Описание опытной установки

Опытная установка (рис. 2) состоит из напорного бака 1 с водой, трубопровода 2, на котором установлены шаровый кран 3, 4 и пьезометры 6, мерного бачка 5. После от­крытия крана 3 вода из бака поступает в трубопровод 2, при этом в трубках пьезометров 6 вода устанавливается на некотором уровне. Кран 4 служит для регулировки скорости движения воды в трубопроводе.

Порядок выполнения лабораторной работы

1. Открыть кран 3, с помощью крана 4 установить небольшой расход Q воды в трубе 2.

2. С помощью секундомера определить время t наполнения слоя воды с в мерном баке 5.

3. Замерить разность уровней жидкости h в пьезометрах 6.

4. Увеличивая расход воды Q с помощью крана 4 провести 4 аналогичных замера при ламинарном и 5 замеров при турбулентном движении. Определить расход жидкости в момент перехода ламинарного движения в турбулентное. Закончив измерения, закрыть кран 4.

Таблица 1

Экспериментальные данные и обработка результатов

Величины	Ед. изм.	Номера опытов
Высота слоя воды в мерном баке, с	см
Время наполнения, t	с
Объем воды, V	см3
Расход, Q = V / t	см/с
Диаметр, d	см	3,3
Площадь,	см2
Скорость,	см/с
Число Рейнольдса,	б. р.
Потери напора,	см

Обработка опытных данных

1. Определить объем воды V, см³, заполнения мерного бака. Размеры мерного бака: а=19 см, b=44 см.

.

2. Определить расход Q,зная время t, с, заполнения объема воды V в мерном баке по формуле:

.

3. Определить скорости движения воды в трубе 2 зная, что:

,

где – площадь поперечного сечения трубы.

4. Определить значение числа Рейнольдса

,

где ν – кинематический коэффициент вязкости воды, .

5. Данные занести в табл. 1 и построить график зависимости h = ƒ(υ) в прямоугольных координатах.

6. По графику определить скорость υ_к в момент перехода линейной зависимости h=ƒ(υ) в криволинейную и сравнить ее с величиной полученной путем измерения как:

.

7. Вычислить Re_к для υ_к определенной по графику.

8. Привести пример расчета.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4

«ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ТРЕНИЯ
ПРИ ДВИЖЕНИИ ЖИДКОСТИ В КРУГЛОЙ ТРУБЕ»

Цель работы:

Определить коэффициент гидравлического трения при ламинарном и турбулентном режимах движения жидкости по трубопроводу.

Общие сведения

При движении жидкости по прямому трубопроводу постоянного сечения часть удельной механической энергии затрачивается на преодоление сил трения как внутри жидкости, так и о стенки трубопровода и носит название потерь напора по длине .

Записывая уравнение Бернулли для двух сечений потока, можно определить потери удельной энергии на участке между сечениями I-I и II-II:

(1)

, (2)

так как . (3)

Отсюда следует, что потери напора можно определить по показаниям пьезометров, установленных в рассматриваемых сечениях.

Теоретически потери напора по длине определяются по формуле Дарси – Вейсбаха:

(4)

где L – длина рассматриваемого участка трубопровода;

d – диаметр рассматриваемого участка;

– средняя скорость движения жидкости;

– коэффициент гидравлического трения (гидравлического сопротивления);

g – ускорение свободного падения, м/с².

Коэффициент гидравлического трения является функцией, зависящей как от свойств жидкости (вязкости, плотности), так и параметров трубопровода (диаметра, шероховатости стенок) и условий течения (средней скорости).

Из этих независимых размерных величин можно получить два безразмерных параметра, а именно:

1. Параметр Рейнольдса: (5)

2. Относительную шероховатость: ,

то есть установить зависимость: .

При ламинарном режиме движения жидкости , то есть , коэффициент гидравлического трения зависит только от числа , . Для определения коэффициента гидравлического трения используют формулу Стокса:

(6)

Для турбулентного режима движения из-за сложности происходящих при этом явлений расчетные формулы для определения коэффициента гидравлического трения могут быть получены лишь при принятии определенных гипотез с последующей проверкой полученных результатов экспериментом.

По наиболее распространенной гипотезе Прандтля турбулентный поток состоит из ядра течения и ламинарного слоя, между которыми находится переходная область (рис.1).

При турбулентном режи­ме различают четыре основные зоны чисел :

Если , то режим течения называется «переходный турбулентный» и коэффициент гидравлического трения определяется по формуле Френкеля:

, (7)

2. При относительно небольших числах – – ( – относительная шероховатость внутренней поверхности трубопровода), когда ламинарный слой закрывает шероховатость стенок трубопровода, возмущения, возникающие при обтекании жидкостью выступов шероховатости, быстро в нем затухают и практически не сказываются на коэффициенте гидравлического трения. Эта зона турбулентного режима называется «зоной гидравлически гладких труб». В этом случае коэффициент гидравлического трения определяется по формуле Блазиуса:

. (8)

3. С увеличением числа ламинарный слой уменьшается. Когда его толщина становится одного порядка с высотой выступов шероховатости, то в этой зоне коэффициент гидравлического трения зависит не только от числа , но и от шероховатости стенок: . Эта зона смешанного трения, . Коэффициент гидравлического трения определяют по формуле Альтшуля:

. (9)

4. Зона, в которой число называется зоной квадратичного сопротивления (зона вполне шероховатых труб). В этой зоне коэффициент гидравлического трения зависит только от относительной шероховатости стенок: и определяется по формуле Шифринсона:

. (10)

Графически эти зависимости отражены в графиках Никурадзе
(рис. 2).

Рис. 2. График Никурадзе

Для новых стальных труб значение коэффициента λ может находится также по номограмме Г.А. Мурина (рис. 3).