К лабораторным работам по курсу

Российской Федерации

 

Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

Волгодонский инженерно-технический институт – филиал НИЯУ МИФИ

 

 

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ ПО КУРСУ

«МЕХАНИКА ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ»

 

 

Волгодонск 2011 г.

УДК

 

Рецензенты:

 

 

Составители: Самойленко А.В., Веселова И.Н.

Методические указания к лабораторным работам по курсу «Механика жидкостей и газов». / Волгодонский институт (филиал) НИЯУ МИФИ. - Волгодонск, 2011.- с. 25.

 

Методические указания содержат описание и методику проведения 5 лабораторных работ, иллюстрирующих законы равновесия и движения жидкостей.

 

Методические указания предназначены для студентов квалификации (степени) бакалавр, следующих направлений подготовки: 140100 Теплоэнергетика и теплотехника, 141100 Энергетическое машиностроение, 28020265 Инженерная защита окружающей среды, 151001 Технология машиностроения, 150202 Оборудование и технология сварочного производства и 270102 Промышленное и гражданское строительство.

 

Ó Волгодонский институт (ф) НИЯУ МИФИ 2011

  Ó Самойленко А.В., Веселова И.Н. 2011

Лабораторная работа № 1

 

ПОВЕРКА ПРУЖИННОГО МАНОМЕТРА

Задание

1. Проверить на образцовом грузопоршневом манометре пружинный

манометр:

а) снять показания с поверяемого манометра и сравнить их с показаниями

контрольного образцового манометра;

б) вычислить максимальную абсолютную систематическую погрешность и

дать заключение о соответствии прибора своему классу точности.

2. Построить поправочную кривую.

Пояснение к работе

Давление, отсчитываемое от нулевого давления, называется абсолютным давлением Р_абс. Давление, превышающее атмосферное и отсчитываемое от атмосферного давления, называется избыточным давлением Р_изб. Давление, которое меньше атмосферного и отсчитываемое от атмосферного давления, называется вакуумметрическим давлением Р_вак (рис. 1.1).

Рис.1.1 К понятию избыточного давления и вакуума.

Приборы для измерения давления весьма разнообразны. Они классифицируются по различным признакам.

По характеру измеряемой величины приборы разделяют на группы:

1. Приборы для измерения атмосферного давления р _ат — барометры.

2. Приборы для измерения разности абсолютного и атмосферного давлений, т. е. избыточного давления р _ии вакуума р _в. Приборы, измеряющие избыточное давление, называют манометрами; приборы, измеряющие вакуум, — вакуумметрами. Приборы, которыми можно измерять избыточное давление и вакуум, называют мановакуумметрами.

3. Приборы для измерения абсолютного давления р — манометры абсолютного давления. Абсолютное давление можно измерять также с помощью барометра и манометра, если измеряемое давление больше атмосферного (р = р _ат + р _и), а также барометра и вакуумметра, если измеряемое давление меньше атмосферного (р = р _ат — р _в). Манометры абсолютного давления обычно применяют для измерения малых абсолютных давлений.

4. Приборы для измерения разности давлений — дифференциальные манометры.

5. Приборы для измерения малого избыточного давления и вакуума — микроманометры.

По принципу действия различают приборы жидкостные, пружинные, поршневые, электрические, комбинированные:

● К жидкостным относятся приборы, основанные на гидростатическом принципе действия, заключающимся в том, что измеряемое давление уравновешивается давлением, создаваемым весом столба жидкости, высота которого служит мерой давления.

● Действие пружинных манометров основано на применении закона Гука. Сила давления деформирует упругий элемент прибора — пружину, которая может представлять собой полую трубку, мембрану, сильфон и т. п. Деформация упругого элемента, вызванная давлением, по закону Гука пропорциональна давлению и служит его мерой.

● В основу измерения давления поршневыми приборами положен закон равновесия твердого тела, находящегося под воздействием жидкости. Сила измеряемого давления жидкости, приложенная к поршню прибора, уравновешивается внешней силой, величина которой служит мерой давления. В том случае, когда внешней силой является вес грузов, нагружающих поршень, приборы называются грузопоршневыми.

● Действие электрических приборов основано на использовании пропорциональности между изменением некоторых электрических свойств материалов и изменением давления.

Например, омическое сопротивление некоторых сплавов пропорционально давлению окружающей среды; это свойство используется при измерении высоких давлений. Величина электрических зарядов, появляющихся на поверхности кристаллического диэлектрика при сжатии и растяжении кристалла, пропорциональна действующему давлению; это свойство используется при измерении быстропеременных давлений.

● К комбинированным относятся приборы, принцип действия которых носит смешанный характер (например, электромеханические приборы).

Манометры разделяют на классы по точности. Установлены следующие классы точности приборов для измерения давления: 0,005; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,4; 0,5; 1,0; 2,0; 2,5; 4,0; 6,0. Приборы классов точности 0,5 - 6 используют как рабочие, классов 0,005 – 0,4 – как образцовые.

Основными характеристиками приборов, измеряющих давление, являются класс точности, диапазон измеряемых давлений, чувствительность, линейность и быстродействие.

Рис. 1.2. Схема пружинного манометра

 

Чувствительным элементом манометра (рис 1.2) является изогнутая латунная трубка эллиптического сечения 2, один конец которого соединен с подводящим штуцером 1, а другой запаян. Под действием давления эллиптическая трубка стремится распрямиться, при этом запаянный конец трубки через тягу и секторный механизм 4 перемещает подпружинную стрелку 3 на некоторый угол, пропорциональный измеряемому давлению.

Основным недостатком пружинных приборов является нестабильность их показаний, вызываемая рядом причин: упругим последействием деформируемого элемента; постепенным изменением упругих свойств этого элемента; возможным возникновением остаточных деформаций в нем; износом передаточного механизма. Указанный недостаток вынуждает периодически поверять пружинные приборы, чтобы подтвердить класс точности или определить поправки, компенсирующие систематические погрешности приборов.

Абсолютная погрешность измерений – это разность между значениями величины, полученной при измерении, и ее истинным значением, выражаемая в единицах измеряемой величины.

Относительная погрешность измерения – это отношение абсолютной погрешности к истинному значению измеряемой величины.

Предельная погрешность - диапазон погрешностей измерения, за который не должны выходить значения относительной погрешности.

Лабораторная работа № 2

Задание

1. Замерить координаты точек свободной поверхности жидкости при

вращении сосуда.

2. Найти теоретические значения координат точек свободной поверхности жидкости во вращающемся сосуде.

3. Построить теоретическую кривую свободной поверхности жидкости во

вращающемся сосуде и нанести опытные точки.

 

Пояснение к работе

При состоянии относительного покоя частицы жидкости не имеют взаимного перемещения, а движутся вместе с сосудом как одно твердое тело. В рассматриваемом случае относительного покоя жидкость находится в открытом цилиндрическом сосуде, равномерно вращающемся вокруг вертикальной оси. На жидкость при этом действуют сила тяжести и центробежная сила . Форма свободной поверхности жидкости представляет собой параболоид вращения. Величина возвышения любой точки, расположенной на свободной поверхности жидкости над точкой пересечения этой поверхности с осью вращения, определяется в сантиметрах из зависимости

,                                                 (2.1)

где ω- частота вращения, с ;

r - радиус вращения точки на свободной поверхности жидкости, см.

 

Лабораторная работа № 3

Задание

1. Установить режим движения жидкости в трубе двумя способами:

а) путем визуального наблюдения;

б) на основе обработке опытных данных.

2. Сравнить результаты определения режима движения жидкости визуальным и расчетными методами.

 

Пояснение к работе

При протекании жидкости по трубам и каналам могут иметь место два различных по своему характеру режима движения: ламинарный и турбулентный.

Ламинарный – такой режим, при котором поток жидкости движется так, что элементарные струйки не перемешиваются (двигаются параллельно).

Турбулентный – такой режим, в котором элементарные струйки пересекаются и перемешиваются, а траектории отдельных частиц представляют сложные линии.

Ламинарный режим наблюдается преимущественно при движении жидкостей повышенной вязкости.

Свойство жидкости оказывать сопротивление перемещению ее частиц и развивать при движении внутренние касательные напряжения называется вязкостью. Вязкость зависит от рода жидкости, распределения скоростей между отдельными ее слоями, температуры и давления.

Отношение силы внутреннего трения к единице площади трущихся слоев называется касательным напряжением .

Характер движения жидкости зависит от скорости , диаметра трубы d, плотности ρ и вязкости жидкости. Он однозначно определяется безразмерным выражением, составленным из этих величин, которое называется критерием Рейнольдса:

или

,

где - кинематический коэффициент вязкости, определяемый, с учетом температуры, по эмпирической формуле Пуазейля:

,

где t – температура воды, °С.

При малых числах Рейнольдса (Re ≤ 2320) имеет место только ламинарный режим движения жидкости. При Re > 4000 возможен только устойчивый турбулентный режим движения.

Значения Re = 2320 и Re = 4000 соответственно называются нижним и верхним критическими числами Рейнольдса. В диапазоне Re = 2320 – 4000 могут наблюдаться и ламинарный и турбулентный режимы. Эта зона называется зоной неустойчивых режимов или переходной.

Определение режима движения жидкости имеет важное значение, так как потери напора в трубах зависят от режима, что необходимо учитывать при гидравлическом расчете трубопроводов.

 

Экспериментальная установка

В экспериментальной установке (рис. 3.1) вода из верхнего бачка 6 по стеклянной трубке 2 c диаметром d=16 мм поступает в нижний мерный бачок 8, из которого уходит на слив. В стеклянную трубку введена тонкая трубка 9, по которой поступает краситель из бачка. Для настройки и регулировки служат вентили 1, 3, 4, 5.

 

 

Рис. 3.1. Общий вид и схема установки

Лабораторная работа № 4

Задание

1. Определить опытные значения коэффициентов гидравлического трения для двух труб экспериментальной установки при трех различных расходах воды.

2. По этим же данным определить значения λ по графику ВТИ (приложение) и формулам.

3. Вычислить величину отклонения в процентах опытного, расчетного и

взятого из графика значения λ.

 

Пояснение к работе

При исследовании гидравлических сопротивлений в лабораторных условиях наиболее часто пользуются экспериментальными установками, работающими на воде. Наряду с этим используют также установки, работающие на воздухе, что упрощает проведение опытов и создает большие

возможности для исследования структуры потоков и визуальных наблюдений.

При исследовании гидравлических сопротивлений в потоках с малыми значениями критерия Рейнольдса в экспериментальных установках используют минеральные масла, водоглицериновые смеси и другие жидкости большой вязкости. Применение той или иной жидкости влияет на устройство экспериментальной установки, а также на выбор соответствующих измерительных средств.

На рис. 4.1 показана схема экспериментальной установки для работы на воде. Основными элементами установки являются: мерный бак, трубы с пьезометрами и вентилями.

Питание установки осуществляется забором воды из достаточно большого резервуара.

Рабочий участок трубопровода должен быть совершенно прямым, без дефектов и иметь длину l не менее 100 d, чтобы исключить влияние на его сопротивления различных местных особенностей (нарушение формы, размеров, различие в шероховатости поверхности и т. п.).

Диаметр d трубы следует измерять более точно, поскольку получаемое из опыта значение коэффициента гидравлического трения λ пропорционально d⁵.

 

Рис. 4.1. Схема экспериментальной установки для определения коэффициента сопротивления трения в трубах

Начало рабочего участка должно быть удалено от входа в трубопровод на расстояние не менее 50 d, чтобы устранить влияние начального участка на результаты опытов. Перед рабочим участком не должно быть также местных сопротивлений, нарушающих стабилизированное распределение скоростей потока, соответствующее режиму течения жидкости в трубе.

Расход измеряется с помощью мерного бака объемным способом. Регулирование расхода (скорости) воды осуществляется изменением степени открытия вентеля.

На трубопроводе, отводящем воду из рабочего участка трубопровода к мерному баку, имеется затвор (вентиль или задвижка) для регулирования режима работы системы.

При движении жидкости по трубам вследствие трения происходят потери напора. Потери напора на трение на участке трубы выражаются формулой

,

где  - коэффициент гидравлического трения;

  l - длина участка трубы;

 - диаметр трубы;

 - средняя скорость течения жидкости.

Существует ряд зависимостей для расчетного определения :

1) ламинарный режим  

;

2) турбулентный режим - различают три области сопротивления

гидравлически гладких труб (Блазиус, 1913)

, при ;

доквадратичного сопротивления (А.Д. Альтшуль)

, при ;

квадратичных сопротивлений (Б.Л. Шифринсон)

, при .

где  - абсолютная шероховатость трубы.

    В эксперименте потери напора находят из уравнения Бернулли, составленного для двух сечений трубопровода I-I и II-II, находящихся на расстоянии l друг от друга:

 

,

откуда

.

При горизонтальной трубе z₁ = z₂, а при постоянном сечении трубы , тогда

.

Заменяя и  показаниями пьезометров, получим

.

Коэффициент кинематической вязкости определяем по формуле

 

,

 

где t – температура воды, °С.

Коэффициент гидравлического трения (опытный) вычисляем по формуле

.

 

Лабораторная работа № 5

Задание

1. На трубопроводе с местными сопротивлениями при установившемся движении воды снять показания пьезометров.

2. Замерить расход, вычислить скорости и потери напора.

3. Определить опытным путем коэффициенты местных сопротивлений  и сравнить опытные результаты с расчетными.

Экспериментальная установка

Экспериментальная установка представляет собой горизонтальный трубопровод переменного сечения, состоящий из последовательно соединенных между собой труб разного диаметра (рис.4.1).

На характерных участках трубопровода, т.е. при переходе от одного диаметра к другому и в месте размещения задвижки, установлены пьезометры, служащие для измерения пьезометрического напора до и после местного сопротивления:

.

Вода подается из мерного бака по трубопроводу, в начале которого имеется регулировочный вентиль. Установленный в конце трубопровода вентиль регулирует расход воды. Расход измеряется с помощью мерного бака объемным способом. Вода из напорного бака сбрасывается через сливную трубу.

Пояснение к работе

При  гидравлических расчетах коротких напорных трубопроводов для определения общих потерь энергии , на преодоление гидравлических сопротивлений при движении напорного потока необходимо вычислять местные потери напора . Местные потери напора возникают при резком изменении конфигурации граничных линий тока, уменьшении или увеличении живых сечений вдоль потока, которые создаются фасонными частями, арматурой и другим оборудованием трубопроводной сети. Они вызывают изменение величины и направление скорости (пульсацию) при движении жидкости на этих его участках.

Потери напора в местных сопротивлениях  определяют по формуле Вейсбаха

,

где - средняя скорость в сечении, расположенном ниже по течению за данным сопротивлением;

 - коэффициент местного сопротивления;

 - ускорение свободного падения.

Значение коэффициента местного сопротивления  в расчетной практике назначают в зависимости от вида сопротивления по справочным данным, а в случае внезапного расширения или сужения трубопровода - по формулам.

При выполнении лабораторной работы на установке изучают три вида местных сопротивлений: вентильный кран, внезапное сужение трубопровода и внезапное расширение трубопровода.

Опытное значение соответствующих коэффициентов местных сопротивлений , ,  вычисляют из формулы Вейсбаха

.

Для определения опытным путем местных потерь напора  используют уравнение Бернулли, составляемое для двух сечений 1–1 и 2–2, назначаемых перед и после местного сопротивления, относительно плоскости сравнения 0–0 взятой по оси трубы установки.

,

откуда

.

По полученным формулам вычисляют потери напора  для каждого местного сопротивления, имея ввиду, что показание пьезометра соответствует в уравнении Бернулли величине в общем случае равной

.

При сопоставлении опытных коэффициентов местных сопротивлений со справочными, аналитическому вычислению подлежат коэффициенты местных сопротивлений на внезапное сужения , и на внезапное расширение , найденные по формулам

 

; .

 

Справочный коэффициент местного сопротивления крана .

 

Порядок выполнения

Экспериментальная часть

1. Заполняют бак постоянного напора, открывая задвижку (см. рис. 4.1).

2. Задают опытный расход, регулируя открытие крана.

3. Проводят измерение расхода объемным способом, одновременно записывают в таблицу 5.1 показание пьезометров. Измерения производят повторно для повышения их точности.

4. Записывают постоянные установки.

 

Обработка опытных данных

Производят промежуточные вычисления:

1. Вычисляют расход.

2. Вычисляют скорость движения воды для каждого сечения трубопровода и соответствующий им скоростной напор.

       3. По формулам, полученным на основании уравнения Бернулли, вычисляют потери напора для каждого местного сопротивления

    Промежуточные вычисления вносят в таблицу 5.2.

    Вычисляют значения опытных коэффициентов местных сопротивлений, используя выражение , которые сводят в таблицу 5.3. В этой же таблице приводят справочные значения коэффициентов местных сопротивлений.

;                                                                        Таблица 5.1

,дм^3	,сек	Показания пьезометров, дм

Таблица 5.2

, дм^3/ сек	, дм/ сек	, дм/ сек			Потери напора, дм

 

Таблица 5.3

оп	спр	оп	спр	оп	спр

Контрольные вопросы

1. Для каких гидравлических расчетов используют значение коэффициентов местных сопротивлений?

2. Каким способом определяют расход жидкости при выполнении данной лабораторной работы?

3. С какой целью при выполнении лабораторной работы снимают показания пьезометров?

4. От каких факторов зависят потери напора в кране?

5. От каких факторов зависит коэффициент сопротивлений крана?

6. От каких факторов зависят потери напора на внезапное расширение и внезапное сужение?

7. От каких факторов зависят коэффициенты местного сопротивления на внезапное расширение и внезапное сужение?

8. С какой целью в данной лабораторной работе можно воспользоваться уравнением Бернулли?

 

Библиографический список

1. Лапшев Н.Н. Гидравлика: учебник для студ. высш. учеб. заведений / М.: Издательский центр «Академия», 2007. - 272с.

2. Пасько П.И. Механика жидкости и газа, гидрогазодинамика и гидравлика. /Волгодонский ин-т ЮРГТУ. Новочеркасск: ЮРГТУ, 2005. – 144 с., методобеспеченность - .

3.Богомолов А.М., Михайлов К.А. Гидравлика: Учеб. для вузов.-М.: Стройиздат, 1965. - 632 с.

5. Лабораторный практикум по гидравлике, гидромашинам и гидроприводу: [Учеб. пособие для втузов]/Я.М. Вильнер, И.П. Вопнярский, В.И. Кузменков, И.А. Шульпин; Под ред. Я.М. Вильнера.-3-е изд., перераб. и доп.- Мн.: Вышэйш. шк., 1980. - 224 с.

4. Долгалев Д.И., Веселова И.Н. Методические указания к лабораторным работам по курсу «Механика жидкостей и газов»/ Волгодонский ин-т (филиал) ЮРГТУ (НПИ). – Новочеркасск: ЮРГТУ, 2005. 27 с., методобеспеченность - .

 

 

ПРИЛОЖЕНИЕ

Номограмма для определения коэффициента гидравлического трения

 

 

Учебно-практическое издание

 

 

Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Механика жидкостей и газов»

 

Составители - Самойленко Александр Владимирович, Веселова Ирина Николаевна

 

 

Редактор

______________________________________________________________________

 

Подписано в печать..2011 Формат x .

 

Бумага офсетная. Ризография. Усл. печ. л.. Уч. - изд. л.,

Тираж  экз.

______________________________________________________________________

Волгодонский инженерно-технический институт – филиал НИЯУ МИФИ

346360, г.Волгодонск, ул.Ленина, 73/94.

Российской Федерации

 

Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

Волгодонский инженерно-технический институт – филиал НИЯУ МИФИ

 

 

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ ПО КУРСУ

«МЕХАНИКА ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ»

 

 

Волгодонск 2011 г.

УДК

 

Рецензенты:

 

 

Составители: Самойленко А.В., Веселова И.Н.

Методические указания к лабораторным работам по курсу «Механика жидкостей и газов». / Волгодонский институт (филиал) НИЯУ МИФИ. - Волгодонск, 2011.- с. 25.

 

Методические указания содержат описание и методику проведения 5 лабораторных работ, иллюстрирующих законы равновесия и движения жидкостей.

 

Методические указания предназначены для студентов квалификации (степени) бакалавр, следующих направлений подготовки: 140100 Теплоэнергетика и теплотехника, 141100 Энергетическое машиностроение, 28020265 Инженерная защита окружающей среды, 151001 Технология машиностроения, 150202 Оборудование и технология сварочного производства и 270102 Промышленное и гражданское строительство.

 

Ó Волгодонский институт (ф) НИЯУ МИФИ 2011

  Ó Самойленко А.В., Веселова И.Н. 2011

Лабораторная работа № 1