Потери напора при внезапном расширении.

1. Основное содержание работы.

Задачей работы является экспериментальное изучение закономерностей потерь напора и распределения давлений по длине трубы, определяется коэффициент местного сопротивления и строится участок графика его зависимости от числа Рейнольдса. Основная формула, связывающая величину потерь напора с параметрами потока и характерными размерами:

 

(2)

 

где и – средние скорости в исследуемых сечениях. Используя уравнения неразрывности, эту формулу можно представить в виде:

 

где и - площади нормальных сечений; - коэффициент потерь на внезапном расширении.

Следует подчеркнуть, что формула (2) получена из теоретической схемы, в которой игнорируются потери трения, а также предполагается равномерное распределение скоростей в сечениях труб. Поэтому коэффициент оказывается независимым от числа Рейнольдса, а сама формула отражает лишь так называемый квадратичный участок кривой, где в реальных условиях влияние числа Рейнольдса отсутствует.

Существует по крайней мере два подхода к экспериментальному определению коэффициента потерь при внезапном расширении. Первый состоит в его определении по измерениям давлений и скоростей в двух контрольных сечениях. При таком способе учитывается не только потери на внезапном расширении, но и потери трения на контрольном участке. Согласно другому подходу, из полного коэффициента исключаются потери на трение, что можно сделать с помощью построения линии энергии по длине участка расширения путем вычисления потерь на трение по формуле равномерного движения или по данным опытов на специально оборудованной установке.

 

2. Порядок проведения измерений.

 

Работа выполняется на модуле М2 (рис. 4). Для выполнения работы необходимо:

- включить насос Н1 на панели управления;

- установить необходимый расход с помощью вентилей В2, В1 и выходного вентиля модуля В4.

Наблюдая за столбиками воды в пьезометрических трубках, убедиться, что достигнут установившийся режим течения и произвести измерения:

- расхода воды по ротаметрам;

- показаний пьезометров.

После занесения данных измерений в таблицу изменить расход с помощью вентиля В4 и после достижения установившегося режима повторить все измерения. Для надежной серии опытов рекомендуется произвести их не менее, чем для трех расходов.

 

3. Обработка опытных данных.

 

При определении коэффициента местного сопротивления (в данном случае внезапного расширения) необходимо иметь в виду, что за местным сопротивлением, где поток претерпевает значительную деформацию, лежит достаточно протяженный «участок стабилизации», на котором существуют крупные вихри с возвратными течениями. Поэтому экспериментальный коэффициент местного сопротивления должен учитывать полные потери на участке стабилизации, а значит должен явно зависеть от числа Рейнольдса. Совпадение с теоретической формулой Борда можно ожидать только при весьма больших числах Рейнольдса.

Расчетными соотношениями для определения коэффициента местного сопротивления по экспериментальным данным являются следующие. Применительно к рисунку, из уравнения Бернулли для сечения 1 и 2 следует

 

,

 

где - искомые потери на внезапном расширении. Здесь сечение 2 выбирается на расстоянии, достаточном для расширения потока на все сечение S₂. Отнеся потери к скоростному напору , получим:

 

Разности пьезометрических напоров определяется по пьезометрам 1 и 2, а скорость по расходу, измеренному ротаметром. Тогда последняя формула позволяет вычислить экспериментальное значение.

Измерив пьезометрами давления во всех точках их подключения, можно построить пьезометрическую линию вдоль трубы, а также линию энергии. Студентам рекомендуется объяснить физическую сущность этих графиков, а также обозначить на них потери напора в местном сопротивлении.

 

 

Модуль М2 «Потери напора при внезапном расширении»

 

Рисунок 4.

 

РАБОТА №6.