ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Бийский технологический институт (филиал)
государственного образовательного учреждения
высшего профессионального образования
«Алтайский государственный технический университет
им. И.И. Ползунова»
А.И. Росляков, Л.В. Ломоносова
ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ
по гидравлике, гидромашинам и гидроприводам
Методические рекомендации к выполнению лабораторных работ
по курсам «Гидравлика», «Гидравлика и гидромашины»,
«Основы гидравлики и гидропривода» для студентов специальностей:
ТМ–151001, ВУАС – 170104, АТ – 190603, АПХП – 240706,
МАПП–260601, ТГВ – 270109
Издательство Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова
Рецензент: заведующий кафедрой МАХиПП БТИ АлтГТУ
Профессор Куничан В.А.
Работа подготовлена на кафедре «Теплогазоснабжение и вентиляция, процессы и аппараты химической технологии»
Росляков, А.И.
Лабораторный практикум по гидравлике, гидромашинам и гид-
роприводам: методические рекомендации к выполнению лабораторных работ по курсам «Гидравлика», «Гидравлика и гидромашины», «Основы гидравлики и гидропривода» для студентов специальностей: ТМ –151001, ВУАС – 170104, АТ – 190603, АПХП – 240706, МАПП –260601, ТГВ – 270109 / А.И. Росляков, Л.В. Ломоносова. – Алт. гос. техн. ун-т, БТИ. – Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2009. – 137 с.
Лабораторный практикум содержит описание правил, порядка и методики проведения лабораторных работ, иллюстрирующих основные закономерности покоя и движения жидкости, а также перечень вопросов, знание которых необходимо для усвоения разделов «Основы гидравлики и гидропривода», «Гидравлика», «Гидравлика и гидромашины» для студентов механических специальностей.
©А.И. Росляков, Л.В. Ломоносова, 2009
© БТИ АлтГТУ, 2009
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СИЛЫ ГИДРОСТАТИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ 6
1.1 Цель работы: 6
1.3 Теоретические сведения 6
1.5 Описание установки 9
1.7 Обработка опытных данных 12
1.8 Контрольные вопросы 12
2.1 Цель работы: 15
2.3 Теоретические сведения 15
2.3.1 Режимы движения реальной жидкости 15
2.7 Обработка опытных данных 21
6.2 Подготовка к лабораторной работе: 56
ВВЕДЕНИЕ
Для успешного изучения ряда профилирующих дисциплин студентам многих химических и механических специальностей необходимо знать основные законы покоя и движения жидкостей. В дальнейшем им достаточно часто приходится применять знания основ гидравлики для инженерного решения конкретных задач. Например, инженеры-механики на предприятиях химической и смежных с ней отраслей промышленности рассчитывают и конструируют всевозможные трубопроводы, резервуары и аппараты, необходимые для перемещения, хранения и переработки жидких и газообразных продуктов, рассчитывают и регулируют режим работы насосов; инженеры-машиностроители используют гидропривод для автоматизации и механизации операций по обработке деталей, резанием и давлением, сборке и упаковке изделий, расфасовке и дозировке сыпучих и жидких продуктов. Широко применяются гидравлические машины, гидро- и пневмоприводы и в других отраслях: в водоснабжении и мелиорации, металлургии и на транспорте, в строительстве и сельском хозяйстве. Поэтому в общеинженерной подготовке студентов большинства химических и механических специальностей курс гидравлики имеет весьма важное значение. Успешному его освоению в значительной мере способствует прохождение студентами лабораторного практикума.
Цель практикума – закрепление теоретического материала по курсу гидравлики, приобретение навыков работы с контрольно-измерительными приборами и другой исследовательской аппаратурой.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1.
– определить опытным путем силу гидростатического давления и ее центр давления;
– построить эпюру гидростатического давления.
1.2 Подготовка к лабораторной работе:
– изучить материал по теме данной работы в настоящем пособии;
– выучить определения основных понятий и терминов темы
Основные термины и понятия:
– абсолютный покой;
– вакуум;
– гидростатика;
– давление;
– идеальная жидкость;
– избыточное давление;
– массовые силы;
– плотность;
– поверхностные силы;
– поверхность уровня;
– равновесие;
– свободная поверхность;
– центр давления.
Все внешние и внутренние силы, воздействующие на жидкость, непрерывно распределены либо по ее объему (массовые силы ), либо по поверхности (поверхностные ). В результате действия внешних сил внутри покоящейся жидкости возникает нормальное напряжение, равное пределу, к которому стремится отношение силы к площадке (рисунок 1.1), на которую она действует, при стремлении величины площадки к нулю, т.е. при стягивании площадки в точку
Гидростатическим давлением называются нормальные напряжения, возникающие в жидкости под действием внешних сил.
Оно характеризуется двумя свойствами:
–
гидростатическое давление в точке действует по нормали к площадке действия и направлено внутрь рассматриваемого объема жидкости, то есть является сжимающим;
– величина давления в данной точке одинакова по всем направлениям, то есть не зависит от угла наклона площадки, на которую оно действует.
Величина гидростатического давления (см. рисунок 1.1) зависит от глубины погружения (h ) рассматриваемой точки в объем жидкости, удельного веса жидкости и величины давления в объеме над свободной поверхностью и подсчитывается по основному уравнению гидростатики:
, (1.1)
где – удельный вес жидкости, равный произведению плотности на ускорение свободного падения, Н/м 3 .
Г 
Рисунок 1.2 – Эпюра
гидростатического давления
рафическое изображение зависимости гидростатического давления от глубины погружения называется эпюрой давления
(рисунок 1.2).
Эпюра гидростатического давления, действующего на вертикальную плоскую стенку, находящуюся под напором жидкости, имеющей глубину h
, строится следующим образом. За начало координат принимается точка пересечения уровня поверхности жидкости со стенкой ОА. По горизонтальной оси, совпадающей с направлением гидростатического давления, откладываются в выбранном масштабе избыточные гидростатические давления, а по вертикальной оси – соответствующие глубины жидкости h
. Первую точку берут на поверхности жидкости, где h
=
0 и 
=
p
а
. Вторую точку – у дна, где давление
Полученные точки соединяют прямой линией. В результате получают эпюру избыточного гидростатического давления на плоскую вертикальную стенку в виде треугольника. Аналогично строится эпюра абсолютного давления. Однако на практике более важное значение имеют силы, возникающие от действия жидкости на различные стенки.
Например, сила гидростатического давления (F ) жидкости на плоскую стенку, погруженную в жидкость (см. рисунок 1.1), равна произведению площади поверхности S на величину гидростатического давления р с на глубине h c погружения центра тяжести рассматриваемой поверхности:
Таким образом, результирующая сила складывается из двух составляющих:
– силы 
давления в объеме над свободной поверхностью:
;
– силы F c весового давления на глубине погружения центра тяжести
.
Давление
р
0 , приложенное к свободной поверхности, передается всем точкам жидкости по всему объему во всех направлениях без изменения величины
(закон Паскаля), то есть одинаково в любой точке рассматриваемого объема жидкости. Поэтому составляющая 
приложена в центре тяжести (точка С
) рассматриваемой площадки. Напротив, весовое давление (см. формулу (1.1) и рисунок 1.1) прямо пропорционально глубине погружения. Поэтому точка приложения составляющей F
c
(точка D
) будет находиться в центре эпюры избыточного давления (треугольника), расположенном ниже центра тяжести площадки. Величина смещения точки D
относительно центра тяжести определяется по формуле
, (1.3)
где I с – момент инерции площадки S относительно оси, проходящей через ее центр тяжести, м 4 ;
h с – глубина погружения центра тяжести площадки, м;
S – площадь рассматриваемой площадки, м 2 .
Точка приложения результирующей силы F
гидростатического давления находится между точками D
и C
.
1.4 Оборудование, технические средства и инструменты
Для проведения лабораторной работы необходимы:
– установка для проведения опыта;
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Тольяттинский государственный университет
Инженерно-строительный институт Кафедра «Водоснабжение и водоотведение»
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
к лабораторным работам по дисциплине « ГИДРАВЛИКА»
для академического консультанта
Тольятти 2007
Указания к проведению лабораторных работ................................................................................. |
|
Описание универсального гидравлического стенда ГС - 3............................................................ |
|
Лабораторная работа №1 |
|
Определение величины коэффициента вязкости воды.................................................................. |
|
Лабораторная работа №2 |
|
Исследование законов движения жидкости.................................................................................... |
|
Лабораторная работа №3 |
|
Исследование режимов движения жидкости................................................................................. |
|
Лабораторная работа №4 |
|
Исследование на физической модели изменения давления в трубопроводе в случае утечки |
|
воды................................................................................................................................................... |
|
Лабораторная работа №5 |
|
Исследование параметров трубопровода на физической модели............................................... |
|
Лабораторная работа №6 |
|
Определение величины коэффициента гидравлического трения трубы.................................... |
|
Лабораторная работа №7 |
|
Определение величины коэффициента местного сопротивления вентиля................................ |
|
Лабораторная работа №8 |
|
Определение удельного сопротивления трубопровода................................................................ |
|
Пример оформления отчета............................................................................................................ |
|
УДК 532.5 (533.6)
Методические указания к лабораторным работам по дисциплине «Гидравлика» для студентов строительных специальностей очной формы обучения. /Сост. Калинин А.В., Лушкин И.А. – Тольятти: ТГУ, 2006.
Изложены цели, задачи и программа лабораторных работ, даны указания по подготовке к работам и их выполнению.
Ил.12. Табл. 8. Библиогр.: 5 назв.
Составитель: Калинин А.В., Лушкин И.А Научный редактор: Вдовин Ю.И.
Утверждено редакционно-издательской секцией методического совета института.
© Тольяттинский государственный университет, 2007
Указания к проведению лабораторных работ
Основой изучаемого курса является приобретение студентами первоначальных навыков проведения исследовательских работ, осмысление результатов лабораторного исследования, представление и защита полученных результатов. Лабораторные работы проводятся в лабораториях кафедры «Водоснабжение и водоотведение». В ходе проведения работы студент имеет возможность видеть и изучать явления, происходящие в жидкости, производить измерения физических величин, овладевает методикой постановки экспериментов, приобретает навыки обработки полученных в результате эксперимента данных, представления результатов исследования. За время проведения лабораторных работ студент должен научиться пользоваться измерительными приборами.
Перед проведением лабораторной работы осуществляется контроль знания студентом теоретического материала по теме экспериментального исследования. Контроль осуществляется академическим консультантом в в тестовой форме. Студент допускается к проведению лабораторной работы, если он правильно ответил на 40% вопросов теста.
В лабораторных работах №4 и №5 студент до проведения экспериментального исследования должен выполнить расчет параметров физической модели. Результаты расчета предъявляются академическому консультанту. В случае, если расчет студентом не был выполнен, студент до экспериментального исследования не допускается.
Результаты проведенного экспериментального исследования оформляются в виде отчета. В отчете приводятся: цель работы, схема установки, основные расчетные формулы, таблицы измерений и расчетов, графики, выводы. Результаты исследования после проверки академическим консультантом используются при расчете короткого трубопровода.
Описание универсального гидравлического стенда ГС - 3
Универсальный гидростенд (см. рис. 1) предназначен для проведения лабораторных и науч- но-исследовательских работ, целью которых является изучение законов движения жидкостей. Гидростенд разработан на кафедре «Теплотехника и тепловые двигатели» Самарского государственного аэродинамического университета.
Основные элементы гидростенда:
напорное и приёмное устройство;
рабочий участок;
насос;
измерительные устройства.
На стойке 4 установлен напорный бачок 2, выполненный из нержавеющей стали в виде сферы. Напорный бачок имеет выходной патрубок 3, к которому с помощью уплотнения крепится рабочий участок 15. Другой конец рабочего участка укрепляется в патрубке с помощью резиновой манжеты, надвигаемой на участок механизмом 17.
В напорную магистраль вода поступает от насоса 9 при открытии вентиля 8. Во время эксперимента питающий вентиль 6 и сливной 7 должны быть закрыты. Расход воды через рабочий участок регулируется вентилем 18 на выходе из рабочего участка и вентилем 8
Рис. 1. Схема гидростенда
Приёмное устройство представляет собой бак 22, соединённый со сливной магистралью 12. Над приемным баком на консоли 10 смонтирован мерный бачок 20 для измерения расхода воды. На консоли установлен лоток 11, используемый для сбора воды и слива её в мерный бачок 20. В днище мерного бачка имеется клапан 21, управляемый с помощью рычажного механизма
Измерительные приборы представлены пьезометрическим щитом 13, на котором смонтировано семь стеклянных трубок. Избыточное давление в напорном баке измеряется образцовым манометром 1. При измерении расхода воды одновременно с закрытием клапана на пульте управления 5 включается электросекундомер. После заполнения водой определённого объема мерного бака (3 литра) происходит замыкание контакта включателя уровня с одновременной остановкой электросекундомера.
Гидростенд работает по замкнутой схеме с насосной подачей воды из расходного бака, слива её в приёмный бак и подачей под напором в расходный бак.
Лабораторная работа №1 Определение величины коэффициента вязкости воды
1. Цель работы: экспериментальное определение величины коэффициента вязкости и плотности воды при заданной температуре. Результаты эксперимента используются при расчете короткого трубопровода.
2. Программа работы:
2.1.Определить вязкость воды при заданной температуре при помощи вискозиметра Энгле-
2.2.Измерить ареометром плотность жидкости. 2.3.Установить динамическую вязкость испытуемой жидкости.
3. Описание лабораторной установки и измерительных приборов
Вискозиметр Энглера (рис. 2) состоит из металлического цилиндра 1, имеющего сферическое дно с отверстием. Отверстие закрывается стержнем 2. При исследовании зависимости изменения вязкости жидкости от температуры цилиндр помещается в водяную ванну 3 с регулируемым подогревом воды.
Рис 2. Вискозиметр Энглера
Принцип действия ареометра (см. рис. 3) основан на использовании закона Архимеда, согласно которому на тело, помещенное в жидкость, вертикально вверх действует сила Архимеда. Величина этой силы зависит от плотности жидкости. Чем больше плотность жидкости, в которую помещено тело, тем больше будет сила Архимеда, которая будет выталкивать тело из жидкости. Можно на тело в виде поплавка нанести риски, соответствующие различным величинам плотности, и в зависимости от того, насколько такой «поплавок» будет виден над поверхностью жидкости, судить о величине плотности этой жидкости.
Рис. 3. Ареометр
4. Порядок выполнения работы:
4.1. Наливаем ≈ 250 см 3 исследуемой жидкости в цилиндр 1 и устанавливаем мерный сосуд под отверстием.
4.2. Стержнем 2 открываем отверстие в цилиндре, одновременно включив секундомер.
4.3. Определяем время τ 1 истечения из цилиндра 200 см3 исследуемой жидкости при комнатной температуре. Опыт повторяем не менее 3 раз.
4.4. Тщательно вытираем цилиндр и в него выливаем при закрытом донном отверстии ≈ 250 см 3 эталонной жидкости (дистиллированной воды).
4.6. Определяем время истечения τ 2 эталонной жидкости.
4.7. Для определения плотности ρ исследуемую жидкость наливаем в высокий мерный стакан. В стакан опускаем ареометр и по ареометрической шкале определяем плотность жидкости.
4.8. Определяем среднее время истечения τ 1ср и τ2ср
τ ср = τ " + τ " + ... + τ n , n
где n – количество измерений. 4.9. Вычисляем градусы Энглера
° Э = τ 1ср .
τ 2ср
4.10. Определяем коэффициент кинематической вязкости ν по формуле Убелоде
ν = (0,0732° Э− 0,0631 ° Э ) .
4.11. Находим динамический коэффициент вязкости μ, используя формулу
ν = μ ρ .
4.12. Результаты измерений и расчетов сводятся в таблицу 1 и используются при расчете короткого трубопровода
Таблица 1
5. Выводы
Вязкость испытуемой жидкости
см2 |
|||||||
с× см |
|||||||
Лабораторная работа №2 Исследование законов движения жидкости
1. Цель работы : Экспериментальное подтверждение выводов, сделанных в ходе изучения темы «Основы динамики и кинематики жидкости», приобретение навыков построения линии напора и пьезометрической линии короткого трубопровода.
2. Программа работы:
2.1.Определить напор Н в трех точках на оси трубы, найти потери напора. 2.2.Определить скорость потока на оси трубы.
2.3.Построить графики изменения полного напора Н и гидростатического напора H p по длине трубы.
3. Описание установки. Лабораторная работа проводится в помещении лаборатории гидравлики кафедры ВиВ. Рабочий участок гидростенда, на котором проводится работа, представляет собой наклонную металлическую трубу переменного сечения (рис. 4). Для измерения статического и полного давлений жидкости в сечениях 1-1, 2-2, 3-3, 4-4 и 5-5 установлены пьезометрические трубки и трубки Пито. Регулирование расхода жидкости в трубе производится вентилем, находящимся в конце рабочего участка стенда.
Рис. 4. Схема рабочего участка гидростенда
4. Порядок выполнения работы:
4.1. Включаем установку.
4.2. Открываем вентиль в конце рабочего участка стенда.
4.3. Измеряем расстояние между сечениями трубы l и ординату z в каждом сечении.
4.3. После того, как выйдут пузырьки воздуха из трубок, записываем показания пьезометров
и трубок Пито во всех сечениях.
4.4. Выключаем установку.
4.5. Определяем потери энергии между сечениями
h w 1− 2 = H 1 − H 2 , h w 2− 3 = H 2 − H 3 и т.д.,
где h w 1 − 2 – потери напора между сечениями 1-1 и 2-2; h w 2 − 3 – потери напора между сечениями 2-2 и 3-3; H 1 , H 2 , H 3 – показания трубки Пито в сечениях 1-1, 2-2 и 3-3.
4.6. Находим измеренный скоростной напор в каждом сечении
αυ2 |
− H |
|||||
где H i – показания трубки Пито в соответствующем сечении; H pi – показания пьезометрической трубки в соответствующем сечении.
4.7. Определить скорость потока на оси трубы
υ = 2 gh υ .
4.8. Результаты исследований записываем в таблицу 2. Таблица 2
Внутреннийдиаметр трубы d ,см |
ПоказанияпьезометрическойтрубкиH см |
Скорость натрубыоси υ , см/с |
Измеренныйпьезометрический напорH см |
||||||||
сечения№ |
Ординатасмz , |
Расстояниемежду сечениямисмl , |
Показаниятрубки ПитосмH , |
Потеринапораh |
Скоростнойнапор |
Измеренныйполный напорH |
|||||
|
1. Цель работы : Экспериментальное определение величины числа Рейнольдса, при переходе ламинарного режима в турбулентный; определение режима движения жидкости, соответствующего числу Re, полученному при расчете короткого трубопровода. 2. Программа работы: 2.1.Установить ламинарный режим движения жидкости в трубе. 2.2.Добиться перехода ламинарного режима в турбулентный. 2.3.Определить число Рейнольдса, соответствующее переходу ламинарного режима в турбулентный. 3. Описание установки. Рабочий участок гидростенда для данной работы представляет собой стеклянную трубу 1 постоянного диаметра (рис. 5). На входе в трубу монтируется устройство, по которому под давлением при открытом кране 3 подается краска или воэдух. Скорость движения воды регулируется вентилями 8 и 18 (см. описание гидростенда). Рис. 5. Схема рабочего участка лабораторной установки 4. Порядок выполнения работы: 4.1. Включаем насос, вентилем 8 устанавливаем минимальное давление в расходном бачке, при котором в стеклянной трубе устанавливается спокойное движение воды с малыми скоростями. 4.2. Медленно открывая кран 3 и регулируя расход воды через трубу вентилем 18, добиваемся, чтобы краска поступала в стеклянную трубу тонкой струйкой, параллельно стенкам. 4.3. Увеличивая давление в расходном бачке вентилем 8, добиваемся установления в трубе турбулентного режима и определяем время заполнения мерного бачка. 4.4. Определяем расход Q = V t , где V – объем мерного бачка, равный 3 л; t – время заполне- ния бачка, и скорость движения жидкости в трубе υ = Q S , где S – площадь сечения стеклянной 4.5. Определяем число Рейнольдса, при котором произошел переход ламинарного режима в турбулентный Re = υ d ρ , где d – диаметр стеклянной трубы, равный 1,7 см; ρ – плотность жидкости (см. лаб. работа №1); μ – коэффициент динамической вязкости жидкости, соответствующий температуре жид- кости t = 20 °C. |
В практикуме представлены описания шестнадцати лабораторных работ по дисциплине «Гидравлика», каждая из которых включает краткую теорию, методические указания по выполнению и контрольные вопросы. Справочный материал вынесен в приложение. Словарь терминов состоит из используемых понятий и их определений.
Для студентов, обучающихся по специальности 19060365 «Сервис транспортных и технологических машин и оборудования (Автомобильный транспорт)» и 19050062 «Эксплуатация транспортных средств».
Изучение гидравлики студентами автотранспортных специальностей предусматривает проведение определённого количества лабораторных работ. В настоящем сборнике представлены описания лабораторных работ и методические указание для их выполнения.
Целью лабораторного практикума является закрепление студентами материала лекционного курса, развитие навыков самостоятельной работы с приборами при проведении экспериментов, обучение методам определения параметров движущейся жидкости и проведению расчётов, а также умению делать выводы на основании полученных результатов.
На выполнение каждой работы отводится 2 часа. Поскольку при изучении дисциплины часть разделов передана студентам для самостоятельного изучения, то в методических указаниях к каждой работе кратко излагается теоретический материал.
Гидравликой называют техническую науку, изучающую механические свойства, законы равновесия и движения жидкостей. Термином «жидкость» охватывают как капельные, практически несжимаемые жидкости, так и газообразные или сжимаемые среды.
В основе теоретического подхода лежит принцип непрерывности Эйлера, согласно которому жидкость рассматривается не как совокупность дискретных её материальных частичек, а как континуум, т.е. сплошная или непрерывная материальная среда, допускающая неограниченную делимость её частиц. Подобный взгляд на строение вещества допустим, если размеры объёмов, в которых рассматривается изучаемое явление, достаточно велики по сравнению с размерами молекул и длиной их свободного пробега.
В гидравлике широко пользуются экспериментальными способами исследования, что позволяет исправлять теоретические выводы, отклоняющиеся от реальных явлений.
Основными разделами практической гидравлики являются: течение по трубам, истечение жидкости из отверстий и через насадки, взаимодействие потока с препятствиями, движение в пористых средах (фильтрация), а также гидравлические машины.
Цель работы: освоить методы измерения плотности, теплового расширения, вязкости и поверхностного натяжения жидкостей.
Вещество, находящееся в жидком агрегатном состоянии (жидкой фазе), называют жидкостью. Жидкое агрегатное состояние является промежуточным между твёрдым состоянием, которому присущи сохранение своего объёма, образование поверхности, обладание определённой прочностью на разрыв, и газообразным, при котором вещество принимает форму сосуда, где оно заключено. В то же время жидкость обладает только ей присущим свойством − текучестью, т.е. способностью пластически или вязко деформироваться под действием любых (включая сколь угодно малые) напряжений. Текучесть характеризуется величиной, обратной вязкости.
Основные характеристики жидкости – плотность, сжимаемость, тепловое расширение, вязкость и поверхностное натяжение.
Плотностью однородного вещества называют отношение массы m жидкости к её объему W :
ρ = m / W .
Сжимаемость – свойство жидкости уменьшать объём под действием всестороннего давления. Она оценивается коэффициентом сжимаемости p , показывающим относительное уменьшение объёма жидкости ΔW /W при повышении давления Δρ на единицу:
βρ = (ΔW /W )/Δρ .
Тепловое расширение – свойство жидкости изменять объём при нагревании – характеризуется, при постоянном давлении, коэффициентом объёмного теплового расширения T , который равен относительному приращению объёма ΔW /W в случае изменения температуры Т на один градус:
β T =(ΔW /W )/ΔT .
Как правило, при нагревании объём жидкости увеличивается.
Вязкость (внутреннее трение) – свойство текучих тел оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой. Её оценивают коэффициентом динамической вязкости , который имеет размерность Па∙с. Он характеризует сопротивление жидкости (газа) смещению её слоёв.
Наряду с динамической вязкостью в расчётах часто используют коэффициент кинематической вязкости ν, который определяют по формуле
ν = μ /ρ
и измеряют м 2 /с или стоксами (1 Ст = 1 см 2 /с).
Коэффициенты динамической и кинематической вязкости определяются родом жидкости, не зависят от скорости течения, существенно уменьшаются с возрастанием температуры.
Поверхностное натяжение – термодинамическая характеристика поверхности раздела двух фаз, определяемая работой обратимого изотермического образования единицы площади этой поверхности. В случае жидкой поверхности раздела поверхностное натяжение рассматривают как силу, действующую на единицу длины контура поверхности и стремящуюся сократить поверхность до минимума при заданных объёмах фаз. Характеризуется коэффициентом поверхностного натяжения , Дж/м 2 = Н/м. Работа образования новой поверхности затрачивается на преодоление сил межмолекулярного сцепления (когезии) при переходе молекул вещества из объёма тела в поверхностный слой. Равнодействующая межмолекулярных сил в поверхностном слое не равна нулю и направлена внутрь той фазы, в которой силы сцепления больше. Таким образом, поверхностное натяжение является мерой некомпенсированности межмолекулярных сил в поверхностном (межфазном) слое, или избытка свободной энергии в поверхностном слое по сравнению со свободной энергией в объёмах фаз.
Значения плотности, коэффициентов сжимаемости, объёмного теплового расширения, кинематической вязкости и поверхностного натяжения при температуре 20°С приведены в табл. П. 3.1 приложения.
Устройство для изучения физических свойств жидкости содержит 5 приборов, выполненных в одном прозрачном корпусе (рис. 1), на котором указаны параметры, необходимые для обработки опытных данных. Приборы 3–5 начинают действовать после переворачивания на 180 о устройства. Термометр 1 показывает температуру окружающей среды и, следовательно, температуру жидкостей во всех приборах.
Термометр 1 (рис. 1) имеет стеклянный баллон с капилляром, заполненный термометрической жидкостью, и шкалу. Принцип его действия основан на тепловом расширении жидкостей. Изменение температуры окружающей среды приводит к соответствующему изменению объёма термометрической жидкости и её уровня в капилляре. Уровень указывает на шкале значение температуры.
Коэффициент теплового расширения термометрической жидкости определяется на основе мысленного эксперимента. Предполагается, что температура окружающей среды повысилась от нижнего (нулевого) до верхнего предельного значения термометра и уровень жидкости в капилляре возрос на величину l .
Для определения коэффициента теплового расширения необходимо:
2. Вычислить приращение объема термометрической жидкости
ΔW = π r 2 l ,
где r – радиус капилляра термометра (указан на термометре).
3. С учётом начального (при 0°С) объёма термометрической жидкости W (значение приведено на термометре) найти коэффициент теплового расширения β T = (ΔW /W )/ΔT и сравнить его со справочным значением β T * (табл. П. 3.1). Значения используемых величин занести в табл. 1.
|
Вид жидкости |
r
, |
W
, |
ΔТ
, |
l
, |
ΔW
, |
β
Т
, |
β
Т
*
, |
Спирт |
|
|
|
|
|
|
|
Ареометр 2 (рис. 1) служит для определения плотности жидкости поплавковым методом. Он представляет собой пустотелый цилиндр с миллиметровой шкалой и грузом в нижней части. Благодаря грузу ареометр плавает в исследуемой жидкости в вертикальном положении. Глубина погружения ареометра является мерой плотности жидкости и считывается со шкалы по верхнему краю мениска жидкости вокруг ареометра. В обычных ареометрах шкала отградуирована в значениях плотности.
В ходе работы необходимо выполнить следующие операции:
1. Измерить глубину погружения h ареометра по миллиметровой шкале на нём.
2. Вычислить плотность жидкости по формуле
ρ = 4m /(πd 2 h ),
где m и d – масса и диаметр ареометра (значения приведены на ареометре).
Эта формула получена путём приравнивания силы тяжести ареометра G = mg и выталкивающей (архимедовой) силы F A = ρ gW , где объём погружённой части ареометра W = hπd 2 /4.
3. Сравнить опытное значение плотности со справочным значением * (табл. П. 3.1). Значения используемых величин свести в табл. 2.
|
Лабораторные работы ПО гидравлике В виртуальной лаборатории Методические указания Утверждены редакционно-издательским Самара 2009 Составитель В.И. Веснин УДК 532; 621.031 Лабораторные работы по гидравлике в виртуальной лаборатории: методические указания / сост. В.И. Веснин; СГАСУ. – Самара, 2009. – 40 с. Методические указания предназначены для студентов дневного и заочного отделений университета специальностей: 290300, 290500, 290700, 290800, 291300, 291500, 330400 при выполнении лабораторных работ по курсу «Гидравлика» (II курс, III-IV семестры очного отделения и IV курс, VII семестр заочного). Приведены необходимые сведения для выполнения лабораторных работ по темам: «Гидростатическое давление и закон Паскаля», «Уравнение Бернулли для установившегося неравномерного движения жидкости», «Режимы течения жидкости», «Гидравлические сопротивления», «Истечение жидкости через малые отверстия в тонкой стенке и насадки при постоянном напоре в атмосферу», «Гидравлический удар». Даются контрольные вопросы к указанным лабораторным работам. Учебное издание Редактор Г.Ф. Коноплина Технический редактор А.И. Непогодина Корректор Е.М. Исаева Подписано в печать 20.07.09. Формат 60х84/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Уч.-изд. л. Усл. печ. л. Тираж 100 экз. Самарский государственный архитектурно-строительный университет 443001 Самара, ул. Молодогвардейская, 194 Общая часть Компьютерная версия лаборатории гидромеханики предназначена для имитационного выполнения лабораторных работ в соответствии с программой дисциплины «Гидравлика». Она включает в себя одну лабораторную установку по гидростатике и 5 установок по гидродинамике. Виртуальная лаборатория состоит из мультипликационного изображения на экране дисплея действующих установок и математической модели изучаемого физического процесса, управляющей содержанием экрана. Программа позволяет имитировать измерение параметров физического процесса с помощью применяемых в практике гидравлического эксперимента приборов. В процессе компьютерного эксперимента программа воспроизводит случайное отклонение измеряемого параметра, что дает возможность оценить точность измерений методами статистического анализа. Каждая из лабораторных установок состоит из трех разделов: 1 – схема лабораторной установки, аналогичная приведенной в настоящих методических указаниях; 2 – информация о программе, описывающая методику выполнения данной работы и содержащая необходимые исходные данные, которые частично указываются на схеме; 3 – проведение эксперимента, который ведется в диалоговом режиме компьютера. Программа позволяет проводить эксперимент в различных режимах. Инженерно-физический факультет высоких технологий Кафедра физических методов в прикладных исследованиях М.В. Вяльдин Методические указания к лабораторному практикуму по гидравлике Учебно-методическое пособие Ульяновск УДк 532.5 (075.8) ББк 30.123 я73 Печатается по решению Ученого совета инженерно-физического факультета высоких технологий Ульяновского государственного университета Рецензенты: Доктор технических наук, профессор кафедры нефтегазового дела и сервиса П.К. Германович Кандидат физико-математических наук, доцент кафедры физических методов в прикладных исследованиях Ю.Н. Зубков Вяльдин М.В. В 99 Методические указания к лабораторному практикуму по гидравлике. – Ульяновск: УлГУ, 2014.- 48с. Практикум по гидравлике предусматривает выполнение 9 лабораторных работ, две из которых направлены на изучение устройства и принципа действия двух лабораторных стендов «Гидростатика» и «Гидродинамика», остальные охватывают практическое определение гидростатического давления, плотности неизвестной жидкости, силы давления на горизонтальные и вертикальные стенки сосуда, гидравлического сопротивления по длине трубы и на внезапном расширении; исследование потока жидкости при истечении в трубах Вентури и визуальное наблюдение ламинарного и турбулентного режимов течения одномерного потока жидкости. Методическое пособие предназначено для студентов инженерно-физического факультета высоких технологий. Ульяновский государственный университет, 2014 Вяльдин М.В., 2014 Введение……………………………………………………………………...4 Измерения, погрешности измерений и представление экспериментальных данных……………………………………………………………………………….4 Лабораторная работа №1 Изучение лабораторного стенда «ГИДРОСТАТИКА ГС» …………………8 Лабораторная работа №2 Определение гидростатического давления …………………………………..11 Лабораторная работа №3 Определение плотности неизвестной жидкости …………………………......14 Лабораторная работа №4 Определение силы давления жидкости на плоские стенки ………………..17 Лабораторная работа №5 Изучение лабораторного стенда «ГИДРОДИНАМИКА ГД» ………………21 Лабораторная работа №6 Определение потерь напора в круглой трубе ………………………………...28 Лабораторная работа №7 Определение потерь напора на внезапном расширении ………………….....34 Лабораторная работа №8 Экспериментальное построение диаграмм Бернулли ………………………..39 Лабораторная работа №9 Наблюдение режимов течения и определение параметров потока…. …….43 Введение Гидравлика как наука является одной из важнейших в плане практического применения знаний как на производстве, так и в быту, и современный инженер обязан знать методы исследования гидравлических явлений и диагностики состояния трубопроводов. Поэтому студенты должны знать устройство различных измерителей давления, плотности, вязкости, расхода жидкостей, а также единицы измерения этих величин, причем как в системах единиц измерения в СИ и СГС, так и во внесистемных единицах измерения. Для расчета многих исследуемых величин важно уметь пользоваться Интернет-ресурсами для поиска соответствующих табличных данных (например, кинематическую вязкость во многих случаях путают с динамической вязкостью, т.к. не знают формулы связи между этими величинами и соответственно не обращают внимания на единицы измерения и приставки, указанные в таблицах). Снятие показаний гидравлических приборов тоже представляет некоторые трудности: например, показания ротаметров даются в делениях, а чтобы перевести эти показания в систему СИ, необходимо уметь пользоваться графиком зависимости расхода (в делениях) от расхода (в литр/час). При выполнении лабораторных работ следует помнить, что часть соединительных труб в стенде «Гидростатика» являются открытыми, и изменение давления (избыточного и вакууметрического) производить плавно и с учетом инерционности жидкости. Измерения, погрешности измерений и представление экспериментальных данных. В лаборатории гидравлики производят прямые и косвенные измерения. Под измерением понимают сравнение измеряемой величины с другой величиной, принятой за единицу измерения. При прямых измерениях (например, температуры, давления и др.) пользуются измерительными приборами (термометр, манометр), проградуированными в соответствующих единицах измерения. При косвенных измерениях искомая величина определяется из результатов прямых измерений других величин, которые связаны с измеряемой величиной определенной функциональной зависимостью (например, P = P 0 +ρgh, ρ = m/V, ρ = P/gh). При измерении любых величин выполняют три последовательные операции: выбор, проверку и установку приборов (в нашем случае стенды к работе готовит техник-инженер); наблюдение показаний и их отсчет для каждого режима; вычисление искомой величины из результатов измерений и проведение оценки погрешности. Истинное значение измеряемой величины абсолютно точно определить нельзя. Каждое измерение дает значение определенной величины X с некоторой погрешностью ∆X, называемой абсолютной погрешностью. Погрешности измерений бывают: систематические, случайные и промахи. Систематической называют такую погрешность, которая остается постоянной или закономерно изменяется при проведении повторных измерений одной и той же величины. В любом измерительном приборе имеется та или иная систематическая погрешность, которую невозможно устранить, но которую можно учесть. Случайные погрешности – ошибки, появление которых невозможно предупредить. Обычно их учитывают при многократных измерениях и они подчиняются статистическим закономерностям. Промахи и грубые погрешности это чрезмерно большие ошибки, явно искажающие результат измерения. При лабораторном методе измерений делают несколько измерений величины и вычисляют среднее арифметическое полученных значений, в отличие от технического метода, в котором допускается однократное измерение исследуемой величины. Источниками погрешностей могут быть: средства измерения (инструментальная погрешность), наблюдатель (погрешности отсчета), окружающая среда (средовая погрешность), методика измерения и техника обработки результата (погрешность математической обработки). Суммарная погрешность ∆Х при прямых измерениях определяется после нахождения случайной погрешности и оценки систематической погрешности. В простейших случаях ∆Х (абсолютная погрешность) определяется погрешностью измерительных приборов. Например, для манометра абсолютная погрешность принимается равной половине цены наименьшего деления. Цена деления определяется отношением разности ближайших цифровых значений величин на шкале прибора к числу делений между ними. Чтобы оценить точность косвенных измерений определяют сначала относительную погрешность ε = ∆X/Xср., где Хср. – среднее арифметическое значений величины, тогда запись результатов измерений будет следующей: Х = Хср. ± ∆Х, а ∆Х определяется через относительную погрешность ε, которая находится по правилу дифференцирования. В таблице 1(см. Приложение) приводятся формулы расчета относительной погрешности величин по наиболее часто встречающимся функциональным зависимостям. Приведем некоторые случаи расчета относительной погрешности косвенных измерений величины Y: Пусть функция задана выражением Y = A + B, а абсолютные погрешности измерений ∆A, ∆B, тогда Y +∆Y = (A ± ∆A) + (B ± ∆B), следовательно, ∆Y = ∆A +∆B, тогда относительная погрешность будет определяться так ∆Y/Y = ∆Y/(A+B) = (∆A +∆B)/(A + B); Если Y = A * B, тогда ∆Y/Y = ∆A/A + ∆B/B, или ε Y = ε A + ε B . Если в расчетные формулы входят константы, например, число π = 3, 14 какие-то физические постоянные величины, например, g = 9,83 м/с 2 , табличные данные, то они берутся с такой точностью, чтобы число значащих цифр после запятой в них было на единицу больше, чем число значащих цифр в значениях измеряемых величин. Пример расчета относительной погрешности измерения абсолютного давления. Исходная формула: Р = Р 0 + ρgh, значит функциональная зависимость аналогична Y =A +B, т.е. ∆P/P = (∆P 0 +∆(ρgh))/ (P 0 + ρgh), где ∆(pgh) рассчитывается по примеру второй функциональной зависимости ∆(ρgh)/ρgh = ∆p/p + ∆g/g +∆h/h, откуда ∆(ρgh) = (εp + εh)*ρgh. Правила вычисления погрешностей и представление экспериментальных данных. Так как точность определяемой физической величины определяется измерением, а не вычислением, то округление числового значения результата измерения производят до цифры того же порядка, что и значение погрешности. Лишние цифры у целых чисел заменяются нулями, а у десятичных дробей отбрасываются. Пример: (103221 ± 245)Па – до округления; (103220 ± 250)Па – после округления при расчете давления жидкости. Если заменяемые нулем или отбрасываемые цифры меньше 5, то остающиеся цифры не изменяются. А если эта цифра больше 5. То последующие остающиеся цифры увеличиваются на единицу. Пример: (846,45 ± 0,13)кг/м 3 – до округления; (846,5 ± 0,1) кг/м 3 – после округления при расчете плотности неизвестной жидкости. Если заменяемая нулем или отбрасываемая цифра равна 5 (с последующими нулями), то округление производится так: последняя цифра в округляемом числе остается без изменения. Если она четная, и увеличивается на единицу, если нечетная. Пример: (184, 256 ± 0,127)Н – до округления; (184,26 ± 0,13)Н или (184,3 ± 0,1) - после округления при расчете силы давления жидкости на плоские горизонтальные и вертикальные стенки. При представлении окончательного результата измерений удобно применять запись численного значения в виде десятичной дроби, умноженной на необходимую степень числа 10. Например, при записи значения атмосферного давления: 101 239 Па = 101,239 *10 3 Па =101,24 кПа. В большинстве случаев экспериментального изучения гидравлических явлений целесообразно представить полученные зависимости в виде графика. Сопоставляя теоретическую кривую с экспериментальной, выявляют согласуются ли результаты опыта с ожидаемой величиной. В некоторых случаях предлагается наложение экспериментального участка графика на теоретическую кривую. При этом следует учесть поведение участка кривой именно в тех пределах измеряемой величины, которые отображены на теоретической кривой. Для удобства выбранный масштаб при построении экспериментальной зависимости должен совпадать с масштабом теоретической зависимости. Например, при наложении графика зависимости гидравлического сопротивления от числа Re на график Мурина, экспериментальный участок составляет всего лишь десятую долю теоретической кривой (а их целое множество на графике Мурина). Поэтому правильное совпадение экспериментального участка с одной из этих кривых позволит в продолжении этой кривой определить эквивалентную относительную шероховатость внутренней поверхности трубы. Экспериментальные точки на миллиметровой бумаге представляют в виде крестиков и кривую проводят не по всем точкам, а в пределах погрешностей, чтобы выше и ниже этой кривой количество точек по их суммарному удалению от экспериментальной линии было примерно одинаковым. Общий вид экспериментальной кривой должен быть аналогичен виду теоретической зависимости или виду соответствующей части теоретической кривой. Лабораторная работа №1 ИЗУЧЕНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА «ГИДРОСТАТИКА ГС» Цель работы: изучить устройство и принцип действия лабораторного стенда «Гидростатика»; записать формулу для определения абсолютного давления, записать формулу для определения избыточного давления с помощью батареи пьезометров; знать плотность жидкостей в пьезометрах; определить цену деления пьезометров и манометров; выразить их значение в системе СИ. Краткая теория. Стенд состоит из рабочего стола 1 (рис.1), закрепленных на нем бака 2 и щита 3 с батарейным мановакуумметром П3. Рядом со столом закреплен щит настенных пьезометров 4. Бак на ¾ заполнен рабочей жидкостью. С помощью компрессора 5 и пылесоса 6, находящихся на нижней полке стола, под крышкой бака может быть создано избыточное или вакуумметрическое давление. Необходимый режим обеспечивается блоком управления 7 и кранами В1 и В2. Давление воздуха в баке регистрируется механическими приборами- манометром МН1 и вакуумметром ВН. На лицевой и боковой стенках бака расположены фланцы, к которым через сильфоны 8 крепятся две испытуемые плоские стенки 9 – вертикальная и горизонтальная. На фланцах закреплены линейки со шкалами, служащие для определения перемещения стенок. Колена батарейного мановакуумметра П3 заполнены жидкостью (в общем случае жидкости могут быть различными). Левый конец батарейного мановакуумметра заполнен воздухом и соединен с верхней частью бака, а правый - открыт в атмосферу (рис. 2). На настенном щите пьезометров 4 размещены пьезометр П1, подключенный к заполненной рабочей жидкостью части бака, и U-образный мановакуумметр П2, заполненный исследуемой жидкостью с неизвестной плотностью. Один конец мановакуумметра П2 подсоединен к верхней (воздушной) части бака, а второй выведен на механический прибор – манометр МН2. Краны В5 и В3 служат для блокирования мановакуумметра П2 при проведении опытов на давление или вакуум, превосходящие пределы измерения этого жидкостного прибора. Краны В8 и штуцер 10 используются для заполнения бака рабочей жидкостью и опорожнения его. Рис. 1. Лабораторный стенд «Гидростатика ГС». Лабораторный стенд «ГС» предназначен для выполнения лабораторных работ № 2.3.4 по определению гидростатического давления, плотности неизвестной жидкости и силы давления жидкости на плоские вертикальные и горизонтальные стенки. Контрольные вопросы. Для чего предназначен лабораторный стенд «Гидростатика ГС»? На чем основан принцип действия стенда? Перечислите основные элементы лабораторного стенда. Какие измерители давления используются в стенде? Какова цена деления шкалы батареи пьезометров? Чему равна цена деления шкалы настенных пьезометров?
Рис. 2. Гидравлическая схема стенда «Гидростатика ГС». Чему равна цена деления механических манометров? Выразите эту величину в системе СИ. Какая жидкость налита в батарее пьезометров? Укажите ее плотность. Какие жидкости налиты в настенных пьезометрах? Укажите чему равна плотность жидкости в пьезометре П1. Какой жидкостью и до какого уровня заполнен бак? Почему? Как определяется избыточное и мановакууметрическое давления в баке батареей настольных пьезометров? Напишите формулу. Укажите два основных режима работы стенда. Какие приборы используются для создания этих режимов и где они расположены? Какие методы определения гидростатического давления являются наиболее точными. Лабораторная работа №2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГИДРОСТАТИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ. Цель работы - освоение студентами способов измерения гидростатического, избыточного и вакуумметрического давлений в двух режимах. При подготовке к работе, в процессе выполнения работы и при обработке результатов опытов студент должен: Ознакомиться с различными приборами для измерения давления; Определить гидростатическое давление тремя способами в двух режимах; Определить давление под крышкой бака по показаниям пьезометра и батарейного мановакуумметра и сравнить их с показаниями механического прибора в двух режимах; Определить абсолютную погрешность измерения гидростатического давления всеми тремя способами для всех режимов. Тематические материалы:
Обновлено: 30.03.2024
103583
Если заметили ошибку, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter
Рубрики сайта |
