Розрахунок сифонового трубопроводу

РОБОЧИЙ ЗОШИТ

для виконання практичних робіт

з дисципліни «Гідравліка»

Харків

Українська державна будівельна корпорація «УКРБУД»

Харківський коледж будівництва, архітектури та дизайну

Робочий зошит

для виконання практичних робіт

З дисципліни «Гідравліка»

Спеціальність: 5.05060103 «Монтаж і обслуговування теплотехнічного

устаткування та систем теплопостачання»

Розглянуто на засіданні циклової комісії

теплотехнічних дисциплін

Протокол № від ______________2011 р.

Голова циклової комісії Христоєва О.В.

Харків

2011 р.

Христоєва О.В. Робочий зошит для виконання практичних робіт з дисципліни «Гідравліка» - Х.:

Харківський коледж будівництва, архітектури та дизайну,2011. – с.

Робочий зошит розроблено з метою надання практичної допомоги студентам при виконанні практичних робіт з дисципліни «Гідравліка».

Робочий зошит містить інструкційні карти для проведення 9 практичних робіт, короткі методичні вказівки з дисципліни, таблиці та додатки.

Робочий зошит розглянуто і схвалено цикловою комісією теплотехнічних дисциплін і призначено для студентів коледжу.

Зміст

Вступ

1. Загальні відомості з організації та виконання практичних робіт

1.1 Правила проведення та порядок виконання практичних робіт

2. Тема: Основне рівняння гідростатики. Гідростатичний тиск та його властивості

2.1 Практична робота № 1

3. Тема: Визначення сили тиску рідини і газу на плоскі та криволінійні поверхні

3.1 Практична робота № 2

4. Тема: Структура потоку, гідравлічні елементи. Рівняння нерозривності потоку. Види руху рідини

4.1 Практична робота № 3

5. Тема: Рівняння Д.Бернуллі для реальної рідини. Розкриття змісту рівняння

5.1 Практична робота № 4

6. Тема: Режими руху рідини, досвід О.Рейнольдса

6.1 Практична робота № 5

Вивчення режимів руху рідини

7. Тема: Місцеві опори та визначення коефіцієнту місцевих опорів

7.1 Практична робота № 6

8. Тема: Основи гідравлічного розрахунку трубопроводів

8.1 Практична робота № 7

9. Тема: Розрахунок сифонного трубопроводу та всмоктуючих труб насосів

9. Практична робота № 8

10. Тема: Гідравлічний розрахунок трубопроводів системи опалення

10.1 Практична робота № 9

Додатки

Список використаних джерел

Вступ

Дисципліна «Гідравліка» вивчається на ІІ курсі протягом ІV семестру. Загальна кількість годин – 57 (аудиторні заняття), з них 18 г. – практичні роботи. Науково-методичну основу дисципліни складають закони фізики та хімії, знання з дисципліни «Вища математика». Дисципліна «Гідравліка» є базою для вивчення студентами спеціальності «Монтаж і обслуговування теплотехнічного устаткування та систем теплопостачання» санітарно-технічних устаткувань будівель, опалення, котельних установок, теплових мереж, вентиляції і кондиціювання повітря.

Для закріплення теоретичних знань і набуття необхідних вмінь і навичок передбачається проведення практичних занять.

Розрахунок трубопроводів різного призначення, підбір насосів та іншого обладнання основане на знанні законів і положень гідравліки. Тому при виконанні практичних робіт розглянуті тільки ті питання, які потребують студенти спеціальності «Монтаж і обслуговування теплотехнічного устаткування та систем теплопостачання».

В процесі проведення практичних робіт з дисципліни передбачається застосування наочних приладь (плакатів, моделей, таблиць), каталогів, зразків трубопроводів та теплообмінного обладнання, вимірювальних приладів.

При викладанні дисципліни передбачається використання прогресивних підходів до ведення навчального процесу, сучасних педагогічних технологій на основі досягнень психології і педагогіки, інформатизації і комп’ютеризації навчального процесу.

1. Загальні відомості з організації та виконання

практичних робіт

Мета практичних робіт – поглиблення та розширення знань, які були отримані студентами на теоретичних заняттях.

Виконання практичних робіт сприяє свідомому використанню отриманих знань на практиці, забезпечує активне та тверде їх засвоєння, вчить вірно їх використовувати при проведенні необхідних розрахунків.

1.1 Правила проведення та порядок виконання практичних робіт.

Проведення практичних робіт відбувається після відповідної теми. Студенти повинні передчасно готуватися до практичної роботи, щоб розібратися в сущності виконуємих робіт та бути готовими відповідати на надані питання.

Перед виконанням практичної роботи студенти повинні уважно вислухати пояснення викладача, зрозуміти мету роботи, сутність поставленого завдання та запам’ятати послідовність виконання роботи. Після вступного пояснення викладач розбиває учбову групу на окремі варіанти, які ведуть самостійну роботу.

Практичні роботи виконуються в робочому зошиті синіми чорнилами.

Термін виконання: 90 хвилин.

Розділ І. Гідростатика

2. Тема: Основне рівняння гідростатики.

Гідростатичний тиск та його властивості

Методичні вказівки.

Основне рівняння гідростатики: гідростатичний тиск в будь-якій точці рідини, яка знаходиться у спокої, дорівнює тиску на вільній поверхні, складеному з добутком питомої ваги рідини на глибину занурювання усієї крапки під вільну поверхню.

P = P₀ + γh

Види гідростатичного тиску:

1. Повний або абсолютний гідростатичний тиск розраховується по основному рівнянню гідростатики

P = P₀ + γh

2. Ваговий гідростатичний тиск дорівнює повному мінус тиск на свободній поверхні

Р_в = P – P₀ = γh

або ваговий тиск – це тиск, створений рідиною.

3. Манометрічний тиск або надмірний тиск дорівнює різниці повного гідростатичного тиску Р та атмосферного Р

Р_m = P_ман = P – P_а – γh

Коли сосуд відчинений, то

Р_ман = P_изб = γh

Одиниці виміру тиску

1) кгс/м²

2) н/м² = Па

Для практичних вимірів:

1 кгс/м² = 9,81 н/м² ≈ 10 н/м² = 10 Па.

3) мм. рт.ст. = 0,00136 кгс/см² = 133,3 н/м² = 133,3 Па

м. вод.ст. = 0,0001 кгс/см² = 9810 н/м²

1 атм = 0,98 ^. 10⁵ Па

4) Питома вага – вага рідини в одиниці об’єму.

γ = 1000 кгс/м³ = 1 гс/см³ = 1 тс/м³

γ_в = 9810 н/м³ = 0,00981 н/см³

Література

Л 1 стор. 24 – 38

Л 2 стор. 7 – 24

Питання для самоперевірки

1. Що називається гідростатичним тиском? Його властивості та види?

2. Як читається основне рівняння гідростатики?

3. В яких одиницях вимірюється гідростатичний тиск?

4. Назвіть прибори для вимірювання тиску.

5. В чому зміст закону Паскаля?

6. Назвіть принцип роботи гідравлічного пресу.

7. Сформулюйте закон Архимеда.

8. Назвіть умови стійкості плаваючого тіла.

Практична робота № 1

Вирішення задач за допомогою основного рівняння гідростатики.

Мета: використовуючи основне рівняння гідростатики, навчитись розраховувати гідростатичний тиск в різних одиницях вимірювання, а також визначати зусилля в гідростатичному пресі.

Обладнання та інструменти: інструкційна карта, мікрокалькулятор, довідкові таблиці.

Література

Л 1 стор. 24 – 38

Л 2 стор. 7 – 24

Завдання 1

Визначити всі види гідростатичного тиску в точці А сосуду з водою на глибині h =

Р_o = P_a = 10⁵ н/м², γ = 10⁴ н/м³

Вирішення

Абсолютний гідростатичний тиск в точці А визначаємо по формулі:

P = P₀ + γh

Р =

Надмірний гідростатичний тиск:

Р_изб = P – P_а

Р_изб =

Відповідь__________________

Завдання 2

В посудині І створено тиск Р_розр = н/см³. В відчиненій посудині ІІ рідина – вода з питомою вагою γ = 0,01 н/см³. Визначити значення вакууму та висоту стовпу води.

Вирішення

По формулі Р_υ = P_a – P_розр знаходимо значення вакууму:

Р_υ =

Висоту стовпу рідини знаходимо по формулі:

Відповідь__________________

Завдання 3

До резервуару заповненому газом з тиском Р_о = приєднана трубка, що опущена до посудини з ртуттю. Визначити h на яку підніметься ртуть у трубці, якщо вакуум у резервуарі складає м.вод.ст. Р_атм = 98,1 кПа, γр = 132850 н/м³.

Вирішення

Р_атм = 98,1 кПа = 98,1 ^. 10³ н/м²

P_вак = м.в.ст. = ^. 9810 = н/м²

З формули Р_атм = P_о + γh_вак знаходимо:

h_вак =

Відповідь__________________

Завдання 4

Визначити зусилля Q, яке необхідно додати до ричагу гідравлічного пресу для отримання зусилля Р_г = кН, якщо: в = м, а = м, D = мм, d = мм, η = 0,8.

Вирішення

По формулі:

визначаємо:

Q =

Відповідь__________________

Завдання 5

В U сосуд налили гліцерин та воду. Лінія розділу об’ємов знаходиться нижче вільної поверхні гліцерину на h_гл = м. Визначити рівень h між частинами сосуду, якщо питома вага гліцерину дорівнює γ_гл = 12260 н/м³, питома вага води γ_в = 9790 н/м³.

Вирішення

Тиски в т.А та т.В рівні, так як вони лежать в одній горизонтальній площині, тому:

γ_в h_в = γ_гл h_гл,

звідки

__________ . =

h = h_в – h_гл, =

Відповідь__________________

______

______

______

______

Оцінка____________________

3. Тема: Визначення сили тиску рідини і газу

на плоскі та криволінійні поверхні

Методичні вказівки.

1. Сила гідростатичного тиску на плоску поверхню, занурювальну в рідину, дорівнює добутку площі стінки на гідростатичний тиск в ії центрі ваги

P = γ h_G w

Абсолютний гідростатичний тиск визначається по формулі:

P = (P₀ + γ h_G ) w

Манометричний тиск визначається по формулі:

P = (P₀ + γ h_G – Р_а) w

2. Центр тиску – крапка прикладення сили повного гідростатичного тиску. Знаходження центру тиску при Р₀ = Р_атм залежить тільки від величини сили надмірного гідростатичного тиску. Центр тиску знаходиться нижче центру ваги.

3. Сила гідростатичного тиску на площу стінки, яка знаходиться під кутом α до горизонту, визначається по формулі:

P = P₀ + γ l sin α, де l – довжина стінки.

4. Сила тиску Р не залежить від форми та об’єму посудини.

5. Мінімальна товщина стінки труби знаходиться по формулі:

S = (Pd₀) / 2 σP,

де d₀ – dіаметр (внутрішній) труби,

σP – допустима напруженість стінки труби.

6. Мінімальна товщина дна резервуару знаходиться по формулі

S = (γHD₀) / 2 σP,

де D₀ – діаметр резервуару.

Питання для самоперевірки.

1. Як аналітично визначити силу гідростатичного тиску на плоску стінку.

2. Напишіть формули для визначення сили тиску та центру тиску.

3. В чому сутність гідростатичного парадоксу?

4. Напишіть формули для визначення сили гідростатичного тиску на плоске дно посудини (під кутом до горизонту та горизонтальне).

5. З яких складових складається сила гідростатичного тиску на циліндричну поверхню?

6. Напишіть формули для розрахунку товщини стінок труби та циліндрічного резервуару.

Практична робота № 2

Визначення сили гідростатичного тиску на плоску та криволінійну поверхню.

Мета: навчитись визначати силу гідростатичного тиску, розраховувати товщину стінок труб та резервуарів, визначати положення центру тиску, робити розрахунки плавучості тіл.

Обладнання та інструменти: інструкційна карта, мікрокалькулятор.

Література

Л 1 стор. 48 – 58

Л 2 стор. 24 – 27

Завдання 1

Площа дну відкритого резервуару м², височина шару води Н = м. Визначити силу тиску на дно резервуару. γ_в = 9,81 кн/м³.

Вирішення

Атмосферний тиск, що діє на поверхню води та дно резервуару, взаємоурівноважуються, тому по формулі P = (P_o + γH)F,

P = γHF =

Відповідь__________________

Завдання 2

Маємо резервуар, який зварено з чотирьох смуг, висотою в = м. Резервуар наповнений водою повністю (глибина води Н = в х 4 = м.) Діаметр резервуару D = м. Визначити товщину стінки нижньої смуги, якщо σP = 10000 н/см³, γ_в = 9,81 кн/м³.

Вирішення

Приймаємо запас на корозію d = 0,1 см. Надлишковий гідростатичний тиск у дна резервуара:

Р = γH = кн/м² = ___________ = н/см²

Товщина стінки резервуару:

Відповідь__________________

Завдання 3

Визначити мінімальну товщину стінки сталевої труби діаметром

d₀ = см, якщо тиск рідини Р = кгс/см ², та допустима напружненість матеріалу труби на ростягнення σP = 500 кгс/см ².

Вирішення

Товщину стінки сталевої труби визначаємо по формулі:

Відповідь__________________

Завдання 4

Маємо нахилену плоску прямокутну стінку. Ширина стінки В. Необхідно визначити силу надлишкового гідростатичного тиску на стінку та положення центру тиску. Н = м, В = м, γ = 10 кн/м³ – вода, α = 30⁰.

Вирішення

Визначаємо положення центру тиску:

звідки

Положення центру тиску тобто , де sin 30⁰ = 0,5.

Силу гідростатичного тиску визначаємо за формулою:

P = (P_o + γH)F,

де Н – глибина центру тиску.

F – площа,

Відповідь ___________________

Завдання 5

Прямокутний понтон, площа якого х м, пливе в воді. Визначити осадку h, якщо власна вага понтона з вагою на ньому G = кн., питома вага води γ = 10 кн/м ³.

Вирішення

По умові плавання тіл вагове водовміщення Р дорівнює G.

P = G =

По формулі P = γV, де V – об’єм погружної частини понтона

V = ^. h м²

Таким чином: P = G = V ^. γ ^. h = 10 ^. h, звідки:

h = ____________ = м.

Відповідь__________________

______

______

______

______

Оцінка____________________

Розділ ІІ. Гідродинаміка

4. Тема: Структура потоку, гідравлічні елементи.

Рівняння нерозривності потоку. Види руху рідини

Методичні вказівки.

Якщо в рідині, яка рушиться, виділити малу елементарну площу АW, яка перпендикулярна направленню течії, та провести лінії току, то одержана поверхня називається трубкою току, а сполученість ліній току, які проходять крізь площу АW створюють елементарну струмку.

Елементара струмка має наступні властивості:

1. Форма та положення елементарної струмки з рухом часу залишаються незмінними, т.к. не змінюються лінії току.

2. Приток рідини в елементарну струмку та відток з неї крізь бокову поверхню неможливий, т.к. по контуру елементарної струмки швидкості руху направлени по дотичній.

3. Швидкість та гідродинамічний тиск в кожній крапці січення елементарної струмки направлені по дотичній.

4. Гідравлічні елементи потоку:

- живе січення – поверхня в межах потоку, проведена перпендикулярно до лінії току.

- змочений периметр – довжина частини периметру живого січення, в межах якого поток торкається з твердими зовнішніми стінками.

- гідравлічний радіус – відношення площі живого січення до змоченого периметру R = W / K

5. Рівняння нерозривності потоку – витрати рідини крізь кожне січення потоку при встановленном русі є величина постійна.

Q_q = Q₂ = Q₃ = const

W₁V₁ = W₂V₂ = W₃V₃ =const

Питання для самоперевірки.

1. Що вивчає гідродинаміка. Назвіть основні елементи руху рідини.

2. Що називається траєкторією, лінією току, елементарною струмкою?

3. Назвіть гідравлічні елементи потоку.

4. Що називається витратою рідини? Що таке середня швидкість потоку? Напишіть основні формули для визначення Q, V, W.

5. Що називається установленим та неустановленим рухом рідини? Назвіть інші види руху рідини.

6. Напишіть рівняння нерозривності потоку.

Практична робота № 3

Розрахунок втрат, швидкостей руху та діаметрів трубопроводів.

Мета: оволодіти методикою розрахунку діаметрів трубопроводів, визначення швидкості руху та втрат рідини, використовуючи рівняння нерозривності потоку.

Обладнання та інструменти: інструкційна карта, мікрокалькулятор.

Література

Л 1 стор. 79 – 85

Л 2 стор. 32 – 55

Завдання 1

Визначити гідравлічний радіус живого січення потоку, який рухається в трапеціїдальному каналі h = м, a = м, α = 30^о.

Вирішення

Гідравлічний радіус визначаємо за формулою:

дe F – площа живого січення

ξ – смочений периметр

ξ = a + 2 c,

де c = h/cos α =

b = h ^. tg α =

(tg 30⁰ = 0,577; cos 30⁰ = 0,866)

ξ = м

F = м²

R = м

Відповідь__________________

Завдання 2

Визначити витрати води, яка рухається в трубі, діаметром м, з швидкістю м/с.

Вирішення

Площа труби або потоку визначаються за формулою:

= м²

Часова витрата води

Q =

В вагових одиницях G = Q ^. γ

γ = 1000 кгс/м³

G = 1000 ^. = кг/ч = т/ч

Відповідь ______________

Завдання 3

У скільки разів збільшиться швидкість руху рідини, якщо діаметр труби зменшиться/збільшиться в рази.

Вирішення

По завданню d₂ = d ₁

V₁

Відповідь ________________

Завдання 4

Маємо конічну трубу, для якої відомо, що d₁ = мм, d₂ = мм, v₂ = м/с. Визначить v₁ та витрати рідини в трубі.

Вирішення

Визначаємо площі живих січень

= м²

= м²

Середню швидкість та витрату рідини визначаємо з рівняння нерозривності потоку:

Q₁ = Q₂ = v₁w₁ = v₂w₂ = const

Середня швидкість

Витрата рідини :

Q₁ =

Q₂ =

Відповідь_____________

Завдання 5

Підібрати площу живого січення каналу прямокутного січення для пропуску витрати Q = л/с при середній швидкості руху v = см/сек.

Вирішення

Виразимо всі величини в єдиній системі одиниць Q = л/с =

= = м³/с

V = ______ см/сек = _____________ = м/сек.

По формулі визначаємо:

w =

Відповідь_________________________

______

______

______

______

Оцінка____________________

Розділ ІІ. Гідродинаміка

5. Тема: Рівняння Д. Бернуллі для реальної рідини.

Розкриття змісту рівняння.

Методичні вказівки

1. Повна питома енергія елементарної струмки

де - питома кінетична енергія,

- питома потенціальна енергія тиску та положення.

2. Рівняння Д.Бернуллі для потоку рідини

де α – коефіцієнт Коріоліса – коректив кінетичної енергії,

hw – витрати напору

3. Гідравлічне тлумачення рівняння Бернуллі:

швидкісний напір

Р/γ - п‘єзометрічна висота

Z – висота положення

Гідродінамічний напір

Hd =

4. Геометрічне тлумачення рівняння Бернуллі:

- середній п‘єзометрічний уклон

i = (Hd₁ – Hd₂) / l – середній гідравлічний уклон

i – hw / l

5. Енергетичний зміст рівняння Бернуллі.

- питома кінетична енергія

- питома потенціальна енергія

6. Практичне застосування рівняння Бернуллі – водомірний пристрій – водомір Вентурі. Для того, щоб визначити витрати в трубі, необхідно визначити різницю рівней води в п‘єзометрах та підставити в формулу

, де М – коефіціент витрати водоміра.

Питання для самоперевірки.

1. З чого складається повна питома енергія потоку рідини?

2. Рівняння Д.Бернуллі для потоку рідини. Який зміст рівняння?

3. Яке значення коефіцієнту Корісліса?

4. Що називається гідродінамічним напором?

5. Як визначити швидкістний напір?

6. Що має назву п‘єзометричного та гідравлічного уклону?

7. Назовіть витрати напору. Формули визначення витрат напору.

Тема. Експериментальна перевірка рівняння Бернуллі.

Мал. І

(1)

Рівняння (І) і є рівняння Д.Бернуллі для елементарної цівки реальної рідини при сталому русі, який встановлює зв’язок між швидкістю руху, тиском в рідини і положенням точки в просторі. Воно справедливе для будь-яких двох перетинів, оскільки перетини 1-1 і 2-2 були узяті довільно. Рівняння (1) можна зобразити і графічно (мал. І). Якщо з’єднати рівні рідини в п’єзометрах, приєднаних до декількох перетинів, отримаємо деяку лінію р-р, яка називається п’єзометричною лінією і показує зміну питомої потенційній енергії по довжині елементарної цівки. Якщо з’єднати точки, які в кожному перетині по вертикалі зображають повну питому енергію (а такі точки дійсно можна отримати, про що див.нижче), отримаємо деяку лінію N-N, яка називається напірною лінією або лінією енергії; вона показує зміну повної питомої енергії по довжині цівки. Тоді відстань по вертикалі в будь-якому перетині між горизонтальною площиною І-І, відповідає початковому запасу питомої енергії в першому перетині, і напірною лінією N-N дає величину втрат енергії hw на подолання сил опору на ділянці від першого перетину до даного перетину, а відстань між напірною і п’єзометричною лініями – питому кінетичну енергію в даному перетині u/2g.

Для ідеальної рідини, де відсутні сили тертя, в рівнянні (1) hw = 0, і рівняння Бернуллі приймає вигляд

(2)

Але оскільки перетини 1-1 і 2-2 узяті довільно, то в загальному вигляді рівняння Бернуллі для елементарної цівки ідеальної рідини записується так:

(3)

Розберемо застосування рівняння Д.Бернуллі на прикладі простого водомірного пристрою в трубах водоміра Вентурі (мал. 2); він є вставкою в основну трубу діаметром D труби меншего діаметру d, яка сполучена з основною трубою конічними переходами. У основній трубі (перетин 1-1) і в звуженому перетині (перетин 2-2) приєднані п’єзометри, за показниками яких можна визначити витрату рідини в трубі Q.

Мал.2

Виведемо загальну формулу водоміра для визначення витрати рідини в трубі. Складемо рівняння Бернуллі для точок, розташованих в центрі тяжіння перетинів 1-1 (перед звуженням) і 2-2 (у горловині), прийнявши площину порівняння по осі труби о-о. Для наших умов z₁ = z₂ = 0, α₁ = α₂ = α = 1. Втрати натиску в звуженні зважаючи на трохи відстані між перетинами вважаємо рівними нулю, тобто hw=0.

Тоді рівняння Д.Бернуллі запишеться так:

або

Проте з мал. 2

,

тому

(а)

У рівняння (а) дві невідомі величини v₁ і v₂. Складемо друге рівняння, використовуючи рівняння нерозривності

v₂ / v₁ = ω₁ / ω₂ = D² / d²,

Звідки

v₂ = v₁ ( D² / d²).

Підставляючи v₂ в рівняння (а), отримаємо

Звідси швидкість течії в основній трубі (перетин 1-1) дорівнює

а витрата рідини в трубі по формулі Q = v₁w₂

або

Позначимо постійну величину для даного водоміра через К.

Тоді (4)

Проте при виведенні цієї формули не враховувалися втрати натиску у водомірі, які насправді будуть. З урахуванням втрат натиску формула витрати водоміра Вентурі запишеться так:

(5)

де μ – коефіцієнт витрати водоміра, що враховує втрати натиску у водомірі. Для нових водомірі μ = 0,985; для водомірів, тих що були у використанні, μ = 0,98.

Таким чином, для визначення витрати в трубі досить заміряти різницю рівнів води в п’єзометрах і підставити її значення у формулу (5).

Практична робота № 4

Практичне використання рівняння Д. Бернуллі

Мета: навчитись будувати графічно енергетичну та напірну лінії, визначати за графіком повний п’єзометричний напори в кожному перерізі, вивчити практичне застосування рівняння Д. Бернуллі.

Обладнання та інструменти: інструкційна карта, графіка, лінійка, мікрокалькулятор.

Література

Л 1 стор. 103 – 110

Л 2 стор. 44

Завдання 1

Нанести на графік енергетичну та напірну лінії різними кольорами.

Завдання 2

Розкрийте застосування рівняння Д. Бернуллі, накресліть схему та надайте пояснення.

Завдання 3

Визначити постійну водоміра та витрати води в трубі, якщо відомо D = мм, d = мм, h = м, μ = 0,98, рідина – вода.

Вирішення

Визначимо постійну даного водоміра К по формулі :

=

Витрати води в трубі визначимо по формулі:

= м³/сек.= л/сек

Відповідь ________________

______

______

______

______

Оцінка____________________

Розділ ІІ. Гідродинаміка

6. Тема: Режими руху рідини. Досвід О. Рейнольдса.

Методичні вказівки

Існують два режиму руху рідини: ламінарне та турбулентне. Межою являється число Рейнольдса Re_кр = 2320. Якщо Re < 2320 – режим ламінарний, Re > 2320 – режим турбулентний.

Вперше наявність двох режимів руху рідини передбачив Д.І. Менделєєв.

Повне експериментальне дослідження режимів руху рідин виконав англійський фізик О.Рейнольдс. Режим руху, що відповідає струминному руху рідини, називається ламінарним (від лат. ламіна – шар).

Неупорядкований режим руху, під час якого відбувається змішування частинок рідини, називається турбулентним (від лат. турбулентус – неупорядкований).

Питання для самоперевірки.

1. Назвіть режими руху рідини.

2. Що означає та чому дорівнює число Рейнольдса?

Практична робота № 5

Визначення режимів руху рідини

Мета: навчитись визначати режими руху рідини.

Література

Л 1 стор. 114 – 117

Л 2 стор. 55 – 57

Завдання 1

Надайте пояснення до схеми установки Рейнольдса.

1 _________________________________________________________________

2 _________________________________________________________________

3 _________________________________________________________________

4 _________________________________________________________________

5 _________________________________________________________________

Завдання 2

Визначити режим руху води в трубі діаметром d = мм при швидкості руху V = м/сек; кинематичний коефіцієнт в’язкості v = 0,01 см²/с.

Вирішення

Визначаємо число Рейнольдса за формулою

де V – швидкість руху

v = кінематичний коефіцієнт в’язкості

Re =

що критичного числа Re_кр = 2320.

Відповідно, режим

Відповідь_____________

Завдання 3

Визначити число Рейнольдса для літака, який рухається з швидкістю

м/с, розмах крил м при температурі повітряного середовища 20⁰С.

Вирішення

В даному прикладі при визначенні числа Re лінійним розміром, що характеризує січення потоку, є не діаметр, а розмах крил літака, що дорівнює

м. По таблиці 2 додатку визначаємо кінематичний коефіцієнт в’язкості, що дорівнює м²/с.

Число Рейнольдса визначаємо за формулою:

що критичного числа Re_кр = 2320.

Відповідно, режим

Відповідь_____________

Завдання 4

Знайти число Рейнольдса та визначити режим руху для труби діаметром см, швидкості руху води м/сек при температурі рідини 20⁰С.

Вирішення

Для води при t = 20⁰С кінематичний коефіцієнт в’язкості (таблиця 2 додатку):

v = м²/сек. = ^.10⁴ см²/сек = см²/сек.

Чисел Рейнольдса визначаємо за формулою

що відповідає руху.

Відповідь_____________

______

______

______

______

Оцінка____________________

Розділ ІІ. Гідродинаміка

7. Тема: Місцеві опори та визначення коефіцієнту місцевих опорів

Методичні вказівки

1. Напір, який йде на переборювання місцевих сил тертя, називається витратами напору по довжині потоку (hl, m).

2. Напір, затрачений на переборювання місцевого опору, має назву місцевих витрат напору (hm, m).

3. Загальні витрати напору дорівнюють:

hw = hl + hm

4. Витрати напору на тертя по довжині потоку, які з’являються при рівномірному русі рідини, визначаються по рівнянню:

- формула Дари – Вейсбаха

де λ – коефіцієнт гідравлічного тертя,

l – довжина ділянки труби,

d – діаметр трубопроводу,

V – середня швидкість потоку

λ ( при ламінарному режимі)

5. Місцеві витрати напору визначаються по формулі

, де - швидкісний напір, ξ - коефіцієнт місцевого опору.

До місцевого опору належать: раптове розширення потоку, поступове розширення трубопроводу, поступове звуження трубопроводу, зміна напрямку потоку, арматура, трійники та хрестовини.

Раптове розширення потоку з’являється в місцях змінення січення трубопроводу з меншого на більше (рис.1).

Теорема Борда: витрати напору при раптовому розширенні дорівнює швидкісному напору, відповідному втраченій швидкості.

, або

, або

Плавне розширення – дифузор.

Витрати напору в дифузорі складаються з витрат на тертя по його довжині та витрат, пов’язаних з витратою енергії на розширення потоку (рис. 2).

Раптове звуження.

При раптовому звуженні спочатку здійснюється зжимання потоку, а потім розширення. Витрати напору при звуженні виникають головним образком на ділянці розширення (рис. 3).

Плавне звуження.

Витрати напору при зжиманні потоку різко знизяться, якщо здійснити плавне звуження, що називається конфузором (рис. 4).

Питання для самоперевірки.

1. Види гідравлічного опору та витрат напору.

2. Режими руху рідини.

3. Напишіть загальне рівняння для визначення витрат напору по довжині при ламінарному режимі?

4. Що називається коефіцієнтом гідравлічного тертя по довжині?

5. Розкрийте поняття гідравлічно гладкі та гідравлічно шорстки труби. Що називається шорсткістю?

6. Як визначаються витрати напору по довжині при турбулентному режимі?

7. Види місцевого опору. Методи визначення місцевого опору та витрат напору.

Практична робота № 6

Визначення втрат напору при місцевому опорі.

Мета: навчитись визначати види місцевого опору. Вміти по формулам визначати втрати напору при місцевому опорі, проаналізувати залежність коефіцієнту гідравлічного опору від швидкості руху рідини.

Обладнання та інструменти: інструкційна карта, мікрокалькулятор, довідкові таблиці.

Література

Л 1 стор. 153 – 160

Л 2 стор. 75 – 83

Завдання 1

Назвати види місцевих опорів.

1 ____________________________________________________________

2 ____________________________________________________________

3 а __________________________________________________________

б___________________________________________________________

4 ____________________________________________________________

Завдання 2

Визначити витрату напору при раптовому розширенні в трубопроводі, якщо d₁ = мм, d₂ = мм, та швидкість в широкому січенні V =

м/сек.

Вирішення

Витрати напору визначаємо за формулою:

=

Відповідь ___________________

Завдання 3

Визначити втрату напору при звуженні трубопроводу, якщо діаметр широкого січення d₁ = мм, вузького d₂ = мм, та швидкість в вузькому січенні V = м/сек.

Вирішення

Накресліть схему раптового звуження.

,

По таблиці 3 (додаток) знаходимо ξ =

Витрати напору знаходимо за формулою

Відповідь _______________________

Завдання 4

Визначити витрату напору при вході води з резервуару в трубу, швидкість руху води в трубі V = м/сек. ξ =

Вирішення

Витрати напору знаходимо за формулою:

Відповідь _______________________

______

______

______

______

Оцінка____________________

8. Тема: Основи гідравлічного розрахунку трубопроводів.

Методичні вказівки.

Основна задача гідравлічного розрахунку трубопроводів полягає в означенні діаметрів труб для пропуска необхідної витрати води та напору.

Чотири величини – витрати Q, швидкість V води, діаметр трубопроводів d та витрати напору hw – являються змінними та взаємозалежнимі між собою. Іх зв’язують рівняння сталості витрати та формули загальних витрат напору при рівномірному русі; а також формули визначення місцевого опору.

Гідравлічний розрахунок виконують по методам:

1) питомого гідравлічного опору;

2) питомих витрат напору на тертя;

3) зведеного коефіцієнту місцевого опору на тертя;

4) зведення місцевого опору до лінійного.

При розрахунку системи опалення обов’язково, щоб витрати напору на паралельних ділянках були рівними. Потім, по заданим витратам води підбираємо діаметри трубопроводів та визначаємо витрати напору в кільці крізь дальній стояк. Потім визначаємо напір Нр в кожному проміжному стояці. Підрахувув Нр знаходимо діаметри стояків, ураховуючи при цьому наступні умови:

1) витрати води в кожному стояці дорівнюють заданому;

2) Нр повинен бути повністю витрачено.

Питання для самоперевірки.

1. Надайте чотири основних розрахункових випадків гідравлічного розрахунку трубопроводів.

2. В чому полягає сутність розрахунку тупікової мережі?

3. В чому полягає сутність розрахунку кільцевого трубопроводу?

4. Надайте основні формули для розрахунку трубопроводів.

Практична робота № 7

Гідравлічний розрахунок трубопроводів.

Мета: оволодіти методикою гідравлічного розрахунку трубопроводів.

Обладнання та інструменти: інструкційні карти, мікрокалькулятор, довідкові таблиці.

Література

Л 1 стор. 192

Л 2 стор. 88

Завдання 1

Визначити діаметр та витрати напору в відгалуженнях від магістралі, довжина якої l = м. Необхідні витрати води в вітвіленні Q =

л/с. Напір в магістралі Нр = м. Місцевий опір в вітвіленні не враховувати. Необхідний вільний напір в кінці вітвілення м.

Вирішення

Приймаємо швидкість води в відгалуженні V = 1,2 м/сек..

По формулі

визначаємо:

d =

Приймаємо d =

З таблиці 4 додатку В приймаємо А =

тоді hmp = AlQ²

де hmp – витрати напору, м

l – довжина відгалуження

Q – витрата, л/с.

hmp =

Необхідний мінімальний напір в магістралі Н =

що Нр

Приймаємо d =

тоді: швидкість руху

V₁ = V (d/d₁)² = м/с

По таблиці 6 додатку В приймаємо значення коефіцієнту К (т. як швидкість руху 1,2 м/с)

К₁ =

А =

hmp =

Н =

Запас напору дорівнює

Відповідь ___________________

Завдання 2

Визначити витрати води в паралельних гілках трубопроводу, якщо сумарні витрати складають ∑ Q = л/с. Різниця напору між крапками А та Б Н = м, діаметр кожної гілки d = мм, витрати напору на місцевий опір не враховувати. Довжини ділянок l₁ = м, l₂ =

мм, l₃ = м.

Вирішення

По формулі hmp = AlQ²

де А – питомий лінійний опір

l – довжина, м

Q – витрата, л/с

визначаємо гідравлічний опір кожного трубопроводу з урахуванням того, що А₁ = А₂ = А₃ = А.

S₁ = Al₁ =

S₂ = Al₂ =

S₃ = Al₃ =

Необхідна проводимість кожної гілки

_______________

∑ Р =

Витрати в гілках визначаємо за формулою:

_______________

∑ Q =

де Q_заг – загальна витрата в трубопроводі, л/сек.

Відповідь ______________

Завдання 3

Напір Нр = Δ Н = 4 м, довжина трубопроводу l = м, витрати води Q = л/с, Н_св = м. Виконати гідравлічний розрахунок водопроводу, з урахуванням місцевого опору.

Вирішення

Приймаємо швидкість руху V = 0,8 м/сек та визначаємо за формулою:

діаметр трубопроводу d =

Приймаємо d_у =

По таблиці 4 додатку В знаходимо А =

та визначаємо дійсне значення швидкості за формулою:

де V – початкова швидкість,

d₁ = d_у

По таблиці 6 додатку В знаходимо значення поправочного коефіцієнту до швидкості К =

Місцевий опір:

Вхід з баку в трубу ξ =

з відводу ξ =

вентиль ξ =

_________________

∑ ξ =

Витрати напору визначаємо за формулою:

=

Фактичний вільний напір:

Н_св = Нр – h_пот

Відповідь___________

______

______

______

______

Оцінка____________________

9. Тема: Основи гідравлічного розрахунку трубопроводів.

Розрахунок сифонного трубопроводу та всмоктуючих труб насосів.

Методичні вказівки.

1. Трубопроводи класифікуються:

а) по принципу роботи на напірні та безнапірні;

б) в залежності від того, як змінюється витрата рідини по довжині на прості та складні;

в) в залежності від виду витрат напору на “довгі” та “короткі”

2. Основними формулами для розрахунку трубопроводів являються:

- рівняння Бернуллі:

- формула Шезі:

R – радіус трубопроводу,С – коефіцієнт Шезі

,

де К – характеристика витрати (модуль витрати),

і – гідродинамічний уклон

3. Сифон – це самотечний трубопровід, частина якого знаходиться нижче рівня рідини в посудині, з якої падає рідина.

4. Для нормальної роботи сифону необхідно, щоб мінімальний абсолютний тиск в трубі сифону був не нижче тиску пароутворювання, інакше виникне розрив потоку.

5. Метою розрахунку сифону є визначення допустимої висоти h₂, швидкісного напору та мінімального тиску в сифоні.

6. Всмоктуючий трубопровод насосу – короткий трубопровод від міста забора води до насосу.

7. Метою розрахунку насоса являєтся розрахунок вакууметрічної висоти всмоктування.

Розрахунок сифонового трубопроводу

Сифоном називають зігнутий самотечний трубопровід, частина якого розташована вище за рівень рідини в резервуарі, звідки вона забирається. Рух рідини з судини А в судину Б відбувається унаслідок різниць рівнів Н. Тиск в сифоновому трубопроводі буде менше атмосферного, оскільки він розташований над рівнем рідини в даних резервуарах. Найбільш важливим завданням при розрахунку сифона є визначення максимально допустимої висоти h₂ при заданих розмірах трубопроводу і відомому натиску Н. По мірі збільшення h₂ знижується тиск в сифоні, і коли воно досягне тиску паротворення, то наступить кавітація, сплошность потоку рідини порушиться, и вона перестане текти.

Мал.

Для визначення граничної висоти h₂ складемо рівняння Бернуллі для перетинів 2 – 2 і 1 – 1, в якому буде мінімальний тиск в сифоні, приймаючи за площину порівняння перетин 2 – 2,

Перепишемо отримане рівняння з урахуванням того, що довжина труби 1 на ділянці сифонового трубопроводу заввишки h₂ приблизно рівна самій висоті:

Визначимо з отриманого рівняння величину h₂, враховуючи, що коефіцієнт місцевого опору на виході з труби ζ₃ = 1,

Швидкісний натиск в трубопроводі Н знайдемо з рівняння Бернуллі, складеного для перетинів 1 – 1 и 2 – 2,

звідки

З урахуванням отриманого шукана висота h₂ буде рівна

Граничне значення h₂ знаходимо з умови виникнення кавітації, коли р₁ рівно тиску пари рідини при даній температурі.

Всмоктуючий трубопровід насоса (мал. ) – короткий трубопровід від місця огорожі води до насоса.

Мал.

Складемо рівняння Бернуллі для перетинів 1 – 1 і 2 – 2, приймаючи за площину порівняння перетин 1 – 1, і визначимо величину вакууму у всмоктуючому трубопроводі насоса:

де h_r – висота установки насоса (геометрична висота всмоктування).

Отримане рівняння показує, що процес всмоктування (під’їм рідини на висоту h_r), повідомлення їй певній швидкості і подолання всіх гідравлічних опорів відбувається наслідок використання атмосферного тиску за допомогою насоса. З цього рівняння визначимо вакуумметричну висоту всмоктування:

Аналіз цього виразу показує, що для зменшення вакууму у всмоктуючому трубопроводі насоса необхідно зменшити висоту установки насоса, гідравлічні опори і швидкість руху рідини. Тому всмоктуючі трубопроводи повинні бути короткими, значного діаметру і з найменшим числом місцевих опорів.

Питання для самоперевірки.

1. Надайте класифікацію трубопроводів по призначенню, матеріалам, принципу роботи.

2. Напишіть основне рівняння для визначення витрат напору по довжині.

3. Що має назву сифона?

4. В чому полягає принцип розрахунку сифонів?

5. Назвіть призначення всмоктуючих труб насосів.

6. В чому полягає принцип розрахунку всмоктуючих труб насосів?

Практична робота № 8

Розрахунок сифоного трубопроводу та всмоктуючих труб насосів.

Мета: оволодіти методикою розрахунку сифонів та всмоктуючих труб насосів.

Обладнання та інструменти: інструкційна карта, мікрокалькулятор.

Література

Л 1 стор. 177

Завдання 1

Сифоним трубопроводом повинна подаватись вода до берегового колодезя. Діаметр труби d = мм, загальна довжина l = .

На трубопроводі встановленні: приймальна сітка, два коліна та засувка.