гидравлика методичка

4.4 Анализ результатов и выводы

В анализе объяснить структуры течений, проанализировать факторы, влияющие на вид и смену режимов течений жидкости.

4.5 Контрольные вопросы

1)Типы структур потоков жидкости, основные

отличия.

2)Факторы, влияющие на вид структуры потока.

3)Способы визуализации структуры потока.

4)Влияние геометрических характеристик потока на вид течения.

51

Лабораторная работа № 5

Определение режима течения жидкости

5.1 Цель и задача лабораторной работы

Цель – совершенствование навыков постановки и проведения гидравлических экспериментов, освоение расчётных методов определения режима течения.

Задача – при различных скоростях потока измерить местные скорости u в поперечном сечении;

–построить эпюры местных скоростей u=u(y);

–рассчитать среднюю скорость Vср и число Рейнольдса Re;

–определить характер течения в трубопроводе. Результат работы представляется в виде таблицы

расчетных величин, эпюр местных скоростей, зарисованных на миллиметровой бумаге и рассчитанных чисел Рейнольдса для каждого замера.

5.2 Основные теоретические положения

Опыты Рейнольдса в 1883 году показали, что переход от ламинарного течения к турбулентному происходит при скорости (так называемая критическая скорость), которая для разных диаметров труб оказалась различной, возрастая с увеличением вязкости и уменьшаясь с уменьшением диаметра трубы.

Режим течения определяется значением числа Рейнольдса (5.1), которое характеризует соотношение инерционных сил и сил внутреннего трения (вязкости) в потоке.

где ρ – плотность потока; V – скорость потока;

52

l – характерный размер (для труб – внутренний диаметр);

μ – динамический коэффициент вязкости; ν – кинематический коэффициент вязкости.

Граница между ламинарным и турбулентным течениями весьма условна, так как устойчивость течения зависит от многих причин (шероховатости и кривизны поверхности, начальных возмущений и др.). Скорость и число Рейнольдса, при достижении которых происходит переход ламинарного течения в турбулентное, называются соответственно критической скоростью и критическим числом Рейнольдса (5.2).

При значениях Re<Reкр течение ламинарное, а при Re>Reкр – турбулентное. Величина критического числа Рейнольдса зависит от ряда обстоятельств: условий входа в трубу, шероховатости стенок трубы, отсутствия или наличия первоначальных возмущений в жидкости, конвекционных потоков и др.

Опыты показывают, что Reкр=2300…4000 для труб и каналов. При переходе от ламинарного в турбулентное движение число Рейнольдса критическое имеет большую величину (для хорошо закругленного плавного входа оно может быть доведено до 20 000).

Проведенные исследования доказывают, что значение критического числа Рейнольдса увеличивается в сужающихся трубах и уменьшается в расширяющихся. Это объясняется тем, что при ускорении движения частиц в конфузорах (сужающихся каналах) их тенденция к поперечному перемешиванию уменьшается, а при замедленном течении в диффузорах (расширяющихся трубах) усиливается. Таким образом, изменяя продольное

53

ускорение частиц, можно в какой-то степени управлять переходом от ламинарного движения к турбулентному.

В трубопроводах систем отопления, вентиляции, газоснабжения, теплоснабжения, водоснабжения и др. движение, как правило, всегда является турбулентным, так как движущаяся среда (вода, газ, пар, воздух) имеет малую вязкость. Так для газопроводов сети домового потребления числа Рейнольдса бывают обычно не ниже 3 000, в городских сетях – не ниже 200 000, в вентиляционных сетях – не ниже 150 000, сетях сжатого воздуха – не ниже 400 000, в паропроводах центрального отопления – не ниже 30 000, а в паропроводах ТЭЦ достигают 3·106 - 5·106. Ламинарное движение воздуха и воды возможно лишь при движениях в трубах очень малого диаметра. Более вязкие жидкости (например, масла) могут двигаться ламинарно даже в трубах значительного диаметра.

При ламинарном течении (рисунок 5.1) распределение скоростей u по сечению трубы имеет параболический характер: у стенок трубы скорости равны нулю (эффект прилипания, смачивания), а при удалении от них скорости плавно нарастают, достигая максимума umax на оси трубы.

54

При турбулентном течении (рисунок 5.2) закон распределения скоростей сложнее: в пределах большей части поперечного сечения скорости лишь незначительно меньше максимального значения на оси, но зато вблизи стенок величина скорости резко падает до нуля. Более равномерное распределение скоростей по сечению при турбулентном течении объясняется наличием перемешивания, осуществляемого поперечными составляющими скоростей. Вблизи стенок турбулентное перемешивание парализуется наличием твердых границ.

Турбулентный режим в природе и технике встречается чаще. Его закономерностям подчиняется движение воды в реках, ручьях, каналах, системах водоснабжения и водоотведения, а также течение бензина, керосина и других маловязких жидкостей в трубах.

5.3 Схема установки и методика измерений

Для проведения работы с устройством №3 выполнить действия:

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

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

3)Рассчитать число Рейнольдса по порядку, указанному в таблице 5.1.

4)Повернуть устройство №3 в его плоскости на 180° (рисунок 4.1,б) и выполнить операции по пунктам 2 и 3.

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

6)Заполнить таблицу 5.1.

55

Таблица 5.1 - Таблица расчёта числа Рейнольдса и определения вида течения жидкости

Примечание. Размеры поперечного сечения бака (А, В), гидравлический диаметр d и площадь поперечного сечения ω опытных каналов указаны на корпусе устройства №3.

С трубой и вентиляторами проводится три эксперимента замера местных скоростей потока в поперечном сечении круглой трубы. Установка (рисунок 5.3) представляет собой четыре вентилятора 1,2,3,4, соединенных последовательно и параллельно, два шибера ш1, ш2 для переключения потоков, исследуемую трубу 5 диаметром 5 см, шайбу статического давления 6, трубку Пито 8 на координатнике 7 с мерной линейкой, микроманометр с наклонной трубкой 9.

56

1, 2, 3, 4 – вентиляторы; 5 – исследуемая труба;

6 – шайба статического давления;

7 – координатник с мерной линейкой;

8 – трубка Пито;

9 – микроманометр с наклонной трубкой. Рисунок5.3 - Схема установки

1)Перед проведением опытов на установке измерить температуру, барометрическое давление и влажность воздуха. По полученным результатам с помощью номограмм (рисунок 5.4 и рисунок 5.5) определить плотность воздуха ρ и коэффициент кинематической вязкости ν.

2)Установить на микроманометре 9 требуемый коэффициент км (например, 0,2).

3)Последовательно передвигая координатник с трубкой Пито измерять lм на расстояниях r = 0, 5, 10, 15, 20, 23 мм от оси трубы 5 в следующих продувках:

I.– включены вентиляторы 1 и 2, шибер ш1 открыт, шибер ш2 закрыт;

II. – включены вентиляторы 1,2 и 3, шибер ш1 открыт, шибер ш2 закрыт;

III. – включены все вентиляторы, оба шибера открыты.

57

Таблица 5.2 - Протокол измерений

5.4 Обработка результатов

Таблицы измеряемых и расчетных величин рекомендуется совместить в одну как на таблице 5.2. Во время опытов заполняются столбцы значений lм, а затем рассчитываются местные скорости u. Средние скорости Vср получают в результате графической обработки результатов.

По измеренным данным lм рассчитывают местные скорости согласно формуле (5.3).

где lм подставляют в мм водяного столба.

На миллиметровой бумаге строят эпюры скоростей для всех трех опытов в одинаковых масштабах. Определяют площадь полученных эпюр и рассчитывают среднюю скорость потока по формуле (5.4)

где d – размер изображения диаметра трубы на эпюре.

59

5.5 Анализ полученных результатов и вывод

Ванализе сравнить полученные значения средних скоростей с теоретическими (ламинарного и турбулентного потоков), а также сравнить высчитанные значения чисел Рейнольдса с критическим числом Рейнольдса.

Ввыводах сделать заключения о значениях средней скоростей по сравнению с максимальными каждого варианта продувок и объяснить характер течения в трубопроводе.

5.6 Контрольные вопросы

1)Виды течения жидкостей и газов в трубопроводах, их различия.

2)Число Рейнольдса. Формула для вычисления.

3)Критическое число Рейнольдса. Определение характера течения в трубопроводах по сравнению критического числа Рейнольдса с действительным.

4)Значения критического числа Рейнольдса в сужающихся каналах и расширяющихся. Физическая природа данных явлений.

5)Принципиальное устройство чашечного микроманометра с наклонной трубкой. Особенности определения скорости потока с его помощью.

6)Местные скорости потока в трубопроводах и максимальная скорость в трубопроводах круглого сечения.

7)Соотношения потерь напора в трубопроводах при ламинарном и турбулентном течении жидкости.

60