Гидравлика, пневмо - и гидропривод (стр. 2 )

Вливая различные объемы жидкости, получим ряд значений Н. Сравни­вая Н с перемещением мениска спирта в трубке, получим значение масшта­бов m микроманометра при различных наклонах

Этот метод пригоден для тарировки на больших углах наклона. Резуль­таты наблюдений занесите в протокол (приложение 3).

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Объясните назначение и принцип устройства микроманометра.

2. За счет чего достигается растягивание шкалы для измерения в мик­романометре?

3. Чем обеспечивается увеличение чувствительности и точности отсчета в микроманометре?

РАБОТА 4

ТАРИРОВАНИЕ РАСХОДОМЕРА (НОРМАЛЬНОЙ ДИАФРАГМЫ)

Целью работы является получение опытным путем значений коэффициента расхода μ при различных расходах, построение графика за­висимости μ от числа Rе, определение нижней границы квад­ратной зоны.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Расход жидкости может быть определен одним из следующих методов:

по объему жидкости;

по местным скоростям потока;

по перепаду статических напоров и др.

Определение расхода Q по объему жидкости основано на измерении объема ее V, протекшего через систему за некоторый промежуток времени

.

Этот метод является наиболее точным.

Для измерения расхода жидкости по местным скоростям потока живое сечение потока разбивают вертикальными и горизонтальными линиями на ряд участков, в центрах тяжести которых измеряют местные скорости υ. Расход определяется по выражению.

,

где Fi- площади участков живого сечения потока.

Способ измерения расхода с помощью сужающих устройств основан на использовании зависимости между перепадом давлений в потоке, создавае­мыми специальными сужающими устройствами (диафрагмы, сопла, трубы Вентури) и расходом жидкости. Вид этой зависимости определяется уравне­нием Бернулли

,

где - коэффициент сужающего устройства

В выражении для Q и μ приняты следующие обозначения:

Fт - площадь сечения трубопровода;

F0 - площадь проходного сечения сужающего устройства,

αт и αс - коэффициенты кинетической энергии в трубопроводе и в месте

наибольшего сжатия потока;

ε - коэффициент сжатия потока;

τс - коэффициент сопротивления участка;

h - перепад статических напоров в пьезометрах.

Диафрагма является конструктивно наиболее простым прибором. Однако она имеет наиболь­шее гидравлическое сопро­тивление и вызывает значи­тельные потери напора. Для практического использования диафрагм необходимо знать значение коэффици­ента расхода μ. Значения μ могут быть получены с не­обходимой точностью опытным путем. Результаты экспериментов обрабаты­вают на основе методов теории подобия.

Условиями подобия потоков в сужающих потоках являются:

1) геометрическое подобие, выража - емое равенством отношений , где d - диаметр диафрагмы;

D - диаметр трубопровода;

2) равенство числовых значений критерия Рейнолъдса Rе для потоков. Таким образом,

ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Установка состоит из напорного бака 1, присоединенного к нему тру­бопровода с установленной на нем диафрагмой 2, мерного бака 3.Напорный бак служит для поддержания в системе постоянного напора. Заполнение на­порного бака водой производится насосом. Расход жидкости в системе регу­лируется вентилем 4.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. При закрытом вентиле 4 включается насос и напорный бак заполня­ется жидкостью; вентили 4 и 5 открываются и производится проливка сис­темы.

2. Вентиль 4 закрывается и производится проливка пьезометров.

3. С помощью вентиля 4 в системе устанавливается некоторый расход жидкости.

4. Производится измерение расхода жидкости в трубопроводе.

Для этого при закрытом вентиле 5 в начальный момент времени τ0 по мерному стеклу отмечают уровень жидкости Н0 в баке 3. Одновре­менно с этим включают секундомер. В момент времени τ, когда мер­ный бак заполнится, отмечают верхний уровень жидкости Н и выклю­чают секундомер.

Показания τ секундомера и изменение уровня записывают в протокол работы.

5. В момент времени τ0 и τ снимают показания пьезометров h.

6. Снимают показания термометра.

7. Опыт повторяется при ряде расходов (9-10 значений).

ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ

1. Определяются перепады напоров в пьезометрах и соответствую­щие им расходы жидкости в трубопроводе

где F - площадь мерного бака.

2.Вычисляются значения коэффициентов расхода

3.Определяют величины средней скорости υ потока

где Fт - площадь сечения трубопровода.

По значениям υ вычисляют величины критерия Rе

где ν - кинематический коэффициент вязкости жидкости.

На основании полученных данных строится график зависимости

По этому графику определяется нижняя граница квадратичной зоны . В этой зоне вычисляют среднее арифметическое из несколь­ких значений μ:

а также среднюю квадратичную и относительную среднюю квадра­тичную погрешности среднего арифметического:

4.Для удобства пользования расходомером в квадратичной зоне строится в логарифмических координатах тарировочный график

lgQ=f(lgh)

Запись показании приборов и обработка полученных результатов производится в протоколе (приложение 4). К протоколу приложить тарировочный график.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1 . Какие методы измерения расхода жидкостей Вам известны?

2. В чем заключается принцип определения расхода жидкости по местным скоростям потока?

3. В чем заключается принцип замера расхода жидкости по пере­паду статических напоров?

4. Какой физический смысл коэффициента расхода сужающего уст­ройства?

5. Перечислите основные правила установки расходомеров на тру­бопроводе.

РАБОТА 5

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СИЛЫ ДАВЛЕНИЯ ЖИДКОСТИ НА ПЛОСКУЮ СТЕНКУ

Цель работы. Экспериментальное определение силы суммарного

гидростатического давление на плоскую стенку, сравнение ее величины с расчетным значением.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Если плоская стенка подвергается одностороннему давлению жидкости (на несмоченной стороне стенки атмосферное давление), то результирующая Р сил давления, воспринимаемая стенкой и нормальная к ней, определяется выражением

где F - смоченная площадь стенки;

рсu- избыточное давление в центре тяжести площади;

hc - расстояние по вертикали от центра тяжести площади до пьезометрической плоскости.

При избыточном давлении роu на свободной поверхности эта плоскость проходит над свободной поверхностью жидкости на расстоянии

,

при вакууме ров – под свободной поверхностью на расстоянии

.

Если роu = 0, то пьезометрическая плоскость совпадает со свободной поверхностью и нагрузка на стенку создается только весовым давлением жидкости.

Сила давления Р приложена в точке пересечения линии действия ее с плоскостью стенки. Точка приложения силы называется центром давления. Положение центра давления в плоскости стенки определяется формулами

где уд и уc - расстояние от центра давления и центра тяжести площади стенки до линии пересечения плоскости стенки с пьезометрической плоскостью;

Δу - смещение центра давления относительно центра тяжести;

Jc - момент инерции площади стенки относительно горизонтальной

оси, проходящей через центр тяжести площади стенки.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

При исследовании силы гидростатического давления на плоскую стенку используют установку.

Основными элементами установки (рис.7) являются: резервуар 1, заполняемый водой, к боковой стенке которого посредством гибкой диафрагмы подсоединяется диск 2, воспринимающий весовое давление жидкости. Диск шарнирно закреплен на кронштейне 3. Сила весового давления жидкости на диск 2 уравновешивается грузом 4, приложенным к свободному плечу рычага 5. Положение равновесия рычага контролируется индикатором часового типа 6, установленным на штативе 7. Уровень жидкости в резервуаре определяется по показаниям водомерной трубки 8.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ОПЫТА

1. Перед начатом опыта производят измерения:

а) диаметра диска 2,

б) плеча груза 1;

в) плеча центра тяжести диска 2.

2. Стрелку индикатора 6 устанавливают на нулевое деление.

3. Резервуар заполняется водой. Диск должен быть полностью погружен под уровень воды.

4. По водомерной трубке определяется глубина расположения центра тяжести hc.

5. Замечается показание стрелки индикатора.

6. Используя сменные грузы, устанавливают стрелку индикатора в исходное (нулевое) положение. При этом диск возвращается в начальное положение. В этом положении определяют вес сменных грузов, результат записывают в протокол наблюдений (приложение 5). Опыт следует выполнять при трех различных уровнях воды.

ОБРАБОТКА ДАННЫХ

1. Находится центральный момент инерции диска

.

2. Определяется положение центра давления

.

3. Определяется сила весового давления на плоский диск (без учета трения в шарнире и жесткости резиновой диафрагмы)

,

где G- вес груза.

4. Для сравнения определить теоретическое значение весового давления.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Что такое центр давления?

2. Объясните причину смещения центра давления относительно центра

тяжести.

3.Объясните принцип опытного определения силы давления жидкости на

стенку.

РАБОТА 6

ГРАФИЧЕСКАЯ ИЛЛЮСТРАЦИЯ УРАВНЕНИЯ Д. БЕРНУЛЛИ

1.Цель работы. Построение пьезометрической и напорной линий для

трубопровода переменного сечения. 2.Описание установки.

Установка для демонстрации уравнения Д. Бернулли (рис. 8) состоит из напорного резервуара 2 со сливной стенкой 5, трубопровода переменного сечения 3 с регулирующим вентилем 6, мерного бака 8 с мерным стеклом 7 и сливным трубопроводом 9. По трубе в местах различных сечений установлены пьезометры 4 для определения удельной потенциальной энергии.

3. Порядок выполнения работы.

3.1. Производят измерения внутреннего диаметра труб, координат центров сечений по отношению к плоскости сравнения.

3.2. При полностью открытом вентиле 1 и вентиле 9 установить необходимый режим движения воды в трубопроводе 3. Уровень в резервуаре 2 должен оставаться при этом постоянным, т. е. через переливную стенку должно вытекать небольшое количество воды.

3.3. Снимают показания пьезометрических трубок во всех сечениях.

3.4. Закрыть вентиль 9 и секундомером определить продолжительность наполнения определенного объема мерного резервуара 8.

3.5.Открывают вентиль 9, с помощью вентилей 1 и 6 устанавливают новый режим движения воды в трубопроводе 3 и повторяют измерения. Подобные измерения необходимо повторить 4-5 раз при различных расходах воды. Результаты замеров заносят в протокол наблюдений (приложение 6).

4. Обработка результатов измерений.

4.1. Определяют объемный расход воды по формуле:

,

где W - объем воды в мерном резервуаре;

- продолжительность наполнения этого объема.

4.2. Вычисляют среднюю скорость и скоростную высоту в соответствующих сечениях трубопровода:

Коэффициент кинетической энергии условно принимают равным единице.

4.3. Построить пьезометрическую и энергетическую линии. Для этого на миллиметровой бумаге в соответствующем масштабе вычерчивают схему опытного трубопровода и наносят сечения, в которых производились измерения. По вертикалям, проведенным через нанесенные сечения, откладывают в соответствующем масштабе пьезометрические напоры, полученные по результатам замеров пьезометрическими трубками. Плоскость сравнения при этом проводят через ось трубопровода. К линии пьезометрического напора в соответствующем масштабе откладывают вверх скоростные высоты и по ним строят линию гидродинамического напора (линию энергии). Линии пьезометрического и гидродинамического напоров необходимо провести от начального до конечного сечений трубопровода. Диаграмму приложить к протоколу работы.

5. Контрольные вопросы.

5.1. Напишите и объясните уравнение Бернулли для идеальной и реальной жидкости, для струйки и потока.

5.2. Объясните геометрический и энергетический смысл каждого члена уравнения Бернулли.

5.3. Для чего служит пьезометрическая и скоростная трубка?

5.4. Постройте диаграммы Бернулли для идеальной и реальной жидкости при переменном сечении трубопровода.

РАБОТА 7

ИЗУЧЕНИЕ РЕЖИМА ДВИЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ

1.Цель работы. Ознакомление с изменениями, происходящими в потоке, при

различных режимах течения жидкости. 2.Описание экспериментальной установки.

Изменение режима движения жидкости в трубопроводе можно наблюдать на установке, схема которой показана на рис.9. Установка состоит из напорного резервуара 1, к которому присоединена прозрачная труба постоянного диаметра с краном 3 на конце для регулирования расхода жидкости, поступающей из резервуара в трубу. В бачок 4 с тонкой трубкой 5 и краном 6 наливается раствор красящего вещества (обычно анилиновую краску). Открытый конец трубки 5 устанавливают по оси трубы 2. Количество жидкости, протекающей по трубе 2, измеряется мерным баком 7.

3.Порядок работы и методика измерения.

3.1.Заполнить бак 1 водой и добиться обеспечения в нем постоянного уровня

воды.

3.2.Заполнить бачок 4 подкрашенной жидкостью.

3.3.Замерить температуру жидкости и определить ее вязкость.

3.4.С помощью крана 3 установить минимально возможный расход жидкости. 3.5.В условиях установившегося движения жидкости постепенным открытием

крана 6 подать из бачка 4 по трубке 5 подкрашенную жидкость в трубу 2 в

виде тонкой струйки.

3.6.Произвести наблюдение характера движения подкрашенной струйки.

3.7.Секундомером замерить время наполнения мерного бака 7 некоторым

объемом W жидкости.

3.8.Опыты произвести при пяти различных положениях крана 3 (от

минимального до максимального открытия) с повторением не менее 3 раз

(всего 15 измерений).

4. Обработка опытных данных.

4.1 .Вычислить значения кинематического коэффициента вязкости воды по

формуле

4.2.Определить расход воды и среднюю скорость ее движения по трубе

4.3.Найти величину числа Рейнольдса

По установленной величине числа Рейнольдса и результатам визуальных наблюдений сделать заключение о режиме движения жидкости.

4.4.Результаты наблюдении и вычисленные величины заносят в протокол наблюдения (приложение 7). К протоколу приложить схему установки.

5.Контрольные вопросы.

5.1.Охарактеризуйте ламинарный и турбулентный режим движения.

5.2.Каков физический смысл критерия Рейнольдса?

5.3. Что называется вязкостью? Какова взаимосвязь динамического и кинематического коэффициента вязкости?

5.4. Физический смысл уравнения неразрывности.

РАБОТА 8

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ТРЕНИЯ

1.Цель работы. Экспериментальное определение коэффициента гидравличес­

кого трения (коэффициента Дарси) при движении жидкости в

трубах и сопоставление полученных данных с расчетными

значениями.

2. Описание экспериментальной установки.

Лабораторная установка для исследования движения жидкости в трубах (рис.10) состоит из напорного бака 1, трубопровода 2 с регулирующим вентилем 3 в конце его. Вытекающая из трубопровода жидкость направляется в мерный бак 4, откуда по всасывающей линии 6 забирается насосом 7 и направляется вновь в напорный бак 1 через вентиль 8.

Таким образом во время опыта жидкость в системе циркулирует непрерывно. В начале и в конце трубопровода 2 установлены пьезометры.

3. Порядок выполнения работы.

3.1. Производится измерение длины участка трубопровода между пьезометрами, внутреннего диаметра его, температуры воды.

3.2. При закрытом вентиле 8 запускают насос, подающий жидкость в напорный резервуар. Открывая вентили 8 и 3, устанавливают необходимый режим движения жидкости.

3.3. Выждав около 5 минут, пока движение жидкости в трубопроводе станет установившимся, берут отсчет отметок уровней жидкости в пьезометрах,

температуры воды в мерном боке 4, время наполнения мерного бака и

объем поступающей в него воды. Результаты наблюдений записывают в протокол наблюдений (приложение 8). Опыт проводят три раза при различных расходах жидкости в трубопроводе.

4. Обработка опытных данных.

4.1. Вычисляют объемный расход жидкости по формуле

,

где W - объем поступившей в мерный бак воды, м3;

-продолжительность наполнения объема W, с.

4.2. Вычисляют среднюю скорость воды в трубопроводе

.

4.3. Определение коэффициента сопротивления трения ведут по формуле

-потери напора на трение

4.4. Вычисляют среднюю температуру воды в течение опыта