10 Определение коэффициентов местных сопротивлений при

ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Цель работы – определение опытным путем коэффициентов местного
сопротивления (внезапного расширения, внезапного сужения, поворота потока) и сравнение его значения со справочными и расчетными данными.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
К местным сопротивлениям в трубопроводах относятся различного рода
фасонные части и арматура (сужения, расширения, повороты, краны, вентили, тройники и т.д.), необходимость установки которых вызывается условиями сооружения и эксплуатации трубопровода.
Местные сопротивления вызывают изменение скорости движения жидкости либо по величине (сужения и расширения, рис.1), либо по направлению
(колена, рис.2), либо то и другое одновременно (тройники).
Р и с. 1
В зависимости от факторов, вызывающих потери напора, в местных сопротивлениях различают потери трения и потери в водоворотных областях
(областях циркуляционного течения).
Потери на трение вызываются торможением потока стенками, которое
приводит к неравномерному распределению скоростей по сечениям потока и
к появлению напряжений трения между смещающимися струйками жидкости.
Местные деформации потока сопровождаются увеличением неравномерности распределения скоростей в его сечениях, вызывающих возрастание
местных потерь трения.
Потери в областях циркуляционного трения связаны с отрывами потока
от стенок, происходящими при резких изменениях конфигурации каналов.
Возникающее в этих местах интенсивное циркуляционное движение приводит к сильному возрастанию местной потери напора.
В таких сопротивлениях, как внезапное расширение, колено, диафрагма,
задвижка и др. основными являются потери в водоворотных областях, а тормозящее действие стенок на поток играет второстепенную роль.
При движении жидкости в изогнутых каналах (см.рис.2) возникает неравномерность скоростей в сечениях потока, которая увеличивает потери
трения и может приводить к отрывам потока от стенки. При этом основным
источником значительных потерь в этих отводах является водоворотная область у внутренней стенки.
Р и с. 2
На преодоление местных сопротивлений тратится некоторая часть энергии (напора) потока, которая является местной потерей энергии (напора). При
практических расчетах ее принято определять в долях удельной кинетической
энергии (скоростного напора) по формуле Вейсбаха
2
(1)
hì  
,
2g
где  – коэффициент местного сопротивления (безразмерный), величина которого в основном зависит от вида местного сопротивления;
2
 кинетическая энергия (скоростной напор).
2g
В тех случаях, когда скорость потока перед местным сопротивлением и
после него будет различна (например внезапное сужение или расширение),
2
потеря напора может выражаться через скоростной напор
или перед
2g
местным сопротивлением, или после него. В связи с этим общий вид формулы (1) для подсчета местных потерь напора
12
2
 2 .
2g
2g
Здесь 1 – средняя скорость движения жидкости в сечении потока перед
местным сопротивлением; 2 – то же, за местным сопротивлением.
На практике для расчетов обычно принимают скорость потока за местными сопротивлениями.
Для случая внезапного расширения русла коэффициент сопротивления
можно рассчитать по формуле, полученной на основе теоремы об изменении
количества движения
2
s 

(2)
 â.ð  1  1  ,
 s2 
где s1 – площадь поперечного сечения потока до расширения;
s2 – то же, после расширения.
Для внезапного сужения русла коэффициент сопротивления можно рассчитать по полуэмпирической формуле
1 s  1 1
(3)
 â.ñ  1  2   1  ,
2  s1  2  n 
где s1 – площадь поперечного сечения потока до сужения;
s2 – то же, после сужения;
s
n  1 – степень сужения.
s2
Коэффициент местного сопротивления запорных устройств в основном
зависит от формы и степени их открытия.
hì  
ОПИСАНИЕ ОПЫТОЙ УСТАНОВКИ
Выполнение всего цикла лабораторных работ по гидромеханике жидкостей выполняется на универсальном гидростенде ТМЖ-2, предназначенном
для исследования гидродинамических явлений при течении жидкости в каналах с различной пограничной геометрией.
Стенд ТМЖ-2 содержит системы подачи воды с напорным и питательным баками и насосом, систему измерения расхода жидкости с ротаметрами и
мерной диафрагмой, блок водяных пьезометров для измерения давлений,
органы управления электрической частью стенда, трубопроводы и запорную
арматуру. Исследуемыми объектами являются различные участки трубопроводов, сопла, насадки и др. Так как стенд ТМЖ-2 обеспечивает выполнение
нескольких лабораторных работ (в этом смысле он является универсальным),
то принципиальная схема стенда остается неизменной, а схема применительно к конкретно выполняемой лабораторной работе отличается только исследуемым объектом (модулем).
Схема опытной установки представлена на рис. 3. Установка состоит из
бака питания 1, из которого с помощью насоса 2 вода закачивается в напорный бак 3, при этом вода проходит через ротаметры 4.
Исследуемый модуль 7 устанавливается на кронштейнах, причем с одной
стороны модуль соединяется с напорным баком 3 , а с другой стороны он соединяется с краном 8, с помощью которого изменяется расход воды . Кран 9
служит для слива и наполнения в оды в бак питателя, а кран 10 для выпуска
воздуха из напорного бака, что обеспечивает его гарантированное заполнение.
Рис. 3
Работа по определению коэффициентов местных сопротивлений  проводится на трубопроводе переменного сечения (рис. 4, 5).
Рис. 4
Рис. 5
В данной лабораторной работе исследуются два модуля (рис. 4, 5), «внезапное расширение» и « внезапное сжатие» сечения трубы (потока).
Непосредственно перед каждым исследуемым местным сопротивлением
и за ним установлены пьезометры, выведенные на щит.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1. Освободить зажим на воздуховыпускной трубке 10 и пустить насос
включателем. Выждать несколько минут пока наполнится напорный бачок 3,
о чем будет свидетельствовать появление воды из воздуховыпускной трубки.
2. Проверяется отсутствие воздуха в пьезометрах, для чего необходимо
сравнить между собой показания всех пьезометров. Если в них нет воздуха и
вода в трубопроводе не движется, то уровни в пьезометрах должны быть на
одной высоте (по закону сообщающихся сосудов). В противном случае уровни воды в пьезометрах будут различны, и из жидкостных столбов необходимо
удалить воздух.
3. Зажать трубку зажимом и открыть вентиль 8, регулирующий подачу
воды в рабочий модуль.
4. Открывается вентиль 2 водонапорного трубопровода, подающего воду
в напорный бак.
5. Устанавливается фиксированный расход воды и производится измерение давлений по пьезометрам, присоединенным к штуцерам, расположенных
в разных сечениях по длине трубы.
6. По ротаметру определяется расход воды в трубе.
7. В каждом сечении, где установлены пьезометры, измеряются пьезоp
метрические высоты h = .

8. После занесения данных измерений в протокол опыта (в таблицу)
необходимо изменить расход с помощью вентиля 8 и после достижения установившегося режима повторить измерения.
Для надежной серии опытов рекомендуется произвести их не менее чем
для трех расходов.
Протокол измерений
Внезапное
расширение
d1=10
d2=20
Внезапное
сужение
d1=15
d2=10
Площадь поперечного
сечения участка s, м2
Объемный расход жидкости Q м3/с
Пьезометрический напор
h = p/ , м
Средняя скорость , м/с
Скоростной напор 2/2g, м
Полная удельная энергия
E=p/ +2/2g, м
Коэффициент
опытный
сопротиврасч. или
ления 
из справ.
ОБРАБОТКА ОПЫТНЫХ ДАННЫХ
1. По полученному расходу воды Q и площади сечения трубы s подсчиQ
2
тывается средняя скорость   , затем и скоростной напор
(удельная
s
2g
кинетическая энергия в каждом сечении).
2. По измеренным значениям удельной потенциальной энергии давления
2
p
(отсчеты по пьезометрам
) и удельной кинетической энергии
опреде
2g
ляется величина полной удельной энергии Е в сечениях перед местными сопротивлениями и после них (плоскость отсчета примем совпадающей с осью
трубы, т.е. z = 0):
p 2
(4)
E 
.
 2g
3. По разности значений полных удельных энергий находится величина
потерь напора в соответствующих местных сопротивлениях:
(5)
hì  En  En 1.
4. Пользуясь формулой (1), подсчитывают опытные значения коэффициентов местных сопротивлений:
h
  ì2 .
(6)

2g
5. Найденные опытные значения  сопоставляются со справочными данными и результатами расчетов по формулам (2)-(3) (см. приложение). Все
результаты вычислений заносятся в таблицу.
6. Вычерчивается схема установки и строится пьезометрическая линия.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Что такое местное сопротивление? Привести несколько примеров местных сопротивлений.
2. Каковы причины возникновения местных сопротивлений?
3. Как и для чего определяется средняя скорость движения воды перед и за местным сопротивлением?
4. От чего зависит коэффициент местного сопротивления?
5. Как определить опытным путем потери энергии в местных сопротивлениях?
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Повх И,Л, Техническая гидромеханика. Л.: Машиностроение, 1976. 502 с.
2. Альтшуль А.Д., Киселев П.Г. Гидравлика и аэродинамика. М.: Стройиздат,
1975. 327 с.
3. Чугаев Р.Р. Гидравлика. Л.: Энергия, 1975. 600 с.
4. Башта Т.М. и др. Гидравлика, гидравлические машины и гидравлические приводы. М.: Машиностроение, 1970. 504 с.
5. Френкель Н.З. Гидравлика. М.: Госэнергоиздат, 1956. 456 с.
6. Рабинович Е.З. Гидравлика. М.: Недра, 1980. 278 с.
ПРАВИЛА ОФОРМЛЕНИЯ ОТЧЕТА ПО ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ
1. Отчет оформляется на двойном тетрадном листе.
2. Первая страница отчета содержит титульный лист методического пособия с указанием фамилии студента, выполняющего работу и преподавателя,
принимающего работу.
3. Последующие страницы содержат:
- цель работы;
- основные теоретические сведения (кратко);
- схема лабораторной установки;
- основные формулы для расчета;
- итоговую таблицу с результатами опытов и вычислений;
- выводы по результатам работы.
Приложение 1
Значения коэффициента местного сопротивления
для внезапного сужения сечения трубы (рис. П.1)
s2/s1

0,01
0,5
0,1
0,45
0,2
0,4
0,4
0,3
0,6
0,2
0,8
0,1
Рис. П.1
Приложение 2
Значения коэффициента местного сопротивления
для крана, установленного в круглой трубе (рис. П.2)
,0

5
0,05
10
0,29
20
1,56
30
5,47
40
17,3
Рис. П.2
50
52,6
60
206
70
486
80
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
К а ф е д р а «Теоретические основы теплотехники и гидромеханика»
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТОВ
МЕСТНЫХ СОПРОТИВЛЕНИЙ
ПРИ ВНЕЗАПНОМ РАСШИРЕНИИ
И СУЖЕНИИ ПОТОКА
Методические указания
к лабораторной работе № 10
Самара
Самарский государственный технический университет
2008
Печатается по решению редакционно-издательского совета СамГТУ
УДК 532.5 (07).
Определение коэффициентов местных сопротивлений при движении жидкости по трубам: Метод. указ/ Сост. Л.И.Бабенкова, В.А.Кудинов, В.И. Кугай, Д.А.
Довгялло. Самара, Самар. гос. техн. ун-т; 2008. 8 с.
Методические указания предназначены для студентов II и III курсов, обучающихся по специальностям механического, нефтяного, теплоэнергетического, химикотехнологического и электромеханического факультетов при выполнении ими лабораторных работ по гидравлике.
Ил. 7. Табл. 3. Библ. 6 назв.
УДК 532.5 (07).
Составители: Л.И.БАБЕНКОВА, В.А.КУДИНОВ, В.И. КУГАЙ, Д.А. ДОВГЯЛЛО
Рецензент: д-т техн. наук, проф. А.И. Щелоков
© Л.И. Бабенкова, В.А. Кудинов,
В.И. Кугай, Д.А. Довгялло,
составление, 2008
© Самарский государственный
технический университет, 2008
Определение коэффициентов местных сопротивлений при движении
жидкости по трубам
Составители: БАБЕНКОВА Лидия Ивановна
КУДИНОВ Василий Александрович
КУГАЙ Валентин Иванович
ДОВГЯЛЛО Данила Александрович
Редактор В. Ф. Е л и с е е в а
Технический редактор Г. Н. Ш а н ь к о в а
Подп. в печать 07.06.08. Формат 60х84 1/16. Бум. офсетная. Печать офсетная.
Усл. п. л. 1. Уч-изд. л. 0,88. Тираж 50. Рег №200
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Самарский государственный технический университет»
443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244.
Главный корпус.
Отпечатано в типографии
Самарского государственного технического университета
443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244.
Корпус № 8.