Гидравлика и нефтегазовая гидромеханика

ГИДРАВЛИКА И НЕФТЕГАЗОВАЯ ГИДРОМЕХАНИКА

Руководство к лабораторным работам

Учебно-методическое пособие

 

 

Ульяновск 2014

 

 

Учебно-методическое пособие содержит материал, облегчающий студентам подготовку и проведение лабораторных работ по дисциплине «Гидравлика и нефтегазовая гидромеханика».

Пособие разработано профессором кафедры нефтегазового дела и сервиса, кандидатом технических наук, Германовичем П.К.

 

 

Содержание

Введение ……………………………………………………………………………………………4

Описание лабораторного стенда "Гидростатика ГС" ……………………….5

Лабораторная работа №1 …………………………………………………………………6

Лабораторная работа №2 …………………………………………………………………8

Лабораторная работа №3 ……………………………………………………………….11

Описание лабораторного стенда "Гидродинамика ГД" …………………12

Работа №1. Потери напора в круглой трубе …………………………………..18

Работа №2. Потери напора при внезапном расширении ………………21

Работа №3. Диаграмма уравнения Бернулли ………………………………..24

Работа №4. Режимы течения ………………………………………………………….26

Приложение 1. Вопросы для самопроверки ………………………………….28

Приложение 2. Вопросы для защиты лабораторных работ …………..29

Приложение 3. Вопросы для подготовки к экзамену……………………..30

 

Введение

В пособии приводятся краткие теоретические основы по разделам «Гидростатика» и «Гидродинамика». Дается описание лабораторных стендов «Гидростатика ГС» и «Гидродинамика ГД», позволяющих выполнить три лабораторные работы: «Измерение гидростатических давлений с помощью жидкостных и механических приборов», «Определение плотности неизвестной жидкости», «Определение сил давления жидкости на плоские стенки» по гидростатике и четыре лабораторные работы: «Потери напора по длине в круглой трубе», «Потери на внезапном расширении», «Диаграмма уравнения Бернулли», «Режимы течения» по гидродинамике. Изложены методики проведения указанных лабораторных работ, порядок выполнения расчетов исследуемых величин, формы таблиц для результатов экспериментов, а также вопросы для самопроверки обучаемых.

 

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГИДРОСТАТИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ.

Лабораторная работа №1.

1.1. Цель работы

Целью настоящей работы является освоение студентом способов измерения гидростатического давления.

При подготовке к работе, в процессе выполнения работы и при обработке результатов опытов студент должен:

- ознакомиться с различными приборами для измерения давления;

- определить давление под крышкой бак по показаниям пьезометра и батарейного мановакуумметра и сравнить их с показаниями механического прибора.

 

1.2. Порядок проведения опытов по измерению гидростатических давлений.

Режим избыточного давления (опыт №1)

1.2.1. Записать показания пьезометра П1, соответствующие уровню свободной поверхности жидкости в баке при атмосферном давлении;

1.2.2. С помощью компрессора установить в баке режим избыточного давления. Для этого необходимо проделать следующие операции:

1. Закрыть кран В5, отсекая мановакуумметр П2 от бака (кран В3 при этом открыт; см. рис.1);

2. На пульте управления закрыть кран В2 «Разрежение»; открыть кран В1 «Нагнетание»;

3. Включить тумблер «Сеть»;

4. Установить тумблер «Режимы» в положение «Нагнетание»;

5. Нажать кнопку «Пуск» и установить по показаниям пьезометра П1 необходимое давление;

NB! Не допускать, чтобы рабочая жидкость под действием избыточного давления выплеснулась через открытый конец П1. Учитывая инерционность жидкости и медленное заполнение ею пьезометра необходимо периодически отпускать кнопку «Пуск», дожидаясь стабилизации уровня жидкости в П1.

6.Отпустить кнопку «Пуск» и перекрыть кран «Нагнетание»;

1.2.3. Зафиксировать показания Н₁ пьезометра П1, показания батарейного манометра П3 и показания механического прибора МН1; записать эти показания в табл.1 и табл.2 в журнал отчетов по лабораторным работам;

1.2.4. Сбросить избыточное давление в баке, для чего открыть краны В1 «Нагнетание», В2 «Разрежение» и кран В5.

1.2.5. Записать по показаниям барометра атмосферное давление, а также плотности используемых жидкостей в журнал отчетов.

Режим вакуумметрического давления (опыт №2)

1.2.6. Записать в журнал отчетов показания пьезометра П1, соответствующие уровню свободной поверхности жидкости в баке при атмосферном давлении;

1.2.7. С помощью пылесоса установить в баке режим вакуумметрического давления. Для этого необходимо:

1. Закрыть кран В5, отсекая мановакуумметр П2 от бака (кран В3 при этом открыт);

2. Закрыть кран В1 «Нагнетание», открыть кран В2 «Разрежение»;

3. Включить тумблер «Сеть»;

4. Установить тумблер «Режимы» в положение «Разрежение»;

5. Нажать кнопку «Пуск» и установить по показаниям пьезометра П1 нужное давление;

NB! Необходимо следить, чтобы жидкость под действием вакуумметрического давления не опустилась до нижнего края пьезометра П1.

6. Отпустить кнопку «Пуск» и перекрыть кран «Разрежение»;

7. Далее повторить п.п. 1.2.3, 1.2.4.

 

Лабораторная работа №2.

2.1. Цель работы – приобретение навыков определения плотности неизвестной жидкости по показаниям жидкостных и механического приборов.

2.2. Порядок выполнения работы

одновременно с лабораторной работой №1. Необходимо выполнить следующее:

1. Сбросить давление под крышкой бака до атмосферного;

2. Открыть кран В5 (кран В3 также должен быть открыт);

3. Выполнить п.п.3.2.1, 3.2.2 (кран В5 – открыт!); при этом необходимо следить, чтобы испытуемая жидкость не доходила до высшей точки левого колена П2;

!!! Необходимо также контролировать положение рабочей жидкости в левом канале пьезометра П1 в соответствии с поз. 5 п.п. 3.2.2, так как испытуемая жидкость может иметь плотность большую, чем плотность рабочей жидкости.

4. Записать в журнал отчетов показания приборов в соответствии с п.п. 2.3.3;

5. Зафиксировать показания h₁ и h₂ U – образного мановакуумметра П2 и занести их в табл.3 журнала отчетов.

2.3 Порядок выполнения работы по определению плотности жидкости с использованием механических приборов.

Конструкция пьезометрического щита 4 и пьезометров П1 и П2 такова (см. рис. 1), что при возможных реализуемых режимах (манометрическом и вакуумметрическом) перепад ∆h в пьезометре П2 всегда меньше перепада ∆H в пьезометре П1 (если только плотность неизвестной жидкости не окажется много меньшей, чем плотность рабочей жидкости). Для расширения диапазона рабочих давлений до предусмотренных конструкцией пьезометра П1 с одновременным определением плотности неизвестной жидкости предусмотрена возможность «поднапоривания» левой трубки U-образного мановакуумметра П2 с измерением давления в этой трубке с помощью механического прибора – манометра МН2. Для выполнения работы необходимо:

1.Открыть кран В5; закрыть кран В3;

2.Установить необходимый режим, соблюдая особые меры предосторожности при выполнении п.п.2.3.2 и 2.3.7 п.2.3;

3.Записать показания мановакуумметра П2 и показания механического прибора МН2 в табл.3 в журнал отчетов.

2.4. Обработка результатов экспериментов в лабораторных работах №1 и №2.

1. Составить расчетные формулы для определения манометрического p_м, вакуумметрического p_в и абсолютного p_абс давлений под крышкой бака по показаниям пьезометра П1 и батарейного мановакуумметра П3 для двух режимов;

2. Рассчитать значения p_м, p_в и p_абс по показаниям жидкостных приборов;

3. Сравнить рассчитанные значения с показаниями механического прибора;

4. Рассчитать плотность неизвестной жидкости по показаниям жидкостных приборов (при открытом кране В3) или по показаниям манометра МН2 (при закрытом кране В3):

ρ_ж = p_м(в) / (g∆h_м(в)),

 

где ∆h_м(в) – показания жидкостного мановакуумметра; p_м(в) – давление, рассчитанное по показаниям жидкостных приборов (при открытом кране ВЗ). В случае работы при закрытом кране В3 это давление определяется разностью давления по показаниям p^u механического прибора МН2 и давления p^б в баке, определяемого либо по жидкостным приборам, либо по показаниям механического прибора МН1:

 

p_м(в) = p^б_м(в) – p^u_м(в)

 

Оценить абсолютную и относительную погрешности измерения давлений, рассчитанных по показаниям пьезометра П1, возникающую из-за неучета опускания (подъема) уровня рабочей жидкости в баке.

Изменение уровня в баке может быть оценено из уравнения баланса объемов жидкости в баке и в пьезометре:

 

∆W_Б = ∆W_П; ∆W_Б = S_Б∆1; ∆W_П = (πd²/4) ∆H,

 

где ∆W_Б – уменьшение (увеличение) объема жидкости в баке; ∆W_П – увеличение (уменьшение) объема жидкости в пьезометре; S_Б – площадь сечения бака; ∆1 – величина опускания (подъема) уровня; d – внутренний диаметр трубки пьезометра П1; ∆H – подъем (опускание) уровня жидкости в пьезометре.

 

 

Лабораторная работа №3.

3.1. Цель работы:

- демонстрация закона Паскаля;

- приобретение навыков определения силы избыточного давления на плоские горизонтальную и вертикальную стенки.

3.2. Порядок выполнения работы

 

Работа может быть совмещена с выполнением лабораторной работы №1.

1. Установить под крышкой бака атмосферное давление;

2. Записать начальное положение указателей на шкалах для горизонтальной и вертикальной стенок;

3. Выполнить п.п. 1-4 п.2.3, создав под крышкой избыточное давление;

4. Записать положения указателей на шкалах сильфонов;

5. Повторить опыты для вакуумметрического давления под крышкой.

3.3. Обработка результатов опытов

1. Определить по величине перемещения стенки и градуировочной характеристики сильфона по формуле (1.14) дополнительные усилия на стенки;

2. Рассчитать по показаниям жидкостных приборов и формуле (1.15) приращения усилий на стенки;

3. Результаты занести в табл.4.

Лабораторная работа №3 может быть выполнена без проведения работы №1. В этом случае расчетные значения дополнительно силы давления на стенку определяются по показаниям механического прибора B.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4.

РАБОТА №5.

РАБОТА №6.

РАБОТА №7.

РЕЖИМЫ ТЕЧЕНИЯ.

 

1. Основное содержание работы.

 

Работа имеет целью экспериментальную иллюстрацию существования двух режимов течения жидкости: ламинарного и турбулентного.

Переход от первого ко второму, как известно, происходит при значениях числа Рейнольдса больших, чем критическое: R_{e кр}. Следует подчеркнуть некоторую неопределенность этого понятия. Действительно, критическое число Рейнольдса (иногда его называют «нижним критическим») определяет границу устойчивого ламинарного течения, т.е. при R_e < R_{e кр} для данных условий гарантировано устанавливается устойчивый ламинарный режим. При R_e > R_{e кр} ламинарное течение может существовать при отсутствии внешних возмущений, но является неустойчивым, т.е. спонтанно переходит в турбулентный режим даже при малых внешних возмущениях. Кроме того, существует переходный диапазон чисел Рейнольдса, больших критического, но близких к нему, в пределах которого течение является нестационарным, возникает перемежаемость, т.е. самопроизвольный переход от ламинарного режима к турбулентному и наоборот.

Основное содержание работы состоит в установлении ламинарных и турбулентных режимов в трубе, визуальном наблюдении структуры течения, что оказывается возможным благодаря подкрашиванию струек, и в определении числа Рейнольдса для каждого режима.

 

2. Порядок измерений.

 

Работа проводится на модуле М4 (рис. 6).

 

Рекомендуемый порядок эксперимента следующий.

 

Включить помпу Н2 на панели управления. Установив по возможности малый расход в трубе и выдержав время, достаточное для достижения установившегося режима, медленным открытием вентиля начинают подачу краски, наблюдая за подкрашенной струйкой. Наилучший результат достигается, если скорость выхода краски примерно равна скорости потока в трубе. Меняя открытие вентиля В7 нетрудно добиться наличия в трубе устойчивой окрашенной струйки, которая не смешивается с основным потоком. Затем изменяется расход, после чего он увеличивается путем дополнительного открытия вентиля В6 и после достижения установившегося режима опыт повторяется. Таких опытов производится несколько (5-6) вплоть до достижения устойчивого турбулентного режима, при котором подаваемая струйка краски равномерно размывается по толще потока и становится невидимой. Расход воды в трубе измеряется весовым методом с помощью мерной кружки.

По результатам наблюдений следует определить критические значения чисел Рейнольдса.

Результаты измерений и наблюдений можно свести в таблицу примерно следующей формы.

 

№ режима	Расход Q	Средняя скорость O	Число Рейнольдса	Визуальная структура потока

 

 

Модуль М4 «Режимы течения»

 

Рисунок 6

 

 

Приложение 1

Вопросы для самопроверки

 

1. Дайте определение гидростатического давления.

2. Дайте определение абсолютного значения гидростатического давления.

3. Что называется избыточным (манометрическим) давлением, как оно выражается через абсолютное?

4. Что называется вакуумметрическим давлением; как оно выражается через абсолютное и избыточное давления?

5. Перечислите наиболее распространенные единицы измерения давления и укажите какая связь существует между ними.

6. Какие принципы действия приборов для измерения давления вам известны?

7. В чем заключается принцип действия жидкостных приборов? Их достоинства и недостатки.

8. Запишите основную формулу гидростатики и дайте объяснение ее составляющим.

9. Сформулируйте закон Паскаля.

10. Определите понятия: приведенная высота, пьезометрическая высота, вакуумметрическая высота. Поясните рисунком.

11. Что называется пьезометрической плоскостью?

12. Объясните, как влияет плотность жидкости на распределение давления по высоте ее объема в поле сил тяжести.

13. Перечислите параметры, от которых зависит величина силы гидростатического давления на плоскую поверхность.

14. Что называется центром давления? Где он располагается относительно центра тяжести поверхности?

15. Объясните, как влияет измерение внешнего давления над свободной поверхностью жидкости на силу давления, которую эта жидкость оказывает на плоскую вертикальную крышку люка в стенке сосуда.

16. Для чего служит жидкостной дифференциальный U-образный манометр? Нарисуйте схему измерений с его помощью.

 

 

Приложение 2

ВОПРОСЫ

Для защиты лабораторных работ по дисциплине «Подземная гидромеханика»

 

Гидростатика.

1. Устройство лабораторной установки для определения:

- гидростатического давления;

- плотности неизвестной жидкости;

- силы гидростатического давления на плоские поверхности.

 

2. Дать определение и написать формулы для определения:

- гидростатического давления;

- плотности жидкости;

- силы гидростатического давления на плоские стенки.

 

3. Цель, порядок снятия показаний, порядок обработки результатов измерений и вывод по каждой работе.

 

Гидродинамика.

1. Устройство лабораторной установки для определения:

- потерь напора по длине в круглой трубе;

- потерь напора на внезапном расширении;

- снятия диаграммы уравнения Бернулли;

- определения режимов течения жидкости.

 

2. Дать определение и написать формулы:

- потерь напора по длине в круглой трубе;

- потерь напора на внезапном расширении;

- уравнения Бернулли;

- определения режимов течения жидкости.

 

3. Цель, порядок снятия показаний, порядок обработки результатов измерений и вывод по каждой работе.

 

 

Приложение 3

ВОПРОСЫ

Для подготовки к экзамену по учебной дисциплине «Подземная гидромеханика». Сервис НГК

 

1. Плотность и удельный вес жидкости. Приборы для определения плотности.

2. Вязкость жидкости. Приборы для измерения вязкости.

3. Силы, действующие в покоящейся жидкости. Понятие о давлении, свойства гидростатического давления.

4. Приборы для измерения давления.

5. Основное уравнение гидростатики.

6. Определение силы гидростатического давления жидкости на плоские поверхности.

7. Определение силы гидростатического давления жидкости на криволинейную поверхность.

8. Порядок построения эпюры гидростатического давления.

9. Определение силы гидростатического давления. Закон Архимеда. Условия плавания тел.

11. Поток жидкости. Живое сечение потока.

12. Смоченный периметр.

13. Гидравлический радиус.

14. Средняя скорость, расход жидкости.

15. Уравнение неразрывности потока.

16. Уравнение Бернулли для идеальной жидкости.

17. Геометрический смысл уравнения Бернулли.

18. Энергетический смысл уравнения Бернулли.

19. Уравнение Бернулли для реальной жидкости.

20. Порядок применения уравнения Бернулли для решения задач.

21. Измерение расходов и скоростей жидкости.

22. Режимы движения жидкости.

23. Понятие о шероховатости.

24. Определение коэффициента гидравлического сопротивления (график Никурадзе).

25. Определение потерь напора по длине трубопровода.

26. Местные сопротивления. Определение потерь напора на преодоление местных сопротивлений.

27. Эквивалентная длина местных сопротивлений.

28. Определение общих потерь напора движущейся жидкости.

29. Гидравлический уклон.

30. Истечение жидкости через малое отверстие в тонкой стенке при постоянном напоре.

31. Дать определение и пояснить, что называется малым отверстием, тонкой или толстой стенкой.

32. Что называется коэффициентом сжатия при истечении жидкости из отверстия в тонкой стенке (написать формулу).

33. Определение скорости жидкости при истечении через малое отверстие в тонкой стенке при постоянном напоре.

34. Определение расхода при истечении жидкости через малое отверстие в тонкой стенке при постоянном напоре.

35. Что называется насадком, типы насадков, применение насадков.

36. Назначение и классификация трубопроводов. Соединение трубопроводов.

37. Уравнение гидравлической характеристики трубопроводов.

38. Методика построения гидравлической характеристики простого трубопровода.

39. Принцип построения гидравлических характеристик сложных трубопроводов.

40. Физическая сущность гидравлического удара в трубах.

41. Уравнение гидравлического удара в цилиндрических трубах.

42. Возможные последствия гидравлического удара в трубопроводе. Меры борьбы с гидравлическим ударом в трубопроводе.

43. Фильтрационные свойства грунта.

44. Основной закон фильтрации.

45. Коэффициент проницаемости.

46. Коэффициент фильтрации и способы его определения.

47. Установившееся движение жидкости и газа в пористой среде.

48. Неустановившееся движение жидкости и газа в пористой среде.

49. Вероятный механизм движения нефти в пористой среде.

50. Вероятный механизм движения газа в пористой среде.

51. Вероятный механизм движения воды в пористой среде.

 

ГИДРАВЛИКА И НЕФТЕГАЗОВАЯ ГИДРОМЕХАНИКА