Теоретические основы работы

Скорость жидкости в данной точке потока называется местной скоростью. При движении реальной (вязкой) жидкости происходит искривление профиля скорости (за счёт торможения потока около твёрдой стенки). Скорость жидкости максимальна на оси канала и падает до нуля на стенках (рис. 5).

В покоящейся жидкости величина гидростатического давления не зависит от ориентации площадки, на которую оно действует. Согласно уравнению Бернулли полное давление в движущейся жидкости р* складывается из статической и динамической составляющих.

, Па (2)

р* сохраняет своё значение вдоль линии тока.

Рис. 5. Профиль скорости при ламинарном движении в круглой трубе ?

Если линии тока горизонтальны (z = const), уравнение (2) упрощается:

(3)

Разделим выражение (3) на rg

,

где h_w, м — скоростная высота

, (4)

h_p, м — пьезометрическая высота

.

Скоростную высоту можно измерить с помощью прямого пьезометра, у которого площадка, воспринимающая давление, ориентирована параллельно потоку жидкости, и изогнутого пьезометра (трубки Пито), у которого площадка, воспринимающая давление, ориентирована перпендикулярно потоку жидкости и, следовательно, на нее действует и гидростатическое давление, и скоростной напор.

Разность показаний этих приборов будет равна скоростной высоте hw (рис. 6). Зная скоростную высоту, легко определить местную скорость потока из формулы (4).

Рис. 6.Трубка Пито ?

3. Экспериментальное определение местной скорости потока

Лабораторная работа выполняется на гидравлическом стенде №1, показанном на рис. 1.

Последовательность действий:

1) заполните напорный резервуар водой, включив насос тумблером 7;

2) полностью откройте кран 8;

3) измерьте показания прямого h_p и изогнутого h₀ пьезометров в пяти сечениях. Результаты измерений занесите в табл. 3.

Таблица 3

Результаты эксперимента

4. Обработка результатов эксперимента

1. Определите скоростную высоту в каждом из сечений

h_w = h₀ – h_p.

2. Вычислите местную скорость потока на оси трубы по формуле

.

3. Результаты расчёта занесите в табл. 3.

4. Сделайте выводы по результатам эксперимента.

Лабораторная работа № 4
ИССЛЕДОВАНИЕ УРАВНЕНИЯ БЕРНУЛЛИ ПРИ НАПОРНОМ ДВИЖЕНИИ ЖИДКОСТИ
В ТРУБОВОДЕ

1. Цель работы

Исследовать изменение параметров потока при движении реальной жидкости в наклонном трубопроводе переменного сечения.

2. Теоретические основы работы

Уравнение Бернулли выражает закон сохранения энергии применительно к потоку движущейся жидкости. Слагаемые уравнения Бернулли (2) представляют собой удельную потенциальную и кинетическую энергию потока. Полная удельная энергия движущегося потока есть величина постоянная, поэтому изменение одного вида энергии осуществляется за счет другого, т. е. в потоке жидкости происходит перераспределение энергии. Например, если в горизонтальной трубе (z = const) за счет сужения канала увеличивается скорость потока, то гидростатическое давление жидкости уменьшается, (потенциальная энергия давления переходит в кинетическую энергию); если в вертикальной трубе постоянного сечения жидкость поднимается на некоторую высоту z, то увеличение потенциальной энергии положения происходит также за счет понижения гидростатического давления.

Для двух произвольных сечений потока идеальной жидкости на любой линии тока будет справедливо уравнение (2)

, (5)

здесь — скоростной напор; р — пьезометрическое давление; ρgz — давление столба жидкости высотой z; р*- полный напор (или полное давление).

Величина z называется нивелирной высотой — это расстояние от произвольной горизонтальной плоскости сравнения до данной линии тока.

Поскольку при движении реальной жидкости в канале скорость меняется по высоте сечения, то для каждой линии тока будут свои значения w₁ и w₂. Поэтому в уравнении Бернулли для потока реальной жидкости удобнее использовать не местную, а среднюю скорость потока. Однако удельная кинетическая энергия потока, определённая по средней скорости, не равна реальной кинетической энергии потока, поэтому при переходе от местной к средней скорости потока вводится поправочный коэффициент, учитывающий неравномерность профиля скорости

,

где Е_К — реальная удельная кинетическая энергия потока, Е_Кср — удельная кинетическая энергия, определённая по величине средней по сечению скорости потока.

Для невязкой (идеальной) жидкости , и α = 1. Во всех других случаях α > 1. Для ламинарного потока в круглой трубе α= 2. Для турбулентного режима α <1,5 и приближается к 1 с увеличением числа Re.

По ходу движения вязкой жидкости, полная энергия потока частично затрачивается на трение между частицами самой жидкости, на трение о стенки канала и на преодоление местных гидравлических сопротивлений. Потери энергии в потоке реальной жидкости проявляются в снижении полного напора р*, а, следовательно, и гидравлической высоты Н*.

В уравнении Бернулли такое снижение полной энергии потока между двумя сечениями 1 и 2 учитывается членом

, Па (6)

или

, м

где — падение давления (гидравлические потери) на участке между сечениями 1 и 2, Dh_(1-2) — падение гидравлической высоты на участке между сечениями 1 и 2.

Рис. 7. Схема лабораторной установки «Исследование уравнения Бернулли»?

3. Экспериментальное исследование уравнения Бернулли

Лабораторная работа выполняется на гидравлическом стенде №1, показанном на рис. 1.

Последовательность действий:

1) заполните напорный резервуар водой, включив насос тумблером 7 (рис. 1). Кран 8 должен быть закрыт;

2) плавно откройте регулировочный кран 8 и установите заданный режим опыта. Режимы рекомендуется выбирать такими, чтобы скоростной напор в наиболее узком сечении канала находился в пределах 50 – 150 мм;

3) измерьте нивелирную высоту z в каждом из сечений, как показано на рис. 7;

4) измерьте показания прямого h_p и изогнутого h₀ пьезометров для режима I;

5) результаты измерений занесите в табл. 4;

6) при помощи крана 8 измените режим движения, увеличив расход, и повторите измерения для режима II.

Таблица 4

Результаты эксперимента

4. Обработка результатов эксперимента

1. Определите скоростную высоту в каждом из сечений: hw = h₀ – h_p

2. Вычислите местную скорость потока на оси трубы по формуле

3. Определите гидравлическую высоту (полный напор): H* = z + h_p + h_w.

4. Определите гидравлические потери между сечениями: Dh_i = H*_i – H*_i + 1.

5. Результаты вычислений занесите в табл. 4.

6. Изобразите в масштабе на рисунке показания пьезометров и нивелирную высоту в каждом из сечений (аналогично рис. 7) для одного из режимов.

7. Постройте накопительный график зависимости составляющих уравнения Бернулли от номера сечения для двух режимов на одном рисунке.

8. Сделайте выводы по результатам эксперимента.

Лабораторная работа №5
Определение режима движения вязкой жидкости и числа Рейнольдса

1. Цель работы

Понимание условий перехода от ламинарного режима движения к турбулентному и обратного перехода.

2. Теоретические основы работы

Многочисленные наблюдения выявили два качественно различных режима движения жидкости. Режим движения, при котором нет перемешивания между слоями жидкости, называется ламинарным. Траектории движения частиц при этом параллельны друг другу и определяются формой поверхностей обтекаемых тел.

Течение, в котором частицы жидкости движутся хаотически, происходит перемешивание между слоями жидкости, а линии тока пересекаются и непрерывно меняют своё положение и форму называется турбулентным.

В качестве универсального критерия, позволяющего определить режим движения жидкости в различных случаях, применяется безразмерное число (критерий) Рейнольдса (Re), которое в совокупности учитывает скорость потока, его размеры, а также вязкость и плотность жидкости

,

где w — характерная скорость жидкости (для трубы — , для корабля — скорость корабля), м/с.

l — характерный линейный размер потока (в трубе — диаметр трубы d, для корабля — его длина);

m — динамический коэффициент вязкости жидкости, Па∙с= кг/(м×с);

n — кинематический коэффициент вязкости жидкости, м²/с.

Таким образом, число Re учитывает все факторы, от которых зависит режим движения жидкости за исключением формы потока, шероховатости стенок и уровня внешних возмущений. Оно определяет соотношение между силами инерции и силами вязкости .

При некотором значении (верхнее критическое число Рейнольдса) ламинарный режим переходит в турбулентный. При дальнейшем увеличении скорости потока турбулентный режим будет сохраняться.

При некотором значении (нижнее критическое число Рейнольдса) турбулентный режим переходит в ламинарный. При дальнейшем уменьшении скорости потока ламинарный режим будет сохраняться.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: