литература - Северо-Кавказский горно

ГИДРАВЛИКА
(МЕХАНИКА ЖИДКОСТИ)
Методические указания к лабораторным работам
(на стенде ТМЖ-2)
Для студентов направления 270800 "Строительство"
Составители З. Н. Шеверова, А. С. Бадоев
Владикавказ 2013
0
Министерство образования и науки РФ
Северо-Кавказский горно-металлургический институт
(государственный технологический университет)
Кафедра "Строительное производство"
ГИДРАВЛИКА
(МЕХАНИКА ЖИДКОСТИ)
Методические указания к лабораторным работам
(на стенде ТМЖ-2)
Для студентов направления 270800 "Строительство"
Составители З. Н. Шеверова, А. С. Бадоев
Допущено редакционно-издательским советом
Северо-Кавказского горно-металлургического
института (государственного технологического
университета)
Владикавказ 2013
1
УДК 532.5
ББК 30.123я73
Ш37
Рецензент:
кандидат экономических наук, доцент СКГМИ (ГТУ)
Тускаева З. Р.
Ш37
Гидравлика (механика жидкости): Методические указания к лабораторным работам (на стенде ТМЖ-2). Для студентов направления
270800 "Строительство" / Сост. З. Н. Шеверова, А. С. Бадоев; СевероКавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет). – Владикавказ: Северо-Кавказский горнометаллургический институт (государственный технологический университет). Изд-во «Терек», 2013. – 31 с.
Методические указания к лабораторным работам составлены в соответствии с программой курса. В описании каждой работы содержатся: цель работы, теоретические сведения по теме работы, описание лабораторной установки, порядок выполнения работы, указания по содержанию и оформлению отчета, контрольные вопросы, список литературы.
В методических указаниях дано описание состава и компоновки стенда
гидравлического универсального (ТМЖ-2), а также схемы и краткие описания
каждого из модулей. Стенд требует очень небольших лабораторных площадей
и весьма прост в эксплуатации.
УДК 532.5
ББК 30.123я73
Редактор: Иванченко Н. К.
Компьютерная верстка: Цишук Т. С.
 Составление. Северо-Кавказский
горно-металлургический институт
(государственный технологический университет), 2013
 Шеверова З. Н., Бадоев А. С., составление, 2013
Подписано в печать 23.08.2013. Формат 60х84 1/16. Бумага офсетная.
Гарнитура «Таймс». Печать на ризографе. Усл. п.л. 1,8. Тираж 25 экз. Заказ №
Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический
университет). Издательство «Терек».
Отпечатано в отделе оперативной полиграфии СКГМИ (ГТУ).
362021, г. Владикавказ, ул. Николаева, 44.
2
Теоретические положения
Стенд гидравлический универсальный ТМЖ-2 предназначен для
исследования гидродинамических явлений при течении жидкости в
каналах с различной пограничной геометрией.
Стенд используется при постановке лабораторных работ по курсу
«гидравлика» («механика жидкости»).
На стенде проводятся следующие лабораторные работы:
1. Режим течения;
2. Потери напора по длине в круглой трубе;
3. Потери напора на внезапном сужении;
4. Потери напора на внезапном расширении;
5. Диаграмма уравнения Бернулли;
6. Испытания мерной диафрагмы;
7. Испытания дроссельного регулятора расхода;
Общий вид стенда представлен на рис. 1 .
Стенд состоит из двух секций. В состав нижней секции входят
двухтумбовый стол 1 с установленным на нем поддоном 2, двумя
кронштейнами для установки исследуемых модулей, ящиком для хранения модулей 3. Внутри нижней секции стенда находятся напорный
4 и питательный 5 баки, насосный агрегат, всасывающая и часть
напорной магистрали, краны для регулирования расхода воды, органы
управления электрической частью стенда.
В состав верхней секции входят:
– панель с вертикальными пьезометрами 6 для измерения давления в поперечных сечениях изучаемых модулей. Верхние концы пьезометров соединены общей трубкой 7, а нижние концы соединены
штуцерами на внешней панели;
– три ротаметра для измерения расхода жидкости, протекающей
через модули 8;
– кран для регулирования расхода жидкости, протекающей через
модуль 9;
– напорный трубопровод с диафрагмой для измерения больших
расходов. Перепад давления на диафрагме измеряется с помощью
двух пьезометров, установленных на вертикальной панели;
- планшеты для размещения в них справочных материалов.
Гидравлическая схема стенда представлена на рис. 2 . Вода из бака питания 1 с помощью насоса 2 закачивается в напорный бак 3 через
параллельно соединенные ротаметр 4 и напорную магистраль 5.
3
4
Рис. 2.
5
Исследуемые модули 7 устанавливаются и закрепляются на двух
кронштейнах в нижней секции. С одной стороны модуль соединяется
с напорным баком, а с другой стороны соединяется с краном 8, с помощью которого изменяется режим течения, кран 9 служит для слива
и наполнения воды в бак-питателя. Кран 10 служит для выпуска воздуха из напорного бака.
Основные характеристики
Максимальный объемный расход жидкости,
подаваемой на модули, м/ч ………………………………………....5±0,5
Питание электронасоса от сети переменного тока
напряжение, В …………………………………………….…..380±38
частотой, Гц ………………………………………………........50±0,4
Потребляемая мощность электронасоса, ВА, не более ……..……..1500
Длина модулей, мм, не более ………………………………..………1100
Вместимость питающего бака, л, не менее ……………………..……..80
Время подготовки стенда к работе, мин. ……..…………………….20±5
Габаритные размеры стенда, мм, не более ……….….1900 х 920 х 1900
Масса стенда , кг, не более ……………………………………..…......500
6
РАБОТА № 1
РЕЖИМЫ ТЕЧЕНИЯ
Цель работы:
1. Убедиться на опыте в наличии в природе двух режимов движения жидкости.
2. Ознакомиться с общим характером движения жидкости при
ламинарном и турбулентном режимах, установить численное значение
числа Рейнольдса для каждого режима.
1. Основное содержание работы
Работа имеет целью экспериментальную иллюстрацию существования двух режимов течения жидкости: ламинарного и турбулентного.
Переход от первого ко второму, как известно, происходит при
значениях числа Рейнольдса больших, чем критическое: Rе . кр . Следует подчеркнуть некоторую неопределенность этого понятия. Действительно, критическое число Рейнольдса (иногда его называют «нижним
критическим») определяет границу устойчивого ламинарного течения,
т. е. при Rе  Rе .кр для данных условий гарантировано устанавливается
устойчивый ламинарный режим. При Rе  Rе .кр ламинарное течение
может существовать при отсутствии внешних возмущений, но является неустойчивым, т. е. спонтанно переходит в турбулентный режим
даже при малых внешних возмущениях. Кроме того, существует переходный диапазон чисел Рейнольдса, больших критического, но близких к нему, в пределах которого течение является нестационарным,
возникает перемежаемость, т. е. самопроизвольный переход от ламинарного режима к турбулентному и наоборот.
Основное содержание работы состоит в установлении ламинарных и турбулентных режимов в трубе, визуальном наблюдении структуры течения, что оказывается возможным благодаря подкрашиванию
струек, и в определении числа Рейнольдса для каждого режима.
2. Порядок измерений
Модуль № 1 представляет собой прозрачную цилиндрическую
трубу диаметром d = 20 мм, расход воды в которой регулируется вентилем 8 (см. рис. 2).
7
Через тонкую трубку, вводимую в боковую поверхность трубы, в
поток может подаваться струйка краски, расход которой регулируется
игольчатым вентилем 8 (рис. 2). Расход воды в трубе измеряется ротаметром.
Рекомендуемый порядок эксперимента следующий. Установив по
возможности малый расход в трубе и выдержав время достаточное для
достижения установившегося режима, медленным открытием игольчатого вентиля начинают подачу краски, наблюдая за подкрашенной
струйкой. Наилучший результат достигается, если скорость выхода
краски примерно равна скорости потока в трубе. Меняя открытия
игольчатого вентиля, нетрудно добиться наличия в трубе устойчивой
окрашенной струйки, которая не смешивается с основным потоком.
Затем измеряется расход, который увеличивается путем дополнительного открытия вентиля; и после достижения установившегося режима
опыт повторяется. Таких опытов производится несколько (5–6)
вплоть до достижения устойчивого турбулентного режима, при котором подаваемая струйка краски равномерно размывается по толще
потока и становится невидимой.
Схема установки к работе № 1
Модуль №1:
1 – напорный бак; 2 – тонкая трубка для подкрашенной жидкости;
3 – ёмкость с подкрашенной жидкостью; 4 – ротаметр (расходомер);
5 – регулировочный вентиль; 6 – термометр; 7 – экспериментальная
стеклянная трубка.
8
По результатам наблюдений следует определить критические
значения чисел Рейнольдса.
Результаты измерений и наблюдений можно свести в таблицу
примерно следующей формы.
№
режима
Расход
Q
1
2
Средняя
скорость

Число Рейнальдса
Q
S
Rе 
3
d

4
Визуальная
структура
потока
5
Контрольные вопросы
1. Какие режимы движения Вы знаете, и от чего они зависят?
2. Как определяется визуально режим движения жидкости?
3. Для чего нужно знать режимы движения жидкости?
4. В каких случаях наблюдается ламинарный режим движения
жидкости?
5. Для чего нужно знать температуру жидкости при определении
режима движения?
6. Что такое турбулентный режим и в каких областях техники он
применяется?
7. Что характеризует критерий Рейнольдса?
9
РАБОТА № 2
ПОТЕРИ НАПОРА ПО ДЛИНЕ В КРУГЛОЙ ТРУБЕ
Цель работы: экспериментальная проверка расчетных зависимостей для определения потери напора по длине. В соответствие с этим
при выполнении работы ставятся задачи:
1. Определить расчетным путем величину потери напора и коэффициента гидравлического трения для нескольких значений расхода.
2. Определить опытным путем величину потери напора и коэффициента гидравлического трения для тех же значений расхода.
3. Сопоставить расчетные и опытные данные с целью проверки
достоверности расчетных формул.
1. Основное содержание работы
Задачей работы является экспериментальная иллюстрация формулы, определяющей связь потерь механической энергии потока жидкости по длине трубы с параметрами трубы и течения:
hg  
2
L 

d 2g
(1 )
где hg – потери напора (полной механической энергии);
L и d – соответственно длина опытного участка трубы и ее диаметр;
v – средняя скорость потока;
λ – гидравлический коэффициент трения.
Конечной целью работы является определение коэффициента λ,
который, как известно из теории, зависит от числа Рейнольдса
Re = d  ,
где  – кинематический коэффициент вязкости и относительной ше
роховатости,    d , где  – средняя высота выступа шероховатости
10
стенки трубы. По результатам измерений и их обработки должен быть
построен участок графика зависимости

  (Re, )
в возможно более широком диапазоне изменения чисел Re. Желательно полученный участок кривой наложить на известный график Никурадзе (или Мурина), имеющийся в учебной литературе. В отчете о
данной работе следует отметить к какой зоне гидравлических сопротивлений относятся проведенные на данном стенде опыты, а также
определить значение относительной эквивалентной шероховатости.
2. Порядок выполнения измерений
Перепад напоров на исследуемом участке трубы L определяется
путем измерений пьезометрических напоров в двух сечениях. Для этого служат пьезометры, размещенные на приборной панели и соединенные гибкими трубками со штуцерами отверстий в стенке трубы в
двух сечениях. Разность показаний пьезометров h1 и h2 представляет
собой потерю напора по длине
hg  h1  h2
Средняя скорость течения v определяется по объемному расходу
d 2
Q : v = Q / S, где S =
– площадь поперечного сечения трубы
4
(внутренний диаметр модуля – 20 мм). Расход измеряется с помощью
ротаметров (см. рис.1), каждый из которых предназначен на определенный диапазон расходов, указанный на приборах.
Для выполнения работы следует освободить зажим на воздуховыпускной трубке 10 (рис. 2) и, пустив насос включателем , выжидать
несколько минут пока наполнится напорный бачок 3 (рис. 2), о чем
будет свидетельствовать появление потока воды из воздуховыпускной
трубки. Тогда следует зажать эту трубку зажимом и открыть вентиль 8
(рис. 2) , регулирующий подачу воды в рабочий модуль. Наблюдая за
столбиками воды в двух пьезометрах, убедиться, что достигнут установившийся режим течения и произвести измерения:
11
– расхода воды по ротаметрам (следует учесть, что при некоторых
расходах включаются одновременно два ротаметра, и тогда расход
определяется, как сумма расходов через каждый из них);
– показаний двух пьезометров.
Кинематический коэффициент вязкости  определятся соответственно температуре по справочной литературе.
После выполнения всех измерений и занесения их в таблицу следует с помощью вентиля 8 (рис. 2) изменить расход и после достижения установившегося режима повторить измерения. Для получения
убедительного участка графика  = (Re) следует выполнить не менее
8–10 опытов. Желательно чтобы они охватывали весь возможный (для
данного стенда) диапазон расходов от Qmax до Qmin, при котором величина hg может быть еще достаточно точно измерена.
Схема установки работы № 2
Модуль № 2:
1– напорный бак; 2 – экспериментальная трубка (модуль); 3 – пьезометры;
4 – ротаметр (расходомер); 5 – регулировочный вентиль; 6 – термометр.
3. Обработка опытных данных
По результатам измерений определяются следующие величины:
– потери напора по длине hg = h1 – h2 ;
12
– средняя скорость потока в трубе v = 4 Q /  d2;
– гидравлический коэффициент трения из формулы:
 = 2ghgd / L v2;
– число Рейнольдса Re = vd /  .
Результаты измерений и вычислений можно свести в единую таблицу, примерная форма которой может быть следующей.
№ режима
Показания пьеПотери
зометра
Расход
напора
h1,
h 2,
hg, мм
мм
мм
Гидравлический коэф- Число
Q
фициент
тре- Re
,
м/с
v
S

ния
Скорость
1
2
Построенный участок кривой  =  (Re) следует наложить на известные из литературы графики Никурадзе или Мурина и сделать заключения
– о зоне сопротивления, которой соответствуют проведенные
опыты;
– о величине относительной эквивалентной шероховатости испытанной трубы.
Контрольные вопросы
1. Как определяются потери по длине?
2. От чего зависит коэффициент гидравлического трения для
каждой зоны сопротивлений?
3. Влияет ли температура воды на потери напора по длине?
4. Как определяется коэффициент трения по опытным данным и
аналитически?
5. Поясните график для определения коэффициента трения.
13
РАБОТА № 3
ПОТЕРИ НАПОРА ПРИ ВНЕЗАПНОМ СУЖЕНИИ
Цель работы:
1. Экспериментальное изучение закономерностей местных потерь напора и распределения давления местных сопротивлений при
сужении потока.
2. По расчетным формулам и таблицам определить коэффициенты местных сопротивлений и сравнить с результатами экспериментов.
3. По результатам лабораторных измерений построить график
зависимости коэффициента местного сопротивления от числа Рейнольдса.
1. Основное содержание работы
Внезапное сужение трубы (рис. 3) является частным видом местного сопротивления и основной задачей данной лабораторной работы
является экспериментальное определение его коэффициента из формулы
2
hвн .с   с 2 ,
2g
где с – коэффициент сопротивления отнесен к сечению S2 узкой части трубы.
Рис. 3.
В качестве сечений определяющих область влияния местного сопротивления, выбираются сечения 1 и 2 (см. рис. 5).
Тогда из уравнения Бернулли следует, что
2 ghвн .с
h12 2 g  S 22 



 1  2  .
(3)
вн . с
 22
 22
 S1 
14
Перепад пьезометрических напоров h12 определяется по показаниям пьезометров 1 и 2, а скорость v2 – по расходу, измеренному ротаметром.
2. Порядок измерений
Работа выполняется на модуле № 3, принципиальная схема которого изображена на рис. 3 . Порядок операций и измерений – тот же,
что и в работе № 2. Следует сделать не менее 3-х опытов при разных
расходах, для каждого из которых построить пьезометрическую линию. Но для обнаружения зависимости коэффициента  вн . с от числа
Рейнольдса таких опытов должно быть сделано значительно больше.
Схема установки для работы № 3
Модуль № 3
1 – напорный бак; 2 – экспериментальная трубка (модуль); 3 – пьезометры;
4 – ротаметр (расходомер); 5 – регулировочный вентиль; 6 – термометр.
3. Обработка опытных данных
Вычисление коэффициента сопротивления производится по формуле (2). В отчете по работе студентам рекомендуется объяснить физическую сущность конфигурации энергетических линий (пьезомет15
рической и линии энергии) и на графиках обозначить величину потерь
напора.
Контрольные вопросы
1. Какова формула для определения местных потерь напора?
2. Приведите примеры местных гидравлических сопротивлений
3. От каких характеристик зависит коэффициент сопротивления
при внезапном сужении трубы?
4. Как влияет режим движения жидкости на величину местных
потерь?
16
РАБОТА № 4
ПОТЕРИ НАПОРА ПРИ ВНЕЗАПНОМ
РАСШИРЕНИИ ТРУБЫ
Цель работы:
1. Экспериментальное изучение закономерностей местных потерь при внезапном расширении потока и распределение давления
местных сопротивлений на поперечном виде.
2. Определение коэффициента местного сопротивления.
3. Сравнение полученных значений коэффициентов со справочными.
4. Для случая внезапного расширения трубопровода проверить
потери напора по формуле Борда.
1. Основное содержание работы
Задачей работы является экспериментальное изучение закономерностей потерь напора и распределения давлений в местных сопротивлениях, конкретным видом которых является внезапное расширение трубы. По результатам измерения строятся графики распределения давлений по длине трубы, определяется коэффициент местного
сопротивления и строится участок графика его зависимости от числа
Рейнольдса. Основной формулой, связывающей величину потерь
напора с параметрами потока и характерными размерами трубы является формула
v  v 2
(3 )
hвн . р  1 2 ,
2g
где v1 и v2 – средние скорости в сечениях 1–1 и 2–2 (см. схему). Используя уравнения неразрывности, эту формулу можно представить в
виде
2
hвн . р
 S  v2
v2
 1  1  1  вн . р 1 ,
2g
 S2  2 g
где S1 и S2 – площади нормальных сечений; вн . р – коэффициент потерь на внезапном расширении.
17
Следует подчеркнуть, что формула (3) получена из теоретической
схемы, в которой игнорируются потери трения, а также предполагается равномерное распределение скоростей в сечениях труб. Поэтому
коэффициент  н . р оказывается независимым от числа Рейнольдса, а
сама формула отражает лишь так называемый квадратичный участок
кривой, где в реальных условиях влияние числа Рейнольдса отсутствует.
Существует по крайней мере два подхода к экспериментальному
определению коэффициента потерь при внезапном расширении. Первый, принятый в [2], состоит в его определении по измерениям давлений и скоростей в двух контрольных сечениях. При таком способе
учитывают не только потери на внезапное расширение, но и потери
трения на контрольном участке. Согласно другого подхода [3, 4], из
полного коэффициента исключаются потери на трение, что можно
сделать с помощью построения линии энергии по длине участка расширения путем вычисления потерь на трение по формуле равномерного движения [3] или по данным опытов на специально оборудованной
установке [4].
Модуль стенда ТМЖ-2 позволяет использовать оба подхода, исключая, однако, способ рекомендованный в [4].
2. Порядок измерений
Работа выполняется на модуле № 2, принципиальная схема которого показана на (рис. 4). Включив насос стенда, дождавшись освобождения напорного бачка от воздуха (см. раб. № 1), следует установить фиксированный расход воды и произвести измерения давлений
по пьезометрам, присоединенным к штуцерам, расположенным в разных сечениях по длине трубы. Измерить расход с помощью ротаметра.
18
Рис. 4.
После занесения данных измерений в протокол опыта (в таблицу)
изменить расход с помощью вентиля 8 (рис. 2), а после достижения
установившегося режима повторить все измерения. Для надежной серии опытов рекомендуется произвести их не менее чем для трех расходов.
Схема установки для работы № 4
Модуль № 2:
1 – напорный бак; 2 – экспериментальная трубка (модуль); 3 – пьезометры;
4 – ротаметр (расходомер); 5 – регулировочный вентиль; 6 – термометр.
3. Обработка опытных данных
При определении коэффициента местного сопротивления ( в данном случае внезапного расширения ) необходимо иметь в виду, что за
местным сопротивлением, где поток претерпевает значительную деформацию, лежит достаточно протяженный «участок стабилизации»,
на котором существуют крупные вихри с возвратными течениями.
Поэтому экспериментальный коэффициент местного сопротивления
должен учитывать полные потери на участке стабилизации, а, значит,
должен явно зависеть от числа Рейнольдса.. Совпадение с теоретиче19
ской формулой Борда можно ожидать только при весьма больших
числах Рейнольдса.
Расчетными соотношениями для определения коэффициента
местного сопротивления по экспериментальным данным являются
следующие:
– Применительно к рис. 2, из уравнения Бернулли для сечения 1 и
2 следует
 p
v2   p
v2 
 
 ,
hвн . р  


 

 g 2 g 1  g 2 g  2
где hвн.р – искомые потери на внезапном расширении.
Здесь сечение 2 выбирается на расстоянии, достаточном для расширения потока, на все сечение S2. Отнеся потери к скоростному
v2
напору 1 , получим
2g
2 ghв н.р
S12 p2  p1 2 g



1


,
вн . р
g v12
v12
S 22
– Разность пьезометрических напоров
p 2  p1
определяется по
g
пьезометрам 1 и 2, а скорость v1 по расходу, измеренному ротаметром. Тогда последняя формула позволяет вычислить экспериментальное значение вн . р .
Измерив пьезометрами давления во всех точках их подключения, можно построить пьезометрическую линию вдоль трубы, а также
линию энергии. Студентам рекомендуется объяснить физическую
сущность этих графиков, а также обозначить на них потери напора в
местном сопротивлении.
Контрольные вопросы
1. Как определяются потери напора при внезапном расширении?
2. Чем вызываются местные потери напора?
3. Как определяются потери напора расчетным путем?
4. Построить пьезометрическую линию и линию суммарного
гидродинамического напора для внезапного расширения.
20
21
РАБОТА 5
ДИАГРАММА УРАВНЕНИЯ БЕРНУЛЛИ
Цель работы:
1. Экспериментальная проверка уравнения Бернулли.
2. Построить линию гидродинамического напора и пьезометрическую линию для двух значений расхода Q1, Q2.
3. Произвести оценку результатов опыта.
1. Основное содержание
Работа заключается в экспериментальном построении энергетических графиков (пьезометрической и энергетической линий) одномерного потока жидкости. Такие графики, построенные по экспериментальным данным, полученным на трубе типа Вентури (сужение – расширение), наглядно иллюстрируют перераспределение в потоке потенциальной или кинетической энергий, а также потери напора (полной удельной энергии).
2. Порядок выполнения измерений
Модуль № 5 представляет собой круглую трубу 1, в центральной
части которой вмонтирована труба Вентури 2 (рис. 5). Необходимые
размеры характерных частей модуля показаны на рисунке. Последовательность операций при проведении эксперимента может быть следующей.
Включив насос стенда в работу, следует освободить напорный
бак от воздуха (см. раб. № 1). Регулируя вентилем 8 (рис. 2), установить фиксированный расход, но после достижения установившегося
режима, измерить его с помощью ротаметра.
Зафиксировать показания пьезометров, присоединенных к разным
сечениям модуля через штуцеры (Ш1, Ш2...), и занести их значения в
протокол.
Изменить с помощью вентиля величину расхода и после достижения установившегося режима повторить измерения. Всего желательно опыты провести для 3-х – 4-х расходов.
22
23
3. Обработка опытных данных
По результатам измерений следует вычислить скорость в каждом
i-м сечении трубы Вентури
Q
i  ,
Si
а затем скоростной напор
i2
.
2g
На чертеж нанести:
– профиль трубы Вентури в масштабе;
– пьезометрические напоры для каждого i-го сечения: hпi 
pi
,
g
откладывая их от оси трубы; вычертить пьезометрическую линию;
– скоростные напоры, суммируя их с ординатами пьезометрической линии в соответствующих сечениях; провести линию энергии;
– провести напорную плоскость (горизонтальную прямую) на
уровне ординаты линии энергии первого пьезометра и обозначить потери напора (энергии) между этим сечением и любым, расположенным ниже по течению.
В заключение отчета о работе студента рекомендуется дать объяснения получившейся конфигурации энергетических графиков.
Контрольные вопросы
1. Какому закону соответствует уравнение Бернулли?
2. Где применяется на практике уравнение Бернулли?
3. Почему уравнение Бернулли можно изобразить графически?
4. Как определяются скорости движения в соответствующих сечениях?
5. Каким слагаемым уравнениям Бернулли соответствуют показания пьезометров и динамических трубок?
6. Как строится пьезометрическая линия и линия удельной энергии потоков?
24
РАБОТА № 6
ИСПЫТАНИЯ МЕРНОЙ ДИАФРАГМЫ
Цель работы: ознакомить студентов с постановкой лабораторного эксперимента по отысканию величины коэффициента расхода конкретной нестандартной диафрагмы и его зависимости от числа Рейнольдса.
1. Основное содержание работы
Диафрагма, как известно, является частным типом сужающих
устройств, применяемых для измерения расхода. Основным параметром, характеризующим диафрагму как расходомер, является ее коэффициент расхода  , входящий в основную расчетную формулу
Q = S 0 2
p1  p2
,

где S0 – площадь отверстия диафрагмы,
p1 и p2 – давление в сечениях, расположенных непосредственно
перед диафрагмой и за ней (см.рис. 6).
Модуль № 6.
Рис. 6.
Коэффициент расхода  зависит от ряда геометрических параметров (например, от степени сжатия потока диафрагмой, от формы
25
кромки ее отверстия, от расположения точек отбора давлений и др.), а
также от числа Рейнольдса. Диафрагмы являются широко применяемыми в технике расходомерами и потому многократно испытаны, их
параметры и конструкции стандартизованы и занесены в ГОСТы.
Настоящая работа не имеет целью знакомить студентов с этой областью измерительной техники. Здесь ставится задача познакомить студентов с постановкой лабораторного эксперимента по отысканию величины коэффициента расхода конкретной нестандартной диафрагмы и его зависимости от числа Рейнольдса. Наряду с этим в опытах
получаются данные для построения энергетических графиков (как в работе № 5).
2. Порядок измерения
Работа выполняется на модуле № 6, который представляет собой
круглую трубу, в которой специальными фланцами зажата диафрагма
(рис. 6). По длине трубы расположен ряд отверстий, снабженных
штуцерами для отбора давлений в разных сечениях.
Порядок операций при проведении опытов может быть следующим.
Пустив насос стенда, отрегулировав вентилем 8 (рис. 2) расход и
убедившись в стационарности течения, снимают показания пьезометров, соединенных со штуцерами, расположенными по длине трубы.
Расход измеряют по показаниям ротаметра. После занесения данных в
протокол устанавливают другой расход и после достижения установившегося режима повторяют измерения. Для построения энергетических графиков достаточно 3-х расходов, но для выявления зависимости коэффициента расхода от числа Рейнольдса необходимо большее
число режимов (10–12).
2. Обработка результатов измерений
Обозначив через h разность давлений в сечениях А и Б, выраженную в линейных единицах водяного столба, основную формулу
расхода через диафрагму можно переписать в виде
Q = S 0 2 gh .
26
Коэффициент расхода  определиться по измеренным Q и h:
Q

.
S0 2 gh
Вычислив для каждого режима число Re = v
ные для построения участка кривой  = (Re).
d
, получим дан
Контрольные вопросы
1. Какие приборы для измерения расхода вы знаете?
2. На чем основывается принцип измерения диафрагмы?
3. Какими приборами определяются потери энергии диафрагмы?
4. Является ли диафрагма одним из видов местного сопротивления?
27
РАБОТА №7
ИСПЫТАНИЯ ДРОССЕЛЬНОГО РЕГУЛЯТОРА РАСХОДА
Цель работы: постановка лабораторного эксперимента по отысканию для дроссельного затвора зависимости условного коэффициента расхода от угла поворота затвора. Выявить зависимость условного
коэффициента расхода от числа Рейнольдса.
1. Основное содержание работы
Дроссельный регулятор расхода (затвор) представляет собой
круглый диск диаметром равным диаметру трубы насаженный на ось,
ориентированную вдоль диаметра диска и закрепленную в стенках
трубы. Максимальное открытие затвора соответствует положению
плоскости диска, совпадающей с плоскостью осевого сечения трубы, а
полное закрытие – положению плоскости диска нормальной к оси
трубы. Поворот диска 1 на своей оси осуществляется вращением
вручную дисковой рукоятки 2, посаженной на ось затвора (см. рис. 7).
Рис. 7.
Диск затвора внутри трубы представляет собой местное сопротивление, в котором потери напора зависят от угла поворота диска по
отношению к осевой плоскости трубы.
Для практического использования дроссельного затвора необходимо знать коэффициент расхода для каждого положения диска и величину перепада давлений на них. Тогда для определения расхода
может быть использована общая для сужающих устройств формула
28
Q  S0` 2 gh ,
где  – угол поворота диска затвора;
S0() – площадь проходного отверстия между диском и поверхностью трубы;
 – коэффициент расхода;
h = (p1 – p2)/g – перепад напоров на затворе.
Поскольку  и S0 – являются функциями одного параметра, то
уместно ввести обозначения K = S0 и определять в опытах эту величину для фиксированных значений  из зависимости
Q
.
2 gh
Но так как коэффициент расхода может зависеть еще и от числа
Рейнольдса, то для каждого значения  следует выявить зависимость
величины К от этого числа.
k
2. Порядок измерений
Вентиль стенда 8 (рис. 2) устанавливается на полное открытие, а
дисковая рукоятка затвора на риску «0», соответствующую его максимальному открытию. Измеряются расход – ротаметром и перепад
давлений на двух парах пьезометров, соединенных с приемными отверстиями в створе оси диска затвора. Эти пьезометры могут быть попарно объединены для некоторого осреднения измеряемых давлений.
При раздельном измерений показаний этих пьезометров величину h
можно определять из соотношения
h 


1  p1'  p2" p2'  p2"  1 '
"
'
"


  h1  h1  h2  h2 ,
g  2
2  2
 
где p1' и p1" – давления на приемных отверстиях, расположенных выше
затвора, а p2' и p2" – давления на отверстиях ниже его.
После определения величины h по приведенной выше формуле
определяется параметр К.
Для выявления зависимости К от числа Рейнольдса при одном и
том же значении угла установки следует произвести несколько (до 10)
29
опытов, изменяя расход с помощью вентиля 8 (рис. 2). Затем, снова
установив его на полное открытие, изменить угол установки диска
дросселя  и повторить эксперимент.
3. Обработка результатов эксперимента
Конечным результатом эксперимента является семейство кривых
К = К(, Re). Их целесообразно строить в осях координат К – Re при
диаметре  = const Если выявляется область, где К от числа Re не зависит, то для нее можно построить кривую К().
Контрольные вопросы
1. Каково влияние угла поворота дросселя на подаваемый расход?
2. Чем вызваны потери энергии в дроссельном затворе?
3. Является ли дроссельная затворка одним из видов местного сопротивления?
4. Какие приборы для измерения расхода Вы знаете?
30
ЛИТЕРАТУРА
1. Альтшуль А. Д. Гидравлические сопротивления. М., Недра.
1982.
2. Киселёв П. Г. Гидравлика. М., Энергия, 1980.
3. Справочник по гидравлическим расчётам / Под ред. П. Г. Киселёва. М., 1972.
4. Идельчик И. Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М.: Машиностроение. 1975.
5. Швыдкой В. С. Механика жидкости (Гидравлика). М., 2003.
6. Прозоров И. В., Николадзе Г. И. Гидравлика, водоснабжение и
канализация городов. М., 2005.
7. Справочник по гидравлическим расчетам / Под ред. П. Г. Киселева). М., 2002.
31
Содержание
Теоретические положения .................................................................
Работа № 1. Режимы течения...........................................................
Работа № 2. Потери напора по длине в круглой трубе .................
Работа № 3. Потери напора при внезапном сужении трубы ........
Работа № 4. Потери напора при внезапном расширении трубы ..
Работа № 5. Диаграмма уравнения Бернулли ................................
Работа № 6. Испытания мерной диафрагмы ..................................
Работа № 7. Испытания дроссельного регулятора расхода ..........
Литература ..........................................................................................
32
3
7
10
14
17
21
24
27
30