Гидравлика. МУ к лабораторным работам

Методические указания к лабораторным работам по курсу «Гидравлика»

Составитель: Т.С.Козырева

УДК 697.922

Методические указания к лабораторным работам по курсу “ГИДРАВЛИКА” для студентов строительных специальностей. Каз. арх.-строит. университет. Сост.: Т.С.Козырева. Казань, 2005. - 44 с.

Печатается по решению редакционно-издательского совета Казанской государственной архитектурно-строительной академии.

В методических указаниях приводится описание лабораторных работ по курсу “ГИДРАВЛИКА”.

Табл. 12; илл. 15

Рецензент: к.т.н., доцент КГТУ им. А.Н.Туполева Чефанов В.М.

Казанский государственный

архитектурностроительный университет, 2005

Страница 2 из 48

Методические указания к лабораторным работам по курсу «Гидравлика»

ВВ Е Д Е Н И Е

1.ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ И ОФОРМЛЕНИЯ РАБОТ

Перед началом лабораторной работы необходимо уяснить ее содержание и последовательность наблюдений и измерений. Предполагается, что поставленная в лабораторной работе тема теоретически (на лекциях) рассмотрена и студентом усвоена. Если теоретический материал темы не усвоен, то рекомендуется перед началом лабораторной работы ознакомиться с ним подробнее по соответствующему разделу курса «Механика жидкости и газа».

Вжурнале лабораторной работы студент указывает цель работы, вычерчивает схему экспериментальной установки, выписывает основные расчетные формулы и заполняет таблицу измеренных и вычисленных величин, с указанием их размерностей. При необходимости строятся графики и диаграммы.

При вычислениях надо внимательно следить за правильной размерностью величин, подставляемых в формулы. Ошибки студентов при обработке опытных материалов чаще всего происходят именно из-за несоответствия размерности величин в уравнениях.

Врасчетах использовать только размерности в международной системе единиц измерения (СИ).

Все наблюдения, измерения и вычисления во время опыта проводятся студентами самостоятельно. Преподаватель контролирует проведение опыта, обработку материала и принимает выполненную работу. При сдаче работы студент должен дать качественную оценку результатов работы.

2. ПОГРЕШНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЙ

При измерениях тех или иных величин могут иметь место погрешности трех видов:

1)грубые, промахи вследствие описки, неправильного использования измерительного прибора, несоответствия размерностей величин при вычислениях и т.п.;

2)систематические погрешности как следствие неточности постоянных прибора (смещение нуля, наличие воздуха в подводящих трубках пьезометров и т. п.);

3)случайные погрешности, вызванные неточностью отсчетов в ту или другую сторону, неизбежно допускаемые наблюдателем.

Погрешности первых двух видов могут быть снижены до минимума при соответствующем внимании исполнителя, контроле записей и выверке инструментов.

Снижение случайных погрешностей достигается повторностью измерений. Обычно при проведении учебных лабораторных работ ограничиваются двухтрехкратными замерами и определяют среднеарифметический результат.

Страница 3 из 48

Методические указания к лабораторным работам по курсу «Гидравлика»

Например, взят трижды отсчет уровня воды по пьезометру Н1, Н2 и Н3. Среднее значение уровня будет

Средняя погрешность результата

∆H = ∆H1 + ∆H 2 + ∆H3

3

Относительная погрешность

δH = ∆HH 100%.

Страница 4 из 48

Методические указания к лабораторным работам по курсу «Гидравлика»

Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 1

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ВЯЗКОСТИ ЖИДКОСТИ

1. Сущность и цель работы

Вязкость - свойство жидкости оказывать сопротивление сдвигу частиц. Вязкость различных жидкостей характеризуется динамическим коэффициентом вязкости µ, Па с, или кинематическим коэффициентом вязкости ν, м2/с,

где ρ -плотность жидкости.

С увеличением температуры вязкость капельной жидкости уменьшается (в отличие от вязкости газа). Для воды справедлива эмпирическая формула Пуазейля:

где T - температура в градусах Цельсия.

Для определения вязкости жидкости применяют вискозиметры различных типов: ротационные, капиллярные вискозиметр Энглера и т.п. В капиллярных вискозиметрах коэффициент вязкости определяют, используя движение жидкости через трубу малого диаметра, течение которой носит строго ламинарный характер (Re <2300).

При ламинарном режиме потеря напора h в прямой круглой трубе определяется формулой Гагена-Пуазейля:

где γ - удельный вес жидкости, Q - обьемный расход, R и l - радиус и длина трубы.

Отсюда коэффициент динамической вязкости

Потеря напора h для горизонтальных труб постоянного сечения может быть измерена пьезометрами, а расход Q объемным методом.

Таким образом, чтобы определить динамический коэффициент вязкости жидкости надо измерить расход Q и разность показаний пьезометров h. Остальные параметры (4) являются константами вискозиметра.

Целью настоящей работы является определение динамического и кинематического коэффициентов вязкости воды.

2. Описание установки .

Страница 5 из 48

Методические указания к лабораторным работам по курсу «Гидравлика»

Капиллярный вискозиметр (рис.1) состоит из широкого напорного резервуара 1, горизонтальной трубки 2 с краником 3 , пьезометров 4, мерного цилиндра 5.

Рис.1.

где W – объем мерного цилиндра, заполненный за время t .

Подставив (5) в (4) и, обозначая постоянную вискозиметра

Для подтверждения области существования ламинарного режима движения жидкости в трубке необходимо убедиться, что число Рейкольдса

3.Порядок выполнения работы

1.Наполнить резервуар водой и измерить температуру воды Т.

Страница 6 из 48

Методические указания к лабораторным работам по курсу «Гидравлика»

2.Регулируя расход жидкости краном, установить любую разность показаний пьезометров (следить, чтобы струя была непрерывной).

3.Измерить время t, в течение которого в мерный сосуд поступит

50 10-6 м3 воды.

4.Используя результаты измерений и вычислений по (5), (6), (7), определить опытные значения µоп, νоп.

5.По эмпирической формуле Пуайзейля (2) с учетом (1) определить

расчетные значения νрасч., µрасч.

6. Определить отклонение экспериментального значения коэффициента кинематической вязкости νоп. от расчетного νрасч., вычисленного по эмпирической формуле Пуайзеля.

Страница 7 из 48

Методические указания к лабораторным работам по курсу «Гидравлика»

Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 2

ЛАМИНАРНЫЙ И ТУРБУЛЕНТНЫЙ РЕЖИМ ДВИЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ

1. Сущность и цель работы

Как показывают наблюдения, при медленном течении жидкости в трубах и каналах частицы движутся параллельно стенкам, не перемешиваясь. Если ввести в поток подкрашенную струйку жидкости, то она будет двигаться, не размываясь, параллельно стенкам. Такой режим течения жидкости, при котором она движется струйками, без перемешивания, называется ламинарным режимом. При ламинарном режиме между струйками происходит сравнительно слабое взаимодействие, обусловленное молекулярным обменом.

По мере увеличения скорости движения потока окрашенная струйка жидкости, введенная в поток, начинает искривляться, колебаться и размываться. При дальнейшем увеличении скорости вся жидкость перемешивается и равномерно окрашивается. Такой режим движения жидкости, характеризующийся наличием поперечных и продольных пульсаций скорости и полным перемешиванием жидкости, называется турбулентным режимом.

Установлено, что закономерность явлений, происходящих в потоке жидкости, существенно зависит от режима течения. Другими словами, ламинарному режиму присущи одни закономерности и расчетные формулы, турбулентному –другие. Поэтому важно уметь определить режим течения жидкости.

Количественной характеристикой режима движения жидкости

является безразмерное число Рейнольдса

Re = Vdν ,

где V - средняя скорость живого сечения, d - диаметр трубы, ν - кинематический коэффициент вязкости жидкости.

Число Рейнольдса имеет определенный физический смысл - оно является мерой отношения сил инерции к силам вязкости в потоке жидкости.

Опытами установлено, что если Re < 2320, то имеет место ламинарный режим течения, а при Re > 4000 течение жидкости обычно турбулентное.

В переходной области (2320<Re<4000) турбулентный режим еще развивается и имеет переменную, возрастающую интенсивность.

Целью настоящей работы является визуальное наблюдение различных (ламинарного, переходного и развитого турбулентного) режимов течения жидкости в гладкой трубе и определение значений числа Рейнольдса, соответствующих наблюдаемым режимам течения.

Страница 8 из 48

Методические указания к лабораторным работам по курсу «Гидравлика»

2.Описание установки

Внапорный бак А (рис.2) вода подводится через вентиль К2 из водопроводной сети. В баке имеется перегородка для гашения резких возмущений сети. По стеклянной трубе Б (диаметр d=20 мм) вода стекает в бак В. В центр стеклянной трубы из бачка Д по тонкой трубке подводится подкра-

шивающая жидкость, количество которой регулируется краником К5. В опыте с развитым турбулентным режимом течения объем протекающей воды измеряется с помощью мерного бака В, максимальная емкость которого равна 4,5 литрам. В случае ламинарного и переходного режимов удобнее пользоваться мензуркой.

3.Порядок выполнения работы.

1. Открывается вентиль К2 и бак А наполняется водой. Открывается вентиль К1 и в стеклянной трубе создается течение с очень малой скоростью. Для того, чтобы уровень воды в напорном баке А был постоянным, открывается вентиль К3. Перекидной гибкий шланг Е отводится в сливной

Готсек мерного бака.

2.Краном К5 производится введение окрашенной жидкости в поток

ввиде тонкой струйки.

3.Наблюдается ламинарный режим движения в трубе. С помощью мензурки измеряется объем воды W, протекшей по трубе за время t, определяемое секундомером. Он включается в момент переброски гибкого шланга в мензурку и выключается одновременно с возвращением шланга в отсек Г.

Страница 9 из 48

Методические указания к лабораторным работам по курсу «Гидравлика»

Рис.2

4.Увеличивается расход жидкости путем постепенного открытия

вентилей К1 и К2. Наблюдается переходный режим течения, соответствующий началу размывания подкрашивающей струйки и появлению отрывающихся вихрей. Аналогично предыдущему измеряется время заполнения мензурки объема W. Результаты записываются.

5.Расход воды увеличивается до тех пор, пока в стеклянной трубе не будет достигнуто вполне развитое турбулентное течение. Отсчитывается время t наполнения мерного бака В до верха переливной стенки, соответствующего объему W=4,5 л.

6.Постепенно закрывая вентили К1 и К2 , наблюдают обратный переход от турбулентного в ламинарный режим течения. Величины объема воды W и соответствующего времени t записываются в журнале.

7.Измеряется температура воды Т в баке А .

8.Закрывается кран К5 и вентиль К1 и полностью открывается вен-

тили К3 и К4.

9. Вычисляются числа Рейнольдса для каждого опыта. Средняя по сечению скорость воды V определяется из уравнения расхода

V = Qω,

объемный расход, W - измеренный объем воды, t - время протекания этого объема.

Страница 10 из 48