Е.А. Крестин, Н.Г. Калмычкова

Е.А. Крестин, Н.Г. Калмычкова

Журнал лабораторных работ по гидравлике
Часть I
Портативная лаборатория «Капелька»

Самара 2012

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

ИЗУЧЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЖИДКОСТИ

Цель работы: ________________________________________________________________
______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Теория вопроса: ______________________________________________________________
____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Описание опытной установки

Рис.1. Схема устройства №1:

1-________________________________________________,

2-________________________________________________,

3-________________________________________________,

4-________________________________________________,

5-________________________________________________

Порядок выполнения работы

1 Определение коэффициента теплового расширения жидкости

Термометр 1 имеет стеклянный баллон с капилляром, заполненные термометрической жидкостью, и шкалу. Принцип его действия основан на тепловом расширении жидкостей. Варьирование температуры окружающей среды приводит к соответствующему изменению объема термометрической жидкости и ее уровня в капилляре. Уровень указывает на шкале значение температуры.

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

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

Вычислить приращение объема термометрической жидкости ,

где r –радиус капилляра термометра.

С учетом начального (при 0 °С) объема термометрической жидкости W найти значение коэффициента теплового расширения и сравнить его со справочным значением (табл. 1.1). Значения используемых величин занести в таблицу 1.2.

Измерение плотности жидкости ареометром

Этот метод определения плотности основан на измерении объёма тела, которое плавает на поверхности жидкости. Глубина погружения ареометра является мерой плотности жидкости и считывается со шкалы по верхнему краю мениска жидкости вокруг ареометра.

Ареометр 2 представляет собой пустотелый цилиндр с миллиметровой шкалой и грузом в нижней части. Благодаря грузу ареометр плавает в исследуемой жидкости в вертикальном положении. На ареометр действуют две силы: сила тяжести G = mg (где m – масса ареометра) и архимедова подъёмная сила R = ρgW (где W = hπd²/4 – объём погруженной части ареометра;
h – глубина погружения ареометра), которые равны по величине и противоположно направлены G = R или

mg = ρghπd²/4,

откуда

ρ = 4m/hπd².

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/hπd².

3. Сравнить опытное значение плотности ρ со справочным значением ρ^* (см. табл. 1.1). Значения используемых величин свести в таблицу 1.3.

Измерение вязкости капиллярным вискозиметром

Этот метод определения вязкости основан на наблюдении над расходом жидкости, проходящей через калиброванную капиллярную трубку. При ламинарном режиме течения жидкости в капилляре допустимо применять закон продольного внутреннего трения, установленный Ньютоном. Отсутствие влияния стенок на потери напора на трение, которое обусловлено прилипанием жидкости к стенкам капилляра, позволяет исследовать трение жидкости о жидкость, а не жидкости о стенку. Потери напора в этом случае прямо пропорциональны вязкости жидкости и определяются по формуле Пуазейля – Гагена:

h_тр = 32 νlv_ср / gd².

Измеряя прошедшее через капиллярную трубку за время τ количество жидкости W и падение давления (p₁ – p₂) на участке длиной , можно найти кинематическую вязкость жидкости ν по формуле

или ν = Мτ,

где М – постоянная прибора.

В ходе выполнения работы выполнить следующие операции.

1. Перевернуть устройство № 1 (см. рис. 1.1) в вертикальной плоскости и определить секундомером время τ истечения через капилляр объема жидкости между метками (высотой S) из ёмкости вискозиметра 4 и температуру t по термометру 1 (прибора № 1).

2. Вычислить значение коэффициента кинематической вязкости ν = Мτ и сравнить его с табличным значением ν^* (см. табл. 1.1). Данные свести в таблицу 1.5.

Обработка опытных данных. Выполнение расчетов

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

Порядок выполнения работы

1. В резервуаре 2 над жидкостью создать давление выше атмосферного (р > р ), о чем свидетельствуют превышение уровня жидкости в пьезометре 3 над уровнем в резервуаре и прямой перепад уровней в мановакуумметре 5 (рис. 2.1 а). Для этого устройство поставить на правую сторону, а затем повернуть его против часовой стрелки на 90º. Снять показания пьезометра h_{п ,} уровнемера Н и мановакуумметра h .

2. Вычислить абсолютное давление на дне резервуара через показания пьезометра, а затем через величины, измеренные уровнемером и мановакуумметром. Для оценки сопоставимости результатов определения давления на дне резервуара двумя путями найти относительную погрешность .

3. Над свободной поверхностью жидкости в резервуаре 2 создать вакуум (р_о<р ), когда уровень жидкости в пьезометре 3 становится ниже, чем в резервуаре, а на мановакуумметре 5 появляется обратный перепад h_в (рис.2.1 б). Для этого поставить устройство на левую сторону, а затем наклоном вправо отлить часть жидкости из резервуара 2 в левое колено мановакуумметра 5. Далее выполнить операции по п.п. 2 и 3.

4. Повернуть устройство против часовой стрелки на угол 180 º (рис 2.1 в) и определить манометрическое или вакуумметрическое давление в заданной преподавателем точке С через показания h мановакуумметра 5, а затем с целью проверки найти его через показания обратного пьезометра 3 и уровнемера 4.

В процессе проведения опытов и обработки экспериментальных данных заполнить таблицу 2.1.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕЖИМА ТЕЧЕНИЯ

Цель работы: _________________________________________________________________
________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Теория вопроса: ______________________________________________________________
________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Порядок выполнения работы

1. Создать в канале 4 течение жидкости (рис. 4.1 а, методические указания) при произвольном наклоне устройства № 3 от себя.

2. Измерить время перемещения уровня воды в баке на некоторое расстояние S и снять показания термометра t, находящегося в устройстве № 1.

3. Подсчитать число Рейнольдса по формуле, указанной в табл. 4.1.

4. Повернуть устройство в его плоскости на 180º (рис. 4.1 б) и выполнить операции по п. 2, 3.

5. Сравнить полученные значения чисел Рейнольдса между собой и затем на основе сравнения с критическим значением сделать вывод о режиме течения.

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5

Порядок выполнения работы

1. Занести в таблицу 5.1 характеристики устройства № 4: .

2. При заполненном водой баке 2 (рис. 5.1) перевернуть устройство для получения течения в канале переменного сечения 3.

3. Снять показания пьезометров H_п=р/ g no нижним частям менисков воды в них.

4. Измерить время перемещения уровня в баке на величину S, измеряемую шкалой 5.

5. По размерам А и В поперечного сечения бака, перемещению уровня S и времени определить расход Q воды в канале3.

6. Определить скоростныеи полныенапоры в сечениях канала по формулам, заданным в табл. 5.1.

7. Вычертить в масштабе канал с пьезометрами (рис. 5.2). Соединив уровни жидкости в пьезометрах с центром выходного сечения канала, построить пьезометрическую линию 1, показывающую изменение потенциальной энергии вдоль потока. Для получения напорной линии (линии удельной механической энергии) отложить от оси канала полные напоры Н и соединить полученные точки.

8. Проанализировать изменение полной механической Н, потенциальной р/ g) и кинетической V²/2g энергий жидкости вдоль потока, выяснить соответствие этих изменений уравнению Бернулли.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6

Порядок выполнения работы

1. Перенести из табл. 5.1 значения площадей сечений и скоростей в табл. 6.1.

2. Определить опытные значения местных потерь h_м из графика (см. рис. 5.2).

3. Найти расчетное значение местных потерь при внезапном сжатии, сравнить его с опытным и объяснить расхождения.

4. Результаты расчета занести в табл.6.1.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7

Порядок выполнения работы

1. При заполненном водой баке 1 поставить устройство № 4 на стол баком 2 (рис 5.1).

2. Снять показания пьезометров I-V, измерить время изменения уровня в баке на величину S и температуру t в помещении.

3. Построить попоказаниям пьезометров пьезометрическую линию. На этойлинии выделить участок с постоянным уклоном (обычно участок III-V), соответствующий равномерному течению. Определитьего длину иопытноезначение потерь h_ℓ попоказаниям крайних пьезометров на нем (рис 5.1).

4. Найти число Рейнольдсаи расчетноезначение потерь напора h_ℓ по формулам, приведенным в табл. 7.1, и относительное расхождение опытного и расчетного значений потерь напора. Объяснить это расхождение.

Обработка опытных данных. Выполнение расчетов:

ПРИЛОЖЕНИЯ

 

Приложение А

Приложение Е

Методика определения периода времени

При истечении жидкости из резервуара с площадью поперечного сечения через отверстие с площадью за период времени напор в резервуаре изменится от до . При отсутствии притока воды в призматический резервуар время изменения напора от до определяется по формуле

,

где μ - коэффициент расхода ();

g - ускорение силы тяжести;

H₁ -начальный напор воды над центром отверстия в резервуаре;

H₂ - конечный напор над центром отверстия в резервуаре;

t - время истечения воды.

Е.А. Крестин, Н.Г. Калмычкова

Журнал лабораторных работ по гидравлике
Часть I
Портативная лаборатория «Капелька»

Самара 2012

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1