Рабочая тетрадь для практических работ по гидравлике
учебно-методическое пособие

Дисциплина ОП 06. Основы гидравлики, теплотехники и аэродинамики является одной из  общепрофессиональных дисциплин, дающих знания для получения профессиональных навыков, и преподается студентам специальности 15.02.13 Техническое обслуживание и ремонт систем вентиляции и кондиционирование.

Содержание методических указаний по выполнению практических занятий соответствует требованиям Государственного стандарта среднего профессионального образования.

Выполнение практических занятий должно способствовать более глубокому пониманию, усвоению и закреплению изучаемого материала, развитию логического мышления, аккуратности, умению правильно выполнять расчеты и  делать соответствующие выводы.

В рабочей тетради дается теоретический материал, способы расчета  задач и таблицы результатов.

В резульате выполнения расчетов студенты должны уметь определять потери напора, параметры при гидравлическом расчёте, производить аэродинамический расчёт воздуховодов.

Цель методической разработки

1.  Дидактическая цель:

Оказание помощи студентам в выполнении задания по решению    ситуационных задач с использованием полученных знаний.

2.  Воспитательная цель:

Воспитать ответственность и аккуратность, интерес к дисциплине.

3.  Развивающая цель:

Закрепить и расширить теоретические и практические знания.

Перечень практических работ

Практическая  работа № 1

Изучение физических свойств жидкости

Цель работы: ознакомится с методикой измерения плотности жидкости, коэффициента температурного расширения, коэффициента поверхностного натяжения и вязкости жидкости.

1.1. Общие сведения

Жидкостью называют физическое тело, обладающее большой подвижностью частиц и изменяющее свою форму под действием весьма малых сил. Основные физические свойства жидкости - плотность, сжимаемость, температурное расширение, вязкость и поверхностное натяжение. Все физические свойства жидкости зависят от температуры Т °С и от давления «р».

Плотность жидкости - это отношение массы жидкости к занимаемому объёму

Плотность жидкости зависит от температуры и давления . С увеличением температуры плотность жидкости уменьшается. С увеличением давления - увеличивается. У воды максимальное значение плотности при 4 °С. С уменьшением температуры воды от 4 °С до 0 °С плотность воды уменьшается.

Плотность жидкости можно определить с помощью специального прибора ареометра.

Сжимаемость жидкости - это способность жидкости изменять свой объём при изменении действующего на неё давления. Эта способность жидкости оценивается коэффициентом объёмного сжатия, показывающим относительное изменение объёма жидкости, приходящегося на единицу изменения давления «р»:

где Wn - начальный объём жидкости; разность начального давления в жидкости и конечного.

При решении практических задач, в которых приходится учитывать сжимаемость жидкости, используют величину, обратную коэффициенту объёмного сжатия, называемую модулем упругости жидкости Е:

Температурное (тепловое) расширение - это способность жидкости изменять свой объём при изменении температуры. Его можно оценить с помощью коэффициента температурного расширения, представляющего собой относительное изменение объёма жидкости при изменении температуры на один градус:

Вязкость - это свойство жидкости оказывать сопротивлению сдвигу или скольжению сопротивляющихся слоёв. Вязкость характеризует степень текучести жидкости и подвижности её частей.

Согласно гипотезе И. Ньютона, высказанной в 1686 г., а затем экспериментально и теоретически обоснованной в 1882 г. профессором Н.П. Петровым, между смежными слоями жидкости, движущимися с различной скоростью, возникает сила внутреннего трения

где  μ- динамический коэффициент вязкости; S - площадь соприкасающихся слоёв жидкости; dn - расстояние между центрами соседних слоёв; du/dn - приращение скорости движения слоёв жидкости в направлении нормали п (градиент скорости).

Разделив обе части уравнения на S, получим силу трения или касательное напряжение

Единицей измерения динамической вязкости в системе СИ является (паскаль-секунда) Пас = н*с/м2.

При выполнении технических расчётов обычно для оценки вязких свойств жидкости используют кинематический коэффициент вязкости v, представляющий отношение динамической вязкости к её плотности

Единицей измерения кинематической вязкости в системе СИ является м2/с.

Иногда используют производную от единицы измерения кинематической вязкости, называемую стоксом (1 ст= 1 см'/с).

Вязкость зависит от рода жидкости, её температуры и давления и не зависит от скорости течения жидкости.

С увеличением температуры вязкость капельных жидкостей и их смесей уменьшается, а газообразных - увеличивается. Зависимость вязкости от температуры для разных жидкостей различна и выразить эту зависимость аналитически общим уравнением не представляется возможным.

Для воды Пуазейль предложил эмпирическую формулу:

где t° - температура воды, °С.

Для минеральных масел, применяемых в гидроприводах машин, в интервале температур 30... 150 °С, пользуются выражением

где vt. и v50 - кинематическая вязкость соответственно при данной t °С и при 50 °С; N - показатель степени, зависящий от исходной вязкости при 50 °С. Значения N представлены в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Значения показателя степени N в уравнении (1.9)

С увеличением давления вязкость жидкостей возрастает, однако эта зависимость существенно проявляется лишь при относительно больших изменениях давления (в несколько десятков Мпа).

Для измерения вязкости пользуются приборами, называемыми вискозиметрами.

Существуют различные типы вискозиметров, которыми определяют вязкость - вискозиметр Стокса, капиллярный вискозиметр, вискозиметр Энглера и др.

Поверхностное натяжение - свойство жидкости образовывать поверхностный слой взаимно притягивающихся молекул. Это свойство характеризуется коэффициентом поверхностного натяжения а, численно равным силе, действующей на единицу длины контура поверхности в сторону её сокращения. Измеряется коэффициент поверхностного натяжения а в единицах силы, отнесённой к длине, т.е. в Н/м.

Определить коэффициент поверхностного натяжения можно с помощью прибора сталагмометра.

Значения плотности, коэффициентов сжатия, температурного расширения, кинематической вязкости и коэффициента поверхностного натяжения

при t° = 20 °С

• 1. Что понимают под плотностью жидкости? Каковы единицы её измерения? От чего и как зависит плотность жидкости?
• 2. Чему равна плотность воды при температуре 4 °С?
• 3. Как определить плотность жидкости при заданной температуре?
• 4. Как называется прибор для определения плотности жидкости?
• 5. Что понимают под сжимаемость жидкости? Как оценивается способность жидкости к сжиманию?
• 6. Что такое модуль объёмной упругости жидкости, в каких единицах он измеряется и от чего и как зависит?
• 7. Что понимают под температурным расширением жидкости?

Как оценивается способность жидкости к расширению?

8. Что понимают под коэффициентом температурного расширения,

в каких единицах он измеряется, от чего и как зависит коэффициент температурного расширения?

• 9. Как определить коэффициент температурного расширения?
• 10. Что называют вязкостью жидкости?
• 11. Как формулируется и записывается закон жидкостного трения Ньютона?
• 12. В каких вопросах гидравлики используется знания о вязкости жидкости?
• 13. Что называется касательным напряжением и как его определить?
• 14. Каков физический смысл динамического коэффициента вязкости жидкости
• 15. Какова размерность динамического коэффициента вязкости?
• 16. Каков смысл кинематического коэффициента вязкости и какова его размерность?
• 17. Какова связь между динамическим и кинематическим коэффициентом вязкости?
• 18. От чего и как зависит вязкость жидкости?
• 19. Какую жидкость называют «идеальной»? Для чего введено понятие «идеальной» жидкости?
• 20. Как называется прибор для определения вязкости жидкости?
• 21. Что понимают под коэффициентом поверхностного натяжения и в каких единицах он измеряется?
• 22. От чего и как зависит коэффициент поверхностного натяжения?
• 23. Как называется прибор для измерения коэффициента поверхностного натяжения и как он устроен?

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Практическая работа №2

Изучение приборов для измерения давления

Цель работы: изучить устройство и принцип действия жидкостных приборов для измерения давления.

2.1. Общие сведения

За единицу измерения давления в международной системе единиц принят Паскаль (1 Па = 1 Н/м'). Существуют более крупные единицы измерения давления - килопаскаль или мегопаскаль: 1 кПа = 103 Па; 1 МПа = 106 Па.

В технике широко используется единица измерения давления 1 кг/см", называемая технической атмосферой. Между единицами измерения давления существует связь: 1 кг/см2 = 105 Па = 10: кПа = 0,1 Мпа.

Различают следующие виды давления: абсолютное (полное), весовое (избыточное), манометрическое, вакуумметрическое, барометрическое.

Для жидкости, находящейся в поле силы тяжести, абсолютное гидростатическое давление в рассматриваемой точке жидкости, находящейся на глубине /г от свободной поверхности или от уровня с известным давлением рассчитывается по формуле

где р0 - давление на свободной поверхности или на известном уровне; в частных случаях р0 может равняться атмосферному давлению (р0 = рат) либо быть больше атмосферного давления (р() > раг), либо быть меньше атмосферного давления (р0 < рат).

Величина pgh в уравнении (2.1) называется весовым, или избыточным давлением (избыток над величиной р0):

Величина превышения абсолютного давления над атмосферным называется манометрическим давлением:

где ро = рат.

Величина давления, недостающая до атмосферного, называется вакуумметры ческим давлением

Вакуумметрическое давление имеет место, если абсолютное давление в точке покоящейся жидкости меньше атмосферного давления. Предел измерения вакуумметрического давления от 0 до 1 ат.

Барометрическое, или атмосферное давление — это давление воздуха, которое зависит от высоты места над уровнем моря и от погоды.

Значения атмосферного (барометрического) давления в зависимости от высоты над уровнем моря

Таблица 2.1

Для измерения давления в жидкости используют приборы, которые по принципу действия подразделяются на жидкостные, механические и электрические.

В зависимости от вида измеряемого давления (абсолютного, избыточного, манометрического, вакуумметрического, барометрического) жидкостные приборы делятся на пьезометры, манометры, вакуумметры, дифференциальные манометры, барометры.

Жидкостные приборы исторически стали применятся первыми. В 1642 г. итальянским учёным Э. Торричелли впервые было измерено атмосферное давление ртутным барометром, который состоял из вертикальной стеклянной трубки с миллиметровой шкалой и закрытым верхним концом, которая заполнена ртутью, и чаши с ртутью, в которую опущена трубка нижним концом.

Жидкостные приборы применяют для измерения небольших давлений. Они имеют простую конструкцию, достаточно высокую точность, применяются как в лабораторной практике, так и в технике. Действие жидкостных приборов основано на принципе уравновешивания измеряемого давления весом столба жидкости высотой «h» в приборе.

Самым простейшим жидкостным прибором является пьезометр, представляющий собой прямую стеклянную трубку диаметром 1,0 ... 1,5 см, нижний конец которой присоединяется к отверстию в стенке сосуда на уровне необходимом для измерения давления, а другой конец открытый (рис. 2.1).

Манометрическое давление, измеряемое пьезометром (рис. 2.1), вычисляется по формуле

где Ар - высота столба жидкости в пьезометре.

Рис. 2.1 Схемы жидкостных приборов: а) пьезометр; б) v-образный ртутный манометр; в) вакуумметр

Если в резервуаре р() = рат, то высота столба жидкости в пьезометре будет равна глубине, на которой измеряется давление (hp = h), то по показанию пьезометра определяется весовое давление в точке.

Для измерения манометрического давления в жидкости, часто применяют v-образный манометр, один конец которого открыт, а второй присоединяется к точке, в которой измеряется давление (рис 2.1, б). Чаще всего рабочей жидкостью v-образного манометра является ртуть, что увеличивает диапазон измеряемого давления.

Давление в точке присоединения v-образного ртутного манометра определяется по уравнению

где ррт, и р - соответственно плотность ртути и жидкости, в которой измеряется давление; hрт - разность уровней ртути в коленах манометра; а - расстояние от точки присоединения манометра к резервуару до уровня ртути в левом колене манометра.

В качестве жидкостного вакуумметра может служить v-образный ртутный манометр или обратный пьезометр.

Если абсолютное давление в резервуаре в точке присоединения манометра меньше атмосферного, то уровень ртути в правом колене манометра ниже уровня в правом колене на высоту hрт.

Вакуумметрическое давление в точке присоединения v-образного ртутного устройства определяется по уравнению

На (рис. 2.2, б) изображён обратный пьезометр, открытый конец которого опущен в чашку с ртутью. Вакуумметрическое давление в т. А определяется по уравнению (2.8).

Рис. 2.2. Жидкостные вакуумметры: а) ртутный v-образный; б) обратный пьезометр;

1 - резервуар е жидкостью; 2 - v-образное колено, заполненное ртутью; 3 - обратный пьезометр (жидкостный вакуумметр); 4 - чашка с ртутью

Измерить манометрическое, вакууметрическое давление с помощью  а) пьезометр; б) v-образный ртутный манометр; в) вакуумметр

а) h=

          hр=

____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

б) h=

hрт=

а=

______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

в)____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Выполните схемы в масштабе

Механические приборы для измерения давления делятся на манометры, вакуумметры и мановакуумметры.

В механических приборах измеряемое давление вызывает деформацию чувствительного (упругого) элемента (трубка, мембрана, сильфон), которая с помощью специальных механизмов передаётся на указатель давления (стрелку), перемещая её по проградуированной шкале.

Механические приборы компактны. Механические манометры применяются для измерения высоких давлений. Принципиальная схема механического прибора для измерения давления представлена на рис. 2.3.

Рис. 2.3. Механический манометр:

• 1 - чувствительный элемент (трубка Бурдона);
• 2 - шкала; 3 - передаточный механизм; 4 - стрелка

Жёсткость чувствительного элемента подбирают в соответствии с максимальным давлением, на которое рассчитан данный манометр.

В электрических приборах воспринимаемое чувствительным элементом давление преобразуется в электрический сигнал. Сигнал регистрируется показывающим (вольтметр, амперметр) или пишущим (самописец, осциллограф) приборами

Контрольные вопросы

• 1. Что понимают под гидростатическим давлением?
• 2. Каковы единицы измерения гидростатического давления в системе СИ?
• 3. Каков закон распределения гидростатического давления по глубине?
• 4. Каковы основные виды гидростатического давления?
• 5. Что понимают под абсолютным давлением?
• 6. Что понимают под манометрическим давлением?
• 7. Какое давление называют вакуумметрическим?
• 8. Какое давление называют барометрическим?
• 9. Что называют Паскалем?
• 10. Что больше: абсолютное давление, равное 0,16 МПа или избыточное, равное 0,07 МПа?
• 11. Что понимают под пьезометрическим напором?
• 12. Какова связь между давлением и пьезометрической высотой?
• 13. Каковы достоинства и недостатки жидкостных приборов для измерения давления?
• 14. Каковы достоинства и недостатки механических приборов для измерения давления в жидкостях?
• 15. Пьезометр - что это?
• 16. Чему равен пьезометрический напор (в метрах водяного столба

и миллиметрах ртутного столба) для давления равного двум атмосферам?

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Практическая работа №3

Единицы измерения давления

Единицы величин давления и их соотношение. Таблица перевода единиц измерения давления. Па; МПа; бар; атм; мм рт.ст. = торр = тор; мм в.ст.; м в.ст., кг/см2; кгс/см2; psf; psi; дюймы рт.ст.; дюймы в.ст.              

• Единица измерения давления в СИ- паскаль (русское обозначение: Па; международное: Pa) = Н/м2
• Таблица перевода единиц измерения давления. Па; МПа; бар; атм; мм рт.ст.; мм в.ст.; м в.ст., кг/см 2; psf; psi; дюймы рт.ст.; дюймы в.ст. ниже

• 1 Па (Н/м2) = 0.0000102 Атмосфера "метрическая" / Atmosphere (metric)
• 1 Па (Н/м2) = 0.0000099 Атмосфера стандартная Atmosphere (standard) = Standard atmosphere
• 1 Па (Н/м2) = 0.00001 Бар / Bar
• 1 Па (Н/м2) = 10 Барад / Barad
• 1 Па (Н/м2) = 0.0007501 Сантиметров рт. ст. (0 °C)
• 1 Па (Н/м2) = 0.0101974 Сантиметров во. ст. (4 °C)
• 1 Па (Н/м2) = 10 Дин/квадратный сантиметр
• 1 Па (Н/м2) = 0.0003346 Футов водяного столба / Foot of water (4 °C)
• 1 Па (Н/м2) = 10-9 Гигапаскалей
• 1 Па (Н/м2) = 0.01 Гектопаскалей
• 1 Па (Н/м2) = 0.0002953 Дюмов рт.ст. / Inch of mercury (0 °C)
• 1 Па (Н/м2) = 0.0002961 Дюймов рт. ст. / Inch of mercury (15.56 °C)
• 1 Па (Н/м2) = 0.0040186 Дюмов в.ст. / Inch of water (15.56 °C)
• 1 Па (Н/м2) = 0.0040147 Дюмов в.ст. / Inch of water (4 °C)
• 1 Па (Н/м2) = 0.0000102 кгс/см2 / Kilogram force/centimetre2
• 1 Па (Н/м2) = 0.0010197 кгс/дм2 / Kilogram force/decimetre2
• 1 Па (Н/м2) = 0.101972 кгс/м2 / Kilogram force/meter2
• 1 Па (Н/м2) = 10-7 кгс/мм2 / Kilogram force/millimeter2
• 1 Па (Н/м2) = 10-3 кПа
• 1 Па (Н/м2) = 10-7 Килофунтов силы/ квадратный дюйм / Kilopound force/square inch
• 1 Па (Н/м2) = 10-6 МПа
• 1 Па (Н/м2) = 0.000102 Метров в.ст. / Meter of water (4 °C)
• 1 Па (Н/м2) = 10 Микробар / Microbar (barye, barrie)
• 1 Па (Н/м2) = 7.50062 Микронов рт.ст. / Micron of mercury (millitorr)
• 1 Па (Н/м2) = 0.01 Милибар / Millibar
• 1 Па (Н/м2) = 0.0075006 Миллиметров рт.ст / Millimeter of mercury (0 °C)
• 1 Па (Н/м2) = 0.10207 Миллиметров в.ст. / Millimeter of water (15.56 °C)
• 1 Па (Н/м2) = 0.10197 Миллиметров в.ст. / Millimeter of water (4 °C)
• 1 Па (Н/м2) =7.5006 Миллиторр / Millitorr
• 1 Па (Н/м2) = 1Н/м2/ Newton/square meter
• 1 Па (Н/м2) = 32.1507 Повседневных унций / кв. дюйм / Ounce force (avdp)/square inch
• 1 Па (Н/м2) = 0.0208854 Фунтов силы на кв. фут / Pound force/square foot
• 1 Па (Н/м2) = 0.000145 Фунтов силы на кв. дюйм / Pound force/square inch
• 1 Па (Н/м2) = 0.671969 Паундалов на кв. фут / Poundal/square foot
• 1 Па (Н/м2) = 0.0046665 Паундалов на кв. дюйм / Poundal/square inch
• 1 Па (Н/м2) = 0.0000093 Длинных тонн на кв. фут / Ton (long)/foot2
• 1 Па (Н/м2) = 10-7 Длинных тонн на кв. дюйм / Ton (long)/inch2
• 1 Па (Н/м2) = 0.0000104 Коротких тонн на кв. фут / Ton (short)/foot2
• 1 Па (Н/м2) = 10-7 Тонн на кв. дюйм / Ton/inch2
• 1 Па (Н/м2) = 0.0075006 Торр / Torr

Перевод единиц давления

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Практическая работа №4, 5

Изучение структуры потоков жидкости

Определение режимов течения

Цель работы: изучение режимов движения жидкости и методов определения режима движения жидкости - ламинарного и турбулентного.

При движении жидкости в трубах или каналах могут наблюдаться два различных по своему характеру режима движения - ламинарный и турбулентный. Ламинарный (слоистый) - это такой режим, при котором поток жидкости движется параллельными струйками или слоями не смешивающимися между собой. Частицы имеют только одну, продольную, составляющую скорости. Линия тока при ламинарном режиме совпадает с траекторией частицы.

При турбулентном (хаотичном, вихревом) режиме движения частицы жидкости перемешиваются, и траектории отдельных частиц представляют сложные линии, пересекающиеся между собой.

Исследования по определению режимов движения жидкости проводил английский физик О. Рейнольдс. Опыты Рейнольдса показали, что наличие ламинарного или турбулентного режима зависит от скорости движения, вязкости жидкости и от геометрических размеров живого сечения потока. При постоянном увеличении скорости движение жидкости сохраняется ламинарным лишь до какой-то определённой скорости, после которой наступает турбулентный режим. При проведении опыта в обратном порядке, т.е. при уменьшении скорости, турбулентный режим сохраняется также до какой-то определённой скорости, после чего переходит в ламинарный.

Скорость, при которой происходит смена режимов движения, называется критической скоростью. При этом различают две критические скорости: нижнюю - vKp „ и верхнюю - vKp в.

При нижней критической скорости турбулентное движение переходит в ламинарное, при верхней - ламинарное переходит в турбулентное. Таким образом, определение режима движения жидкости может быть произведено путём сопоставления средней скорости движения потока v со значениями критических скоростей. С изменениями геометрических размеров живого сечения потока и свойств жидкости величины критических скоростей будут изменяться.

Для определения режима движения жидкости в инженерной практике используется критерий режима движения, который называется число Рейнольдса:

где v- средняя скорость движения жидкости; l- характерный линейный размер живого сечения потока; v - кинематический коэффициент вязкости жидкости.

Таким образом, для напорной трубы круглого сечения

Режим движения можно определить путём сравнения числа Рейнольдса Re с его критическим значением ReKp, соответствующим критической скорости. Существуют два критических числа Рейнольдса: ReKp.H - нижнее критическое число Рейнольдса и ReKp „ - верхнее критическое число Рейнольдса. Для равномерных потоков жидкости в трубах (каналах) круглого сечения нижнее критическое число Рейнольдса ReKp.„ всегда будет одинаковым и ReKp.n = 2320. Значение верхнего критического числа Рейнольдса ReKp„ зависит от многих факторов.

Режим движения следует считать ламинарным, если Re < ReKpH, и турбулентным при Re > ReKp l). При ReKp „ < Re < ReKp в имеет место область неустойчивых режимов движения, в которой может быть как ламинарный, так и турбулентный.

В инженерной практике режим определяют путём сравнения числа Рейнольдса Re исследуемого потока с ReKpH. Режим считается ламинарным, если Re < ReKp,,, и турбулентным при Re > ReKp H.

Из выражения (3.1) следует, что числа Рейнольдса малы и, следовательно, режим ламинарный при малых скоростях течения в каналах незначительного поперечного сечения (в порах грунта, капиллярных трубках) или при движении жидкостей с большой вязкостью (нефть, масло, битумы).

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

Устройство № 3 имеет прозрачный корпус (рис. 4.1, а), баки 1 и 2 с успокоительной стенкой 3 для гашения возмущений в жидкости от падения струй и всплывания пузырей воздуха.

Баки 1 и 2 соединены между собой каналами 4 и 5 с одинаковыми сечениями. Канал 4 имеет перегородку с щелью 6, а противоположный конец канала 5 имеет решётку 7 (перегородку со множеством отверстий). Устройство № 3 заполнено смесью воды и микроскопических частиц алюминия. Уровень смеси в баке № 2 измеряется по шкале 8.

Устройство № 3 позволяет определить структуру потока и режим движения жидкости визуально, а также с помощью критерия Рейнольдса.

Устройство № 3 позволяет наблюдать, так называемые, циркуляционные (водоворотные, вальцовые) зоны, которые образуются при резком изменении поперечного сечения или направления канала. В это время происходит отрыв транзитного потока от стенки.

У стенки жидкость начинает двигаться в обратном направлении, приводя к вращению жидкости между транзитной струёй и стенкой и образованию водоворота.

Рис. 3.1. Схема устройства № 3:

• 1,2- баки; 3 - перегородка; 4, 5 - опытные каналы; 6 - щель; 7 - решётка; 8 - уровнемерная шкала
• 3.3. Задание

Изменяя положение устройства № 3, создать ламинарный режим, турбулентный режим и проследить за изменением структуры потоков в процессе уменьшения скорости смеси до нуля; провести визуальные наблюдения за структурой потока в баке 2 на участке внезапного сужения, внезапного расширения в канале 4 за щелью 6 и при выходе потока из канала в бак 1; провести наблюдения за структурой течения при обтекании успокоительной стенки 3; зарисовать структуры потоков для всех указанных случаев визуального наблюдения в виде табл. 3.1

Сделав соответствующие измерения, посчитать число Рейнольдса и определить режим движения жидкости.

Чтобы создать в канале 4 ламинарный режим движения жидкости, необходимо бак 1 заполнить смесью воды и алюминиевых частиц, поставить устройство № 3 баком 2 на стол (рис. 3.1, а). Поступающая через левый канал в нижний бак 2 смесь вытесняет воздух в виде пузырей в верхний бак через канал 5. В результате этого давление на входе в канал 4, т.е. на дне верхнего бака 1 и над жидкостью в нижнем баке 2 уравниваются и истечение происходит под действием постоянного напора Н, создаваемого столбом жидкости в левом канале. Так обеспечивается установившееся (с постоянным во времени расходом) движение жидкости. В канале 4 устанавливается ламинарный режим благодаря небольшим скоростям течения из-за большого сопротивления щели 6.

Измерить время t поднятия уровня смеси в баке 2 на некоторую величину S. Изменяя наклон устройства № 3 от себя, изменяем расход смеси через щель 6. При новом положении устройства № 3 наклоном его от себя замерить вновь время / поднятия уровня S в баке 2. Зафиксировать температуру смеси Т °С.

Повернуть устройство № 3 в вертикальной плоскости по часовой стрелке на 180° (рис. 3.1, б) в канале 5 можно наблюдать за турбулентным режимом. Замерить начальный уровень смеси в баке 2 и время /, за которое бак 2 опорожниться и температуру смеси. Замеры провести при двух различных наклонах устройства № 3 от себя.

При заполненном смесью баке 2, если устройство № 3 поставить так, чтобы канал 5 (с решёткой) занял нижнее горизонтальное положение (рис. 3.1, в), можно наблюдать в канале 5 процесс перехода от турбулентного режима движения к ламинарному.

При этом обратить внимание на то, что решётка 7 приводит к турбулиза- ции потока за ней.

При заполненном смесью баке 2, если поставить устройство № 3 так, чтобы канал 4 с щелью 6 занял нижнее горизонтальное положение (рис. 3.1, г), можно наблюдать за структурой потока в баке 2 при внезапном сужении, внезапном расширении в канале за щелью 6 и при выходе потока из канала в бак 1, а также за образованием циркуляционных зон и транзитной струи.

При заполненном баке 1 (рис. 3.1, д) можно наблюдать структуру течения при обтекании перегородки 3.

Наблюдая за структурой потоков в устройстве № 3 при различных положениях этого устройства, сделать зарисовки структуры в виде табл. 3.1

Таблица 3.1

Структура потоков

По измеренной температуре смеси Т°С рассчитать её кинематический коэффициент вязкости v по формуле

По формуле

где А и В - размеры поперечного сечения бака (указаны на корпусе устройства № 3), определить объём смеси, поступившей в мерный бак за время I.

Расход Q смеси, протекающий через щель 6 (рис. 3.1, а) или решётку 7 (рис. 3.1, б)

По расходу О определяется средняя скорость течения смеси в канале:

где w - площадь поперечного сечения опытных каналов (указаны на корпусе устройства № 3).

По уравнению (3.2) определяем число Рейнольдса и, сравнивая его с критическим ReKp - числом Рейнольдса, определяем режим движения.

Все измеряемые и расчётные данные занести в табл. 3.2.

Экспериментальные данные и значения определяемых величин при определении числа Рейнольдса и режимов движения жидкости

А=

В=

d=

ω=

Таблица 3.2

• 1. Чем отличается качественно ламинарный и турбулентный режим движения жидкости?
• 2. Каковы основные особенности механизма движения ламинарного потока?
• 3. Каковы основные особенности механизма движения турбулентного потока?
• 4. Как определить число Рейнольдса для круглой трубы?
• 5. От каких параметров потока зависит режим движения жидкости?
• 6. Каково практическое значение критерия Рейнольдса?
• 7. Что понимают под критической скоростью?
• 8. Что понимают под критическим числом Рейнольдса?
• 9. Влияет ли температура жидкости на значение критической скорости?
• 10. Для чего нужно знать режим движения жидкости?
• 11. Какими способами можно определить режим движения жидкости?

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Практическая работа №6

Иллюстрация уравнения Бернулли

Цель работы: изучение закона сохранения энергии жидкости (уравнение Д. Бернулли) и экспериментальное определение составляющих и полную удельную энергию в различных сечениях напорного потока при установившемся движении реальной жидкости.

4.1. Общие сведения

Уравнение Д. Бернулли представляет собой математическое выражение закона сохранения энергии потока жидкости и является основным расчётным уравнением современной гидравлики и гидромеханики, на базе которого решаются многие практические задачи.

Уравнение Д. Бернулли для двух живых сечений потока вязкой несжимаемой жидкости в случае установившегося его движения имеет следующий вид:

где

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

• 4.2. Описание опытного устройства

Устройство № 4 (рис. 4.1) имеет баки 1 и 2, сообщаемые через опытные каналы 3 и 4. Канал 3 имеет переменное сечение, канал 4 - постоянное. Каналы 3 и 4 соединены между собой равномерно расположенными пьезометрами I-V, служащими для измерения пьезометрических напоров в характерных сечениях каналов. Устройство № 4 заполнено подкрашенной водой. В одном из баков имеется шкала 5 для измерения уровня воды в баке.

Рис. 4.1 Схема устройства Ns 4:

1,2 - баки; 3,4 - опытные каналы переменного и постоянного сечения; 5 - уровнемерная шкала; I-V - пьезометры

При перевёртывании устройства № 4 на 180° благодаря постоянству напоров истечения Н0 во времени, обеспечивается установившееся движение воды в нижнем канале. Другой канал в это время пропускает воздух, вытесняемый жидкостью из нижнего бака в верхний.

4.3. Задание

При выполнении работы необходимо:

• 1) снять показания пьезометрических трубок (I-V);
• 2) вычертить в масштабе канал 3 с пьезометрами (рис.4.2). Соединить уровни жидкости в пьезометрах и центром выходного сечения VI, построить пьезометрическую линию (р-р), показывающую изменение потенциальной энергии (давления) вдоль потока;
• 3) посчитать скоростные напоры v/2g в сечениях I-V;
• 4) посчитать полный запас удельной энергии жидкости в сечениях I-V:

• 5) построить график изменения полной удельной энергии жидкости вдоль канала 3 переменного сечения (линию напора, линию Е-Е);
• 6) дать оценку полученным результатам.
• 4.4. Методика и порядок проведения испытаний

Заполнить водой бак 2 устройства № 4, затем перевернуть устройство на 180° для получения течения в канале 3 переменного сечения.

Снять показания пьезометров I-V (p//>g) по нижним кромкам менисков воды в них.

Одновременно секундомером измерить время t перемещения уровня воды в баке на произвольно заданную величину S. Измеренные величины записать в табл. 6.1.

4.5. Обработка результатов измерений

По размерам А и В поперечного сечения бака, перемещению уровня S в баке за время ?, определить расход Q воды в канале. Размеры поперечного сечения бака А и В указаны на корпусе устройства № 4.

а затем вычислить среднюю скорость течения в характерных сечениях канала 3 (сечениях I-V):

где w - площадь сечения канала.

Зная среднюю скорость v в сечении канала, определить скоростной напор в данном живом сечении (v'/2g).

Ось канала 3 расположена горизонтально, поэтому, приняв за плоскость отсчёта 0-0 эту ось, получим равенство нулю геометрических напоров (z) в сечениях I-V.

Складывая пьезометрические и скоростные напоры в сечениях канала I-V, получим полные напоры в сечениях Н.

По измеренным пьезометрическим напорам строим пьезометрическую линию (1), а по рассчитанным полным напорам Н строим напорную линию (линию полной удельной энергии) (2) (рис. 4.2).

Результаты измерений и вычислений заносим в табл. 4.1.

Экспериментальные данные и значения определяемых величин при определении скоростных и пьезометрических напоров

Таблица 4.1

Рис. 4.2. Иллюстрация уравнения Бернулли:

• 1,2 - пьезометрическая и напорная линии; Hi, Нз - полные напоры (механические энергии) на входе и выходе из канала; hTp, hei, lv:- Ьвс, hp, hc - потери напора: суммарные, по длине на 1-ом и 2-ом участках, на внезапное сужение, на плавные расширения и сужения
• 1. Что понимают под полной удельной энергией потока жидкости в живом сечении?
• 2. Что понимают под удельной энергией? Какова её размерность?
• 3. Физический смысл коэффициента Кориолиса а? Каковы пределы численных коэффициента а, входящего в уравнение Д. Бернулли?
• 4. Каковы условия применимости уравнения Д. Бернулли?
• 5. Что такое плоскость отсчёта (плоскость сравнения) и как она назначается?
• 6. Что следует понимать под геометрическим напором и как он определяется?
• 7. Какой из законов физики выражает уравнение Д. Бернулли?
• 8. Каков геометрический смысл каждого члена уравнения Д. Бернулли в отдельности и всего уравнения в целом?
• 9. Каков энергетический смысл каждого члена уравнения Д. Бернулли в отдельности и всего уравнения в целом?
• 10. Что понимается под напором потока и как он определяется?
• 11. Что характеризует собой пьезометрическая линия?
• 12. Что понимается под пьезометрическим напором?
• 13. Как определить запас удельной потенциальной энергии в живом сечении потока?
• 14. Как изменяется удельная потенциальная энергия вдоль потока?
• 15. Как изменяется удельная кинетическая энергия вдоль потока при движении реальной жидкости?
• 16. Как изменяется пьезометрическая линия для трубопровода переменного сечения при постоянном расходе для реальной жидкости?
• 17. Как изменяется пьезометрическая линия для трубопровода постоянного сечения при установившемся движении вязкой жидкости?
• 18. Как изменяется линия полного напора по длине потока для реальной жидкости?
• 19. Каким отрезком на диаграмме уравнения Д. Бернулли характеризуется величина удельной кинетической энергии и потенциальной энергии давления?

_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Практическая работа 7

Определение местных потерь напора

Цель работы: экспериментальное определение потерь напора на преодоление местных гидравлических сопротивлений (резкого сужения потока и плавного расширения потока) и сопоставление экспериментальных и справочных значений коэффициентов сопротивлений резкого сужения потока ^рс и плавного расширения ^расш-

6.1. Общие сведения

Местные потери напора (потери удельной энергии) жидкости возникают на отдельных участках каналов и трубопроводов, где имеются изменения формы и размеров поперечного сечения потока (внезапное расширение и сужение), изменение направления движения жидкости (поворот трубы или канала) в кранах, вентилях, задвижках, клапанах и т.д. В таких местах происходит отрыв потока от стенки и образуются водоворотные зоны. На всё это затрачивается часть механической энергии потока.

В инженерных расчётах потери напора на участке местного гидравлического сопротивления определяются по формуле Вейсбаха:

где ? - коэффициент местного сопротивления; v - средняя скорость потока в сечении, как правило, за местным сопротивлением; g - ускорение силы тяжести.

От потерь напора на участке местного гидравлического сопротивления можно перейти к потерям давления по зависимости

Результаты опытов и их анализ показал, что коэффициент ? зависит от вида местного сопротивления и в некоторых случаях от числа Рейнольдса. При малых числах Re их влияние учитывается по формуле А.Д. Альтшуля:

где В - коэффициент, определяемый по табл. 5.1 [4] в зависимости от вида местного сопротивления; - коэффициент местного сопротивления при турбулентном режиме в квадратичной области сопротивлений.

Ввиду большой сложности структуры потока на участке местного гидравлического сопротивления значения ?, как правило, определяют опытным путём. Для резкого расширения потока (рис. 6.1) французские инженеры Борда и Карно используя ряд допущений, теоретическим путём получили зависимость для определения потерь напора, которая имеет вид:

где vi - средняя скорость потока в узкой трубе диаметром <1 v? - средняя скорость потока в широкой трубе диаметром D.

Рис. 6.1 Схема резкого расширения потока

Преобразование уравнения (6.4) и сопоставление его с уравнением (6.1) даёт возможность получить зависимость для определения коэффициента сопротивления на участке резкого расширения потока в виде

где wi и vv2 - площади сечения труб диаметром d и D соответственно.

При постепенно расширении трубопровода (участок IV-V) - конически расходящийся конус (диффузор) (рис. 6.2), коэффициент сопротивления, отнесённый к более широкому сечению, определяют по формуле [17]:

где кпрасш - коэффициент смягчения при постепенном расширении, значения которого определяют по табл. 6.1 в зависимости от угла конусности диффузора а.

Таблица 6.1

Среднее значение коэффициента смягчения кпрасш для диффузора

Рис. 6.2. Схема постепенного расширения трубопровода

Для практических расчётов коэффициента резкого (внезапного) сужения потока можно пользоваться следующей полуэмпирической формулой ЦАГИ

где W] и u’2 - площади сечения трубы диаметром Dud соответственно (рис. 6.3)

, - v _ Я*/"

Рис. 6.3. Схема резкого (внезапного) сужения потока

Из уравнения (6.7) следует, что при выходе трубы диаметром d из резервуара достаточно больших размеров (D —* оо), коэффициент сопротивления называют коэффициентом входа в трубу, т.е. при —- = -^-=- = 0 и при отсутствии

iv, ?)?

закруглённых входных кромок трубы

Закруглением входной кромки можно значительно уменьшить потери напора при входе в трубу.

6.2. Описание опытного устройства

Для экспериментального определения коэффициентов сопротивлений ? , f и потерь напора на участках сужений и расширений потока используется опытное устройство № 4 «Капельки», которое представлено на рис. 4.1 (см. лабораторную работу № 4).

6.3. Задание

При выполнении работы необходимо:

• 1) вычертить в масштабе канал 3 устройства №4 «Капелька» с пьезометрами I-V;
• 2) построить по показаниям пьезометров пьезометрическую линию;
• 3) определить опытные значения местных потерь напора на участках сужения hp C|UIi) и расширения потока Ьрасш(оп);
• 4) определить опытное значение коэффициента резкого сужения потока

^р.с(ап) >

• 5) определить опытное значение коэффициента расширения потока
• 6) определить расчётное значение коэффициента ;
• 7) определить угол конусности а диффузора и расчётное значение
• 8) определить расчётное значение потерь напора на участке резкого сужения потока Ьрс(расч) и на участке расширения потока Ьрасш(расч);
• 9) сопоставить опытные и расчётные данные и объяснить их расхождение.
• 6.4. Методика и порядок проведения эксперимента

Заполнить водой бак 2 устройства № 4. Повернуть устройство на 180° и поставить его баком 1 на стол для получения течения в канале 3 переменного сечения. Снять показания пьезометров 1-V (p/pg), одновременно измерив секундомером время t изменения уровня в баке 1 на произвольно заданную величину 5 и температуру Т° в помещении.

6.5. Обработка результатов эксперимента

Зная время наполнения I бака 1, размеры поперечного сечения бака 1 А и В, высоту уровня 5 воды, поступившей в бак за время /, определяем расход жидкости в канале 3:

По известным площадям сечения трубы w1-2 = 0,45 см2, w34 = 0,35см2, w5 = 0,7 см" определить средние скорости движения воды в соответствующих сечениях v1>2; v34; v5 по уравнению

Вычертить в масштабе канал 3 с пьезометрами.

По показаниям пьезометров I-V построить пьезометрическую линию, соединив уровни жидкости в пьезометрах и центром выходного сечения трубы.

По разности показаний пьезометров II и III определить опытные потери напора на участке резкого сужения трубы:

По разности показаний пьезометров IV и V определить опытные потери на участке расширения потока

Таблица 6.2

Измеряемые и вычисляемые величины

• 1. Что следует понимать под местным гидравлическим сопротивлением?
• 2. Какова причина возникновения местных гидравлических сопротивлений?
• 3. Как определяются потери напора на преодоление местных гидравлических сопротивлений?
• 4. Какова зависимость Борда - Карно для определения потерь напора при резком расширении трубопровода?
• 5. Как рассчитать коэффициент сопротивления при резком расширении трубопровода ?рр1
• 6. Как рассчитать коэффициент сопротивления при постепенном расширении трубопровода ?,„„„,?
• 7. Как определить экспериментально коэффициент сопротивления любого местного сопротивления?
• 8. От чего и как зависит коэффициент местного сопротивления?
• 9. Назовите виды местных гидравлических сопротивлений.
• 10. Зависит ли коэффициент ? от вязкости жидкости, от скорости потока, от диаметра трубопровода?
• 11. Для какого режима движения жидкости справедлива формула Борда - Карно?
• 12. Достаточно ли показаний пьезометра для определения опытным путём потерь напора на местные сопротивления?
• 13. В каких случаях можно в гидравлических расчётах складывать коэффициенты местных сопротивлений?
• 14. Как рассчитать коэффициент сопротивления при резком сужении потока ? 
• _______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
• _______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
• _______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Практическая работа №8

Определение потерь напора по длине

Цель работы: освоение методики экспериментального и расчётного способов определения потерь напора (удельной энергии) на трение по длине и сопоставление экспериментальных и расчётных величин коэффициентов гидравлического трения X.

5.1. Общие сведения

При движении реальной жидкости часть механической энергии потока теряется на преодоление гидравлических сопротивлений. Различают два вида потерь энергии (потери напора) - потери энергии на преодоление гидравлических сопротивлений трения (потери напора на трение по длине) и потери энергии (потери напора) на преодоление местных гидравлических сопротивлений.

Потери напора на трение по длине трубы при любом режиме движения и для любой жидкости в напорных трубах зависят от диаметра трубы d, её длины /, средней скорости движения жидкости в трубе и коэффициента трения X и определяются по формуле Дарси:

В общем случае безразмерный коэффициент X зависит от режима движения жидкости и относительной шероховатости стенок трубы Дэ, X = f(Re; —).

d

При ламинарном движении жидкости в трубе, которое соответствует значениям чисел Рейнольдса Re < 2320, для воды

При расчёте гидропривода для минеральных масел

Формула (5.1) при использовании выражения (5.2) для воды превращается в формулу Пуазейля

где v- кинематический коэффициент вязкости жидкости.

Из формулы Пуазейля (5.4) следует, что при ламинарном движении жидкости потери напора на трение прямо пропорциональны средней скорости потока в первой степени. Кроме того, они зависят от физических свойств жидкости и геометрических размеров трубы, а шероховатость стенок трубы не влияет на потери напора на трение.

При турбулентном режиме движения (Re>2320) выделяют три области сопротивлений, в каждой из которых изменение Я имеет свою закономерность.

Первая область - область гладких сопротивлений. Трубы считаются гидравлически гладкими, если толщина вязкого подслоя 5 в турбулентном потоке больше высоты выступов шероховатости поверхности (эквивалентной шероховатости) Дэ (6>Дэ).

Для гидравлически гладких труб при Re < 10' наибольшее распространение получила формула Блазиуса:

Для чисел Рейнольдса Re < 3-106 П.Н. Конаковым предложена более общая формула:

Трубу можно считать гидравлически гладкой, если Re < 10—.

Дэ

Вторая область - область доквадратичных сопротивлений. Здесь толщина вязкого подслоя д равна высоте выступов шероховатости (5 = Дэ). Для реальных технических труб с естественной шероховатостью коэффициент трения рекомендуется определять по формуле А.Д. Альтшуля:

Область доквадратичных сопротивлений имеет место при 10 — < Re < 500 —.

Дэ Дэ

Третья область - область гидравлически шероховатых труб, или область квадратичных сопротивлений. В этой области Дэ > 5. Для области квадратичных сопротивлений (Re > 500—) применима формула Б.Л. Шифринсона:

Дэ

Для облегчения расчёта коэффициента Я пользуются специальными программами, например, Колбрука-Уайта, имеющимися в справочнике по гидравлике. При помощи номограммы Я определяется по известному Re и относитель-

„ Дэ

ной шероховатости —.

5.2. Описание опытного устройства

Опытное устройство № 4 для определения потерь напора на трение и коэффициента трения Я представлено на рис. 4.1 (см. лаб. работу № 4).

5.3. Задание

При выполнении работы необходимо:

• 1) вычертить в масштабе канал 4 с пьезометрами I-V;
• 2) построить по показаниям пьезометров пьезометрическую линию (рис. 4.2);
• 3) определить опытные потери напора по длине на участке трубы / между пьезометрами III-V;
• 4) определить опытное значение коэффициента трения Х„л;
• 5) определить область сопротивлений, расчётное значение коэффициента трения Храсч и расчётные потери напора на трение на участке III-V;
• 6) сопоставить расчётные и опытные значения коэффициентов трения Я и потерь напора h,r и объяснить их расхождение.
• 5.4. Методика и порядок проведения испытаний

Заполнить водой бак 1 устройства № 4, затем устройство повернуть на 180° и поставить его баком 2 на стол для получения течения в канале 4 постоянного сечения. Снять показания пьезометров III и V (p/pg), одновременно измерить секундомером время t изменения уровня в баке 2 на произвольно заданную величину 5 и температуру Т° в помещении.

5.5. Обработка результатов эксперимента

Зная время / наполнения бака 2, размеры поперечного сечения бака 2 А и В, высоту уровня воды в баке S, определяют расход воды в трубе

и среднюю скорость движения воды в трубе:

где d - диаметр трубы.

По показаниям пьезометров III и V построить пьезометрическую линию.

Определить длину / участка между сечениями III и V, соответствующего равномерному течению.

По разности показаний пьезометров III и V определить опытное значение потерь напора на трение по длине hTp(o„>:

Pm Ру

Pg Pg '

Зная температуру воды Т°, определить её кинематический коэффициент вязкости в м /с по уравнению

а затем по уравнению (5.5) определить число Рейнольдса (Re).

Зная число Рейнольдса и шероховатость стенок трубы (Дэ = 0,001 мм), найти область сопротивлений и по соответствующим зависимостям (5.6)...(5.9) определить коэффициент трения Ара,.ч.

По уравнению (5.1) найти расчётное значение потерь напора на трение по длине трубы 1 - h.lp(paC4).

Результаты измерений и вычислений заносят в табл. 5.1.

Экспериментальные данные и значения определяемых величин при определении потерь напора по длине и коэффициента гидравлического трения

Таблица 5.1

Контрольные вопросы

• 1. Как зависят потери напора на трение от скорости движения жидкости при ламинарном и турбулентном режимах движения жидкости?
• 2. От чего зависит коэффициент трения /. при ламинарном режиме движения жидкости?
• 3. Как определить коэффициент трения X при ламинарном режиме движения жидкости?
• 4. От чего зависит коэффициент трения /. при турбулентном режиме движения жидкости?
• 5. Как определить коэффициент трения при турбулентном режиме движения жидкости?
• 6. Как определить потери напора на трение при ламинарном режиме движения жидкости?
• 7. Как определить потери напора на трение при турбулентном режиме движения жидкости?
• 8. Как зависят потери напора на трение от температуры жидкости?
• 9. Что следует понимать под квадратичной областью сопротивления и чем она характеризуется?
• 10. Что следует понимать под областью гладких сопротивлений, и чем они характеризуются?
• 11. Как определяется в работе расход жидкости?
• 12. Что следует понимать под областью доквадратичных сопротивлений и чем она характеризуется?
• 13. По какой зависимости определяется в работе средняя скорость движения жидкости в потоке?
• 14. Каким соотношением определяется область гидравлически гладких труб?
• 15. От каких величин зависит коэффициент трения в области гидравлически гладких труб, в области квадратичных сопротивлений, в области доквадратичных сопротивлений?
• 16. Зависит ли коэффициент трения X от температуры жидкости?
• _______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
• _______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
• _______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Практическая работа №11, 12, 13

Определение потерь давления в воздуховодах, построение характеристик воздуховодов

Аэродинамический расчет систем вентиляций с естественным пробуждением воздуха

Аэродинамический расчет систем вентиляций с принудительным  пробуждением воздуха

Потери давления в воздуховодах

____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Аэродинамический расчет систем вентиляции выполняют после расчета воздухообмена, а также решения трассировки воздуховодов и каналов. Для проведения аэродинамического расчета вычерчивают аксонометрическую схему системы вентиляции, на которой выделяют фасонные части воздуховодов. По аксонометрической схеме и планам строительной части проекта определяют протяженность отдельных ветвей системы.

Различают прямую и обратную задачи аэродинамического расчета вентиляционных систем. Цель аэродинамического расчета зависит от типа задачи: для прямой — это определение размеров сечений всех участков системы при заданном расходе воздуха через них; для обратной — это определение расходов воздуха при заданных размерах сечений всех участков.

При аэродинамическом расчете вентиляционных систем схему разбивают на отдельные расчетные участки. Расчетный участок характеризуется постоянным расходом воздуха. Границами между отдельными участками схемы служат тройники. Потери давления на участке зависят от скорости движения воздуха и складываются из потерь на трение и потерь в местных сопротивлениях.

Так же, как при гидравлическом расчете системы отопления, в системе вентиляции намечается основное расчетное йаправление — магистраль, представляющая собой цепочку последовательно расположенных участков от начала системы до наиболее удаленного ответвления. При наличии двух или более таких цепочек, одинаковых по протяженности, за магистральное направление принимается наиболее нагруженная (имеющая больший расход).

Потери давления в системе равны потерям давления по магистрали, слагающимся из потерь давления на всех последовательно расположенных участках, составляющих магистраль, и потерь давления в вентиляционном оборудовании (калориферы, фильтры и пр.).

Существует много различных способов расчета вентиляционных систем. Некоторые из них получили широкое распространение в проектной практике.

Мы рассмотрим лишь классические инженерные способы решения прямой и обратной задач аэродинамического расчета.

Аэродинамический расчет систем вентиляции с механическим побуждением движения воздуха несколько упрощен по сравнению ^гидравлическим расчетом систем отопления, так как в данном случае размеры поперечного сечения отдельных участков принимаются по допустимым (рекомендуемым) скоростям движения воздуха. Аэродинамический расчет вентиляционной системы, состоящий из двух этапов: расчета участков основного направления — магистрали и увязки всех остальных участков системЬі, проводится в такой последовательности.

1. Определение нагрузки отдельных расчетных участков. Систему разбивают на отдельные участки и определяют расход воздуха на каждом из них. Расходы определяют суммированием расходов на отдельных ответвлениях, начиная с периферийных участков. Значения расхода и длины каждого участка наносят на аксонометрическую схему.

2. Выбор основного (магистрального) направления. Выявляют наиболее протяженную цепочку последовательно расположенных расчетных участков. Фиксируют оборудование и устройства, в которых происходят потери давления: жалюзийные решетки, калориферы, фильтры и пр.

3. Нумерация участков магистрали. Участки основного направления нумеруют, начиная с участка с меньшим расходом. Расход и длину каждого участка основного направления заносят в таблицу аэродинамического расчета.

4. Определение размеров сечения расчетных участков магистрали. Площадь поперечного сечения расчетного участка

Рекомендуемые скорости определены из экономических соображений. Оптимальная скорость соответствует минимуму приведенных затрат — сумме капитальных затрат (стоимость воздуховодов, вентилятора, двигателя и пр.) и эксплуатационных расходов (электроэнергия) за период окупаемости. Кроме экономических соображений при определении рекомендуемых скоростей учтены технические требования. Например, из условий снижения шума скорость в воздуховодах в промышленных зданиях не рекомендуется более 10 м/с, в общественных зданиях 8 м/с. В системах с естественным побуждением движения воздуха рекомендуемые скорости ниже, так как в этих системах располагаемое давление ограничено. Воздуховоды сильно загромождают помещение, поэтому в отдельных частях системы принимают максимально допустимые скорости движения воздуха. Рекомендуется меньшую скорость принимать на концевых участках системы, постепенно увеличивая ее для других участков магистрали. На участке с большим расходом принимается большая скорость.

Цель аэродинамического расчета системы механической вентиляции- это определение размеров сечений всех участков системы при заданных расходах воздуха через них, а также потерь давления на отдельных участках и в системе в целом.

Ориентировочную площадь сечения воздуховода  fор, м2, определяют по величине расхода воздуха на участке L и по рекомендуемой скорости движения воздуха vор, равной 5-7 м/с на магистралях и 4–5 м/с – в воздухозаборной шахте и на конечных ответвлениях:

                  (1)

Затем вычисляют предварительный диаметр воздуховода на участке мм, и округляют до ближайшего стандартного размера.

.

                                  ,                                       (2)

где L-  расчетный расход воздуха на участке, м3/ч.

Удельную потерю давления для прямоугольного воздуховода определяют по значениям dэv и vпр, не принимая во внимание фактический расход воздуха.

Потерю давления на трение на участке сети воздуховодов длиной l определяют по формуле, Па

                                       ,                                         (3)

Если воздуховоды изготовляют не стальными, а из другого материала с абсолютной шероховатостью Кэ мм, отличающейся от шероховатости листовой стали (Кэ =0,1 мм), то на величину R вводят поправку п. Значения Кэ, и п приведены в таблице методических указаний.

Потери давления на местные сопротивления определяют по формуле, Па

                                           ,                               (4)

где Σζ- сумма коэффициентов местных сопротивлений на участке; ρ— плотность воздуха, кг/м3.

Коэффициенты местных сопротивлений определяем по таблице справочника.

Общие потери давления в системе равны сумме потерь давления в воздуховодах по магистральному направлению и в вентиляционном оборудовании, Па

                           ,                      (5)

где i- номера участков магистрального направления; ΣPоб- потеря давления в вентиляционном оборудовании: калориферах, фильтрах, глушителях шума и др., Па.

Расчет потерь давления на трение и местные сопротивления выполняют последовательно: вначале по участкам магистрального направления, затем по ответвлениям, вписывая соответствующие величины в табл. 1 приложения 1

После расчета ответвлений считают невязку потерь давления в ответвлениях и на магистрали. Она не должна превышать 10%:

Если превышает, то на ответвление ставится диафрагма.

• _______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
• _______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
• _______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
• _______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
• _______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
• _______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

ОБЛАСТНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

«БЕЛГОРОДСКИЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ КОЛЛЕДЖ»

РАБОЧАЯ ТЕТРАДЬ ДЛЯ ПРАКТИЧЕСКИХ РАБОТ ПО ГИДРАВЛИКЕ И АЭРОДИНАМИКЕ

ДИСЦИПЛИНА : ОП 06. ОСНОВЫ ГИДРАВЛИКИ, ТЕПЛОТЕХНИКИ И АЭРОДИНАМИКИ

Специальность: 15.02.13 Техническое обслуживание и ремонт систем вентиляции и кондиционирование

Студента группы_________

_____________________________________________

Белгород, 2022