Правила выполнения учебных лабораторных работ

В настоящем издании изложены теоретические основы гидравлического экспериментирования и моделирования, а также принципы действия и устройство измерительной аппаратуры, описаны методы и техника характерных гидравлических экспериментов и испытаний гидравлических машин, приведены материалы, необходимые для оценки точности экспериментов.

Предназначено для подготовки бакалавров техники и технологии, обучающихся по направлению 140100.62 – Теплоэнергетика и теплотехника.

Введение..................................................................................................... 4

Правила выполнения учебных лабораторных работ.............................. 4

Общие правила техники безопасности..................................................... 5

Методы исследования в гидравлике…..................................................... 5

Классификация и основные параметры насосов….................................. 8

Точность приборов…................................................................................ 10

Погрешность измерений…........................................................................ 11

Модуль 1. Общие законы и уравнения статики и динамики жидкостей и газов...................................................................................................... 13

Лабораторная работа 1. Изучение физических свойств жидкости......... 13

Лабораторная работа 2. Измерение давления.......................................... 19

Лабораторная работа 3. Измерение гидростатического давления.......... 28

Лабораторная работа 4. Экспериментальное изучение уравнения Бернулли....................................................................................................... 37

Лабораторная работа 5. Изучение структуры потоков жидкости.......... 48

Лабораторная работа 6. Ламинарный и турбулентный режимы движения жидкости................................................................................................. 51

Лабораторная работа 7. Определение коэффициента сопротивления прямой водопроводной трубы........................................................................ 57

Лабораторная работа 8. Определение коэффициентов местных сопротивлений...................................................................................................... 66

Модуль 2. Двухфазные потоки жидкости и газа...................................... 73

Лабораторная работа 9. Определение коэффициента расхода и тарировка трубы Вентури........................................................................................ 73

Лабораторная работа 10. Определение коэффициента сжатия, расхода, скорости, сопротивления для малого отверстия в тонкой стенке............................ 80

Лабораторная работа 11. Определение коэффициента расхода при истечении жидкости через насадки..................................................................... 86

Лабораторная работа 12. Изучение циркуляционного обтекания тел с помощью ЭГДА............................................................................................ 91

Лабораторная работа 13. Кавитационные испытания центробежного насоса....................................................................................................... 97

Лабораторная работа 14. Испытание центробежных насосов при параллельном и последовательном включении их в одну сеть трубопроводов.. 105

Лабораторная работа 15. Энергетические испытания шестеренного насоса. 114

Лабораторная работа 16. Кавитационные испытания шестеренного насоса. 119

Заключение …............................................................................................ 125

Библиографический список....................................................................... 125

Дисциплина «Гидрогазодинамика» является базовой при подготовке бакалавра, обучающегося по направлению 140100.62 – Теплоэнергетика и теплотехника. Изучение этой дисциплины требует не только усвоения теоретических основ, но и овладения методикой постановки и проведения эксперимента.

Целью настоящего лабораторного практикума является помощь студентам в подготовке и проведении цикла лабораторных работ по курсу «Гидрогазодинамика». Лабораторные работы составлены таким образом, чтобы опыты могли быть проведены студентами самостоятельно.

Правила выполнения учебных лабораторных работ

Лабораторные работы выполняются по предварительно составленному расписанию, в котором указан срок проведения каждой работы.

Студенты, пропустившие занятия в лаборатории, выполняют работу совместно со студентами очно-заочной или заочной форм обучения или по особому дополнительному расписанию в конце семестра.

1. До начала выполнения лабораторной работы каждый студент должен изучить ее описание (изложенное в настоящем практикуме) и сдать преподавателю коллоквиум по теоретическим вопросам, относящимся к данной работе.

2. Каждую работу выполняют группой в составе 5–8 студентов под руководством преподавателя или старшего лаборанта.

3. Результаты измерений студенты заносят в бланк, предварительно ими изготовленный.

4. По окончании лабораторных занятий результаты измерений предъявляют преподавателю для визирования.

5. К началу следующего лабораторного занятия сдают преподавателю законченный отчет по выполненной работе.

Отчет по лабораторной работе студент должен защитить и получить зачет. После защиты последней (в данном семестре) лабораторной работы преподаватель проставляет студенту общий зачет (без повторного опроса по уже принятым ранее отчетам), являющийся одновременно допуском к экзамену (или зачетом по теоретическому курсу).

Отчеты по лабораторным работам представляются в виде машинописного текста, оформленного в соответствии с общими требованиями, изложенными в СТП 01-2007 и должны содержать:

г) результаты численных расчетов по данным наблюдений в табличной форме;

д) графики с кривыми, выражающими результаты измерений;

е) основные выводы и анализ возможных ошибок.

б) все величины указать в системе СИ. Для этого рекомендуются следующие соотношения:

Динамическая вязкость 1 Па∙с = 0,102 кгс∙с²/м⁴.

Ошибки студентов при обработке опытных данных чаще всего происходят из-за несоответствия размерности величин, подставленных в формулы.

г) опытные точки наносят на график особыми значками (точками, кружками, квадратами и т.д.)%;

д) фамилию, инициалы студента и номер группы, если график не прикреплен ук отчету.

1. Пред началом работы тщательно проверить исправность и правильность настройкики установки и приборов.

2. Все установки, питаемые электроэнергией, должны быть соответствующим образом заземлены.

3. Приступая к эксперименту, проверить отсутствие пузырьков воздуха в пьезометрах.

4. Включать установку и приборы в работу только после соответствующего разрешения преподавателя.

Точность экспериментальных результатов зависит от точности экспериментальных приборов. Она характеризуется классом точности и выражает наибольшую допустимую погрешность

в процентах от предельного значения N шкалы:

В рабочих условиях обычно применяют приборы классов 0,5–6, которые называются техническими. Приборы классов точности 0,4 и выше считают образцовыми для проверок и градуировок приборов и рабочими для измерений высокой точности. Цена наименования деления шкалы прибора согласуется с его классом точности и назначается в зависимости от размеров шкалы в пределах (0,5–3).

Практически наибольшая допустимая погрешность прибора не превышает половины цены деления шкалы. Вычисленный по формуле класс точности прибора округляют до большего ближайшего стандартного значения.

Классу прибора соответствует основная погрешность измерения в процентах. Если класс прибора 1,5, то его относительная точность измерения 1,5 %.

Измеренные величины X_изм всегда отличаются от действительных (истинных) значений (А_ист) измеряемых величин. Величины погрешностей характеризуются абсолютной погрешностью измерений:

Погрешности разделяются на систематические (возникающие закономерно из опыта в опыт, например, износ прибора) и случайные (отсчет показаний, изменение температуры и давления атмосферы и т.п.). Вопросами оценки влияния случайных погрешностей занимается теория ошибок. Систематические погрешности можно исключить тарировкой подбора, а снижение величины случайных погрешностей достигают повторностью измерений.

Например, среднеарифметическое из результатов измерений X ₁, X ₂, X ₃ будет:

Обычно погрешность

еще зависит от ряда других измеряемых величин, т.е. необходимо определить относительную погрешность

. Относительная точность определяемой характеристики есть сумма относительных погрешностей величин, ее определяющих, если характеристика А зависит от величины

, т.е. если:

Коэффициент расхода при истечении жидкости из отверстия:

Относительная погрешность определения

будет:

(т. к. напор Н входит в формулу в степени ½, то относительная погрешность уменьшается вдвое).

В частности, если расход Q = 3140 см³/сек = 0,00314 м³/сек = 3,14 л/сек, сечение трубы f = 1,4∙10^{-3 м2}, напор Н = 0,74 м, то

= 0,59.

Необходимо определить погрешность измерения отдельных величин и их влияние на результат. Допустим, что получены следующие погрешности (среднеарифметические)

= 1∙10^-4 м/сек,

= 2,8∙10^{-6 м, = 5∙10-3}. При этих числовых значениях относительная погрешность коэффициента

составит:

Следовательно, вычисленный коэффициент

= 0,59 получен с точностью 0,0441. Повышение точности, очевидно, будет достигнуто за счет уменьшения погрешности при измерении расхода (3,2 % из 4,41 %).

Освоение техники измерения плотности, теплового расширения, вязкости и поверхностного натяжения жидкостей.

· определить коэффициент теплового расширения жидкости;

· определить вязкость воды вискозиметром Стокса;

· измерить вязкость капиллярным вискозиметром;

· измерить поверхностное натяжение сталагмометром.

1. Что такое тепловое расширение жидкости и какой величиной характеризуется это свойство?

2. Изменяется ли плотность жидкости при изменении ее температуры?

5. Какой величиной оценивается вязкость жидкости?

6. Что такое поверхностное натяжение жидкости?

7. Каковы единицы измерения теплового расширения, вязкости, плотности и поверхностного натяжения жидкости?

8. Какие свойства жидкости измеряют термометром, ареометром, вискозиметром, сталагмометром?

Ознакомление с приборами для измерения давления (пьезометр, механический манометр, вакуумметр, дифференциальный манометр, электрический датчик давления). Практическое использование прибора для измерения избыточного давления и вакуума.

· измерить положительное избыточное давление;

· измерить отрицательное избыточное давление (вакуума).

1. Знакомство с измерением давления, приборами для измерения давления и методикой определения погрешностей эксперимента.

2. Использование пьезометров при определении избыточного давления и вакуума.

· Измерение избыточного давления в воздушной области

· Измерение вакуума в воздушной области основного резервуара.

Содержанием лабораторной работы является определение избыточного давления в замкнутой воздушной области основного резервуара, с помощью пьезометров 10 и 11, определение вакуума в той же области с помощью пьезометров 10, 11 и обратного пьезометра 12, а также фиксирование избыточного гидростатического давления в нижней точке резервуара с помощью пьезометра 12. Кроме того, следует измерить абсолютное гидростатическое давление в замкнутой воздушной области основного резервуара для случаев, когда

Уяснить физический и геометрический смысл уравнения Бернулли. По опытным данным построить линии пьезометрического и динамического напоров для трубопровода переменного сечения. Проследить по приборам переход энергии в потоке из потенциальной в кинетическую и обратно, в соответствии с уравнением Бернулли.

· рассчитать удельную кинетическую энергию потока;

· вычислить среднюю скорость воды в трубопроводе;

· рассчитать коэффициент неравномерности скорости по сечению трубы.

1. При закрытых кранах 7, 8 уровни во всех пьезометрах должны находиться на одной высоте. Если уровни разные, необходимо из пьезометра удалить воздух. Кранами 7, 8 установить небольшой расход воды и постоянный напор Н в баке 6. При этом должен беспрерывно работать слив, и уровни воды в водемерных стеклах 9, 10 остаются неизменными при данном режиме течения за все время проведения опыта.

2. Отсчитать расстояние от линии отсчета до центра тяжести сечения трубопровода, т. е. удельную потенциальную энергию положения z.

3. Снять показания уровней воды в пьезометрических трубках, удельную потенциальную энергию:

4. Отсчитывают уровни воды в трубках Пито, т. е. полную удельную энергию:

Рисунок 4.2 – Гидродинамическая трубка со сферическим и каноническим носком

5. Направив поворотную трубку в мерный бак, фиксируют время наполнения t и его объем W.

6. Регистрируют уровни воды в водомерных стеклах.

При снятии показаний пьезометров следует иметь в виду, что уровни воды в пьезометрах и трубках Пито колеблются и иногда значительно. Это свидетельствует о наличии в трубопроводах турбулентного режима движения, при котором имеет место пульсация скоростей, а значит, и давления. Поэтому во избежание грубых ошибок при снятии показаний следует фиксировать среднее положение уровня воды в пьезометрической трубке и в трубке Пито одновременно.

Опыт повторяют 3 – 4 раза при различных расходах. Все измерения, сделанные в процессе опытов занести в соответствующие графы отчета по прилагаемой форме (табл. 4.1, 4.2).

1. Вычислить удельную энергию давления как разность показаний пьезометров и геометрических высот у центра тяжести сечения:

2. Рассчитать удельную кинетическую энергию потока как разность показаний трубок Пито и пьезометров:

3. Найти потерю энергии (напора)

как разность показаний водомерного стекла напорного бака и показаний трубок Пито в каждом сечении потока:

5. Вычислить среднюю скорость воды в трубопроводе по формуле расхода:

6. Установить скорость по оси трубопровода, которая будет максимальной:

где h – разность показаний пьезометра и трубки Пито в раccматриваемом сечении.

8. По средней скорости в трубопроводе найти кинетическую энергию потока:

9. При данных числах Рейнольдса рассчитать коэффициент неравномерности скорости по сечению трубы а (коэффициент кинетической энергии) как отношение удельной кинетической энергии, полученной в опыте, к кинетической энергии, подсчитанной по средней скорости:

10. Сравнить численное значение средней скорости и скорости по оси потока в соответствующих сечениях.

Все результаты вычислений занести в соответствующие графы отчета по прилагаемой форме (табл. 4.3).

1. Чем отличается трубка Пито от пьезометрической?

2. В чем сущность физической и геометрической интерпретации уравнения Бернулли?

3. Каков характер изменения пьезометрической линии и линии напора при течении в трубе переменного сечения?

4. В чем заключается отличие эпюр скоростей идеальной и реальной жидкости в трубе?

Наблюдение потоков жидкости с различной структурой и выявление факторов, влияющих на их структуру.

· провести наблюдения за изменением структуры потока при влиянии на нее внешних факторов;

Устройство имеет прозрачный корпус (рис. 5.1, а), баки 1 и 2 с успокоительной стенкой 3 для гашения возмущений в жидкости от падения струй
и всплывания пузырей воздуха. Баки между собой соединены каналами 4 и 5 с одинаковыми сечениями. Конец канала 4 снабжен перегородкой с щелью 6, а противоположный конец канала 5 – решеткой (перегородкой со множеством отверстий) 7. Устройство заполнено водой, содержащей микроскопические частицы алюминия для визуализации течения. Уровень воды в баке 2 измеряется по шкале 8. Устройство работает следующим образом. В положениях устройства, изображенных на рис. 5.1, а, б, поступающая через левый канал в нижний бак вода вытесняет воздух в виде пузырей в верхний бак. Поэтому давления на входе в канал (на дне верхнего бака) и над жидкостью в нижнем баке 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. Причем в канале 4 устанавливается ламинарный режим благодаря низким скоростям течения из-за большого сопротивления щели 6. В свою очередь малое гидравлическое сопротивление решетки 7 обеспечивает получение турбулентного течения в канале 5 за счет больших скоростей (см. рис. 5.1, б). Расход можно уменьшать наклоном устройства от себя.

В случаях, указанных на рис. 5.1, в, г, д, в каналах 4 и 5 возникает неустановившееся (при переменном напоре и расходе) движение жидкости за счет непосредственного соединения воздушных полостей баков. Это позволяет проследить за изменением структуры потоков в процессе уменьшения их скорости до нуля.

Рисунок 5.1 – Схема устройства 1, 2 – баки; 3 – перегородка; 4, 5 – опытные каналы;

1. Создать в канале 4 ламинарный режим движения жидкости. Для этого при заполненном водой баке 1 поставить устройство баком 2 на стол (см. рис. 5.1, а). Наблюдать структуру потока.

2. Повернуть устройство в вертикальной плоскости по часовой стрелке на 180 ° (см. рис. 5.1, б). Наблюдать турбулентный режим течения в канале 5.

3. При заполненном водой баке 2 поставить устройство так, чтобы канал 5 (с решеткой) занял нижнее горизонтальное положение (см. рис. 5.1, в). Наблюдать в канале процесс перехода от турбулентного режима движения к ламинарному. Обратить внимание, что решетка приводит к турбулизации потока за ней.

4. При заполненном водой баке 2 поставить устройство так, чтобы канал 4 (с щелью) занял нижнее горизонтальное положение (см. рис. 5.1, г). Наблюдать за структурой потока в баке 2 при внезапном сужении, внезапном расширении в канале за щелью и при выходе потока из канала в бак 1. Обратить внимание на циркуляционные (вальцовые) зоны, транзитную струю и связь скоростей с площадями сечений каналов.

5. При заполненном баке 1 наблюдать структуру течения при обтекании перегородки 3 (см. рис. 5.1, д).

6.1 Сделать зарисовку структуры потоков для случаев, указанных в табл. 5.1.

1. Чем отличается ламинарный режим от турбулентного?

2. В чем различие траекторий движения частиц и линий тока?

4. Чем обусловлено образование вальцовых зон?

По движению подкрашенной струйки в прозрачной стеклянной трубе определить характер режима. По данным опытов вычислить значения Re и по ним установить границы устойчивых ламинарного и турбулентного режимов движения. Построить график зависимости числа Re от средней скорости потока (при постоянных d и

найти кинематический коэффициент вязкости и число Рейнольдса;

проанализировать зависимости Re от

(при постоянных d и

Схема установки для изучения режимов движения воды представлена на рис. 6.2. В напорный бак 1 вода поступает по трубе 2, на которой имеется кран 3, позволяющий регулировать расход воды. Уровень воды в напорном баке поддерживается на постоянной отметке с помощью слива и. трубы 4.

Из напорного бака 1 вода поступает в стеклянную трубку 5. Для обеспечения плавного входа в трубу один ее конец соединен с напорным баком при помощи переходной втулки. Другой конец трубы подведен к крану 6. Через кран 6 и патрубок вода поступает в мерный бак 7. Расход воды определяется объемным способом.

К напорному баку прикреплен сосуд 8, в который налит раствор краски. Краска по трубке 9 подводится к стеклянной трубе. Труба 9 снабжена краном 10, при помощи которого можно регулировать количество краски, поступающей в стеклянную трубку.

Изменение расхода, а следовательно, и скорости течения воды в стеклянной трубе производится с помощью кранов 3 и 6.

Температуру воды определяют по термометру 11.

1. После ознакомления с установкой и заполнения системы водой открывают кран 6 на стеклянной трубе и устанавливают медленное течение.

2. Открыв кран 10 (рис. 6.2), пустить в стеклянную трубу подкрашенную жидкость. При этом необходимо, чтобы скорость подкрашенной струйки на выходе была одинаковой со скоростью течения воды в трубопроводе. Если получается струя с разрывами, то с помощью крана 10 необходимо уменьшить или увеличить расход краски так, чтобы подкрашенная струйка вытекала в виде прямой линии.

3. Открывая кран 6 (начиная с самого малого и кончая полным открытием, не менее 7 опытов), наполняют мерный бак 7 и определяют время его наполнения по секундомеру. Отмечают момент перехода ламинарного режима в турбулентный по началу разрыва подкрашенной струйки.

Во время опытов необходимо следить за тем, чтобы уровень воды в напорном баке оставался постоянным и бесперебойно работал слив.

Все измерения, сделанные в процессе опытов заносят в соответствующие графы отчета по прилагаемой форме (табл. 6.3).

1. Расход воды в трубе определяют по формуле:

3. Кинематический коэффициент вязкости находят по измеренной в опытах температуре воды (табл. 6.2).

5. Вычерчивают кривую зависимости Re от

(при постоянных d и

Все результаты вычислений заносят в соответствующие графы отчета по прилагаемой форме (табл. 6.4).

1. Чем отличается ламинарный режим от турбулентного?

3. Каковы причины возникновения турбулентного режима?

4. С какой целью введен критерий подобия Рейнольдса и какие критерии подобия еще вы знаете?

Опытное определение напора

при различных скоростях движения воды. Определение коэффициента трения

. Для опытного участка трубы. Сравнение опытного значения

с вычисленными по эмпирическим формулам. Построение графика зависимости коэффициентов

от числа Re.

· найти кинематический коэффициент вязкости воды в зависимости от температуры воды;

· вычислить среднюю скорость движения воды в трубе;

Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычислить, когда этот...

ЧТО ПРОИСХОДИТ ВО ВЗРОСЛОЙ ЖИЗНИ? Если вы все еще «неправильно» связаны с матерью, вы избегаете отделения и независимого взрослого существования...

Система охраняемых территорий в США Изучение особо охраняемых природных территорий(ООПТ) США представляет особый интерес по многим причинам...

Что способствует осуществлению желаний? Стопроцентная, непоколебимая уверенность в своем...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: