Охрана труда при выполнении лабораторной работы
ЦелЬ работы
1.1.Ознакомиться с природой потерь в местных гидравлических сопротивлениях;
1.2.Изучить учебную установку "Гидродинамика ГД-05М";
1.3.Экспериментально определить коэффициенты местных гидравлических сопротивлений.
1.4.Определить коэффициенты местных гидравлических сопротивлений по формулам и сравнить их с коэффициентами, найденными экспериментально.
Общие сведения
Местное гидравлическое сопротивление представляют собой короткий участок трубопровода, на котором скорость потока изменяется по величине
или направлению в результате изменения размеров или формы сечения трубопровода, а также направления его продольной оси.
Потери механической энергии, возникающие при деформации потока
в местном сопротивлении, отнесённые к единице веса протекающей жидкости, называются потерями напора и рассчитываются по формуле
, (1)
где – безразмерный коэффициент местного сопротивления;
– средняя скорость потока жидкости в характерном сечении трубопровода (обычно это сечение берётся непосредственно перед местным сопротивлением или после него).
Все местные сопротивления разделяют на простые и сложные.
К простым местным сопротивлениям относятся:
- внезапное расширение русла (рис. 1, а);
- постепенное расширение русла (диффузор) (рис. 1, б);
- внезапное сужение русла (рис. 1, в);
- постепенное сужение русла (конфузор) (рис. 1, г);
- резкий поворот русла (колено) (рис. 1, д);
- плавный поворот русла (отвод) (рис. 1, е);
- плавный поворот русла (угольник) (рис. 1, ж).
Все остальные местные сопротивления относят к сложным, которые представляют собой ту или иную комбинацию простых местных сопротивлений[2].
Потери напора на местных сопротивлениях складываются из вихревых потерь и потерь на трение.
Известно, что потери на трение вызываются торможением потока стенками, которое приводит к неравномерному распределению скоростей по сечениям потока и к появлению напряжений трения между смещающимися струйками жидкости.
В местных гидравлических сопротивлениях, там, где имеет место деформация потока, неравномерность распределения скоростей возрастает, что вызывает увеличении местных потерь.
Рис.1 Классификация простых местных сопротивлений
Вихревые потери связаны с отрывами потока от стенок, возникающими при резких изменениях конфигурации русла. При этом происходят интенсивные вихреобразования, которые приводят к значительному увеличению местной потери напора.
Значение в общем случае зависит от формы местного сопротивления, шероховатости его стенок, условий входа и выхода потока из него и основного критерия динамического подобия напорных потоков – числа Рейнольдса.
Число Рейнольдса определяется по формуле
,
где – средняя скорость потока жидкости;
– внутренний диаметр трубы;
– кинематическая вязкость жидкости.
Уравнение Бернулли для сечений 1-1 и 2-2 (сечения перед и после данного местного сопротивления)
, (2)
где – пьезометрические напоры (показания пьезометров) в сечениях до и после данного местного сопротивления;
– скоростные напоры в сечениях до и после данного местного сопротивления;
– потерянный напор на данном местном сопротивлении.
Из (2)
, (3)
Для всех местных сопротивлений, кроме внезапного расширения и внезапного сужения, второе слагаемое в формуле (3) равно нулю;
Коэффициент местного сопротивления
, (4)
где - скоростной напор в меньшем сечении перед или после местного сопротивления.
Для простых местных сопротивлений коэффициенты могут быть рассчитаны по эмпирическим зависимостям [3, 4], а для сложных – определяются экспериментально.
Внезапное расширение.
Для внезапного расширения трубопровода местная потеря напора при больших числах Рейнольдса выражается формулой Борда-Карно
или
,
где – коэффициент сопротивления внезапного расширения
; (5)
– средние скорости в узком (входном) и широком (выходном) сечениях потока;
- площади этих сечений.
Если площадь весьма велика, по сравнению с площадью и скорость можно считать равной нулю, то потери напора на расширение
,
т.е. в этом случае теряется весь скоростной напор (вся кинетическая энергия, которой обладает жидкость); коэффициент потерь . Такому случаю соответствует выход жидкости из трубопровода в резервуар больших размеров.
Внезапное сужение.
При внезапном сужении трубопровода, местная потеря напора
,
где – коэффициент сопротивления внезапного сужения
(6)
Из формулы следует, что в частном случае, когда , т.е. при входе жидкости из резервуара достаточно больших размеров в трубу и при отсутствии закругления входного угла, коэффициент потерь
Внезапный поворот трубы.
В случае внезапного поворота трубы (колено без закругления) потеря напора
,
где – коэффициент сопротивления колена.
Для колена круглого сечения изменяется с изменением угла по параболическому закону.
Коэффициент может быть определен из таблицы 1.
Таблица 1
Зависимость коэффициента сопротивления резкого
поворота круглой или квадратной трубы от угла
| , градусы | , градусы | ||
| 1,190 | |||
| 0,155 | 1,860 | ||
| 0,318 | 2,600 | ||
| 0,555 | 3,200 | ||
| 0,806 | 3,600 |
Угольник
Угольник представляет собой разновидность плавного поворота. Он отличается от плавного поворота трубы (отвода) соотношением размеров: при одном и том же внутреннем диаметре трубы радиус кривизны R, длина и высота L у угольника меньше, чем у отвода, а, следовательно, коэффициент сопротивления угольника больше, чем отвода.
Коэффициент зависит от угла поворота и при может быть определен по таблице 2.
Таблица 2
Значения коэффициента при
| d | L | d | L | ||
| мм | мм | ||||
| 12,7 | 2,19 | 38,1 | 1,60 | ||
| 25,4 | 1,98 | 50,8 | 1,07 |
Содержание лабораторной работы
Экспериментальным путём получить потерянный напор на местных сопротивлениях для потока жидкости в трубе с местными сопротивлениями, расположенной горизонтально. Труба между местными сопротивлениями имеет контрольные сечения, к которым подключены пьезометры. Нумеруются сечения по ходу движения жидкости i =1,2,…6. Совместив плоскость сравнения с продольной осью трубы, принимаем . Расход жидкости в трубе . Режим течения – турбулентный, .
В ходе эксперимента величины измеряются пьезометрами, скоростные напоры вычисляются по результатам косвенного измерения расхода в трубе, а потери полного напора на местных сопротивлениях оцениваются разностью между полными напорами в контрольном сечении перед местным сопротивлением и полным напором в контрольном сечении после местного сопротивления. По полученным данным определяются коэффициенты местных сопротивлений для трех расходов воды и рассчитываются средние значения коэффициентов местных сопротивлений
4. УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ
УЧЕБНОЙ УСТАНОВКИ
4.1. Устройство установки (рис.2).
Установка состоит из горизонтально расположенного трубопровода, состоящего из труб 2, 4, 6, 8, 10 диаметром 36 мм, трубы 5 диаметром 81 мм, угольника 3, муфты 7 и резкого поворота 9, к которым присоединены шесть пьезометров П1 – П6, ротаметр РТ1. Таким образом, трубопровод содержит пять местных гидравлических сопротивлений: угольник, внезапное расширение, внезапное сужение, муфту и резкий поворот.
Основные размеры местных гидравлических сопротивлений приведены в таблице 3.
Верхние концы пьезометров присоединены к воздушному коллектору 12, который через вентиль ВН3 может соединяться с атмосферой.
Рис. 2 Принципиальная гидравлическая схема учебной установки
«Гидродинамика ГД-05М»
Таблица 3
Параметры местных сопротивлений
| № | Местное сопротивление | Основные размеры |
| Угольник | ||
| Внезапное расширение | ||
| Внезапное сужение | ||
| Муфта | ||
| Внезапный поворот |
Трубопровод одним концом присоединен через вентиль ВН1 к напорному баку Б1 системы оборотного водоснабжения лаборатории. Другой конец трубопровода после ротаметра через вентиль ВН2 и трубу 11 соединен напрямую со сливным баком системы оборотного водоснабжения. Вентилями ВН1 и ВН2 можно регулировать расход воды в трубопроводе. После вентиля ВН2 установлен биметаллический термометр Т1.
Ротаметр – прибор для измерения расхода. Устройство ротаметра изображено на рис.3. Корпус прибора выполнен в виде вертикальной стеклянной трубки, расширяющейся кверху (угол конусности от 35/ до 5°35/). Внутри трубки помещается поплавок с постоянным сечением S. Поплавок свободно может передвигаться вдоль оси прибора, изменяя тем самым кольцевую площадь между поплавком и стенками трубки.
Принцип действия ротаметра заключается в следующем. На поплавок действует сила давления и вес поплавка с учетом выталкивающей силы.
,
где Р1 – давление перед поплавком;
Р2 – давление за поплавком;
Вес поплавка и выталкивающая сила постоянны для данной жидкости. При увеличении расхода жидкости давление Р1 тоже увеличивается, поплавок начинает всплывать, увеличивая площадь щели для протекания жидкости, и остановится при восстановлении равновесия сил, действующих на поплавок. Таким образом, мерой расхода может служить положение поплавка. На внешней поверхности стеклянной трубки наносится безразмерная шкала. Отсчет расхода берется по верхней кромке поплавка. По тарировочному графику ротаметра (рис.5) отсчет, полученный в безразмерных единицах, переводится в расход в см3/с. Тарировочный график – зависимость расхода от положения поплавка прилагается к техническому паспорту ротаметра.
Рис. 3. Устройство ротаметра
4.2. Принцип действия установки (Рис.2).
К установке вода подводится по трубе 1 от напорного бака Б1 системы оборотного водоснабжения лаборатории. В баке Б1 с помощью насоса Н1 и автоматики (или переливной трубы 15) поддерживается неизменный уровень воды, и, таким образом, при любом открытии вентилей ВН1 и ВН2, обеспечивается постоянный расход потока в исследуемой трубе с местными сопротивлениями.
Вода поступает в трубу 2 по трубе 1, через входной вентиль ВН1.
Вентилями ВН1 и ВН2 можно отрегулировать нужный расход воды через трубу
Пьезометры П1-П6 измеряют пьезометрический напор в шести сечениях исследуемой трубы до и после каждого местного сопротивления. Воздушный коллектор 12, соединяющий верхние концы пьезометров, позволяет уменьшить габариты учебной установки, т.к. измерение пьезометрического давления производится при повышенном внешнем (атмосферном) давлении. Вентиль ВН3 предназначен для регулирования положения пьезометрической линии путём выпуска воздуха из воздушного коллектора 12.
Внимание! Пользуясь вентилем ВН3, не допускайте попадания воды из пьезометров в воздушный коллектор 12.
Расход воды в установке измеряется в делениях безразмерной шкалы (по верхней кромке поплавка) ротаметра РТ1. По тарировочному графику (рис.5) определяется расход воды в см3/с.
Температура воды измеряется термометром Т1.
Охрана труда при выполнении лабораторной работы
5.1. Не загромождайте рабочее место около установки.
5.2. Не опирайтесь на стеклянные трубки пьезометров.
5.3. Следите за отсутствием течи воды на стыках труб и вентилей.
5.4. К работе с использованием учебной установки, разрешается приступать после:
– прохождения инструктажа по «Инструкции по охране труда при работе студентов на учебных установках в лаборатории гидравлики и гидравлических машин. ИОТ-048-2005»;
– изучения методических указаний к лабораторной работе, разработанной с применением учебной установки «Гидродинамика ГД-05М»;
– руководства по эксплуатации учебной установки.
5.5. Не работайте на не исправной учебной установке, не ремонтируйте её.
5.6. Не включайте насосы системы оборотного водоснабжения лаборатории, это разрешается делать только обученному персоналу лаборатории.
5.7. Лабораторную работу разрешается выполнять в соответствии с методическими указаниями к ней и только в присутствии преподавателя или учебного мастера.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
6.1. Расположение органов управления и измерительных приборов приведено на рис.4.
6.2. Подготовка к работе.
6.2.1. Проверьте, что рабочее место установки не загромождено и нормально освещено.
6.2.2. Проверьте исходное состояние установки: вентили ВН1, ВН2, ВН3, закрыты.
Рис. 4. Общий вид учебной установки «Гидродинамика ГД-05М»
6.2.3. Включить автоматику поддержания постоянного уровня воды в напорном баке Б1 насосом Н1 (рис.2) системы оборотного водоснабжения лаборатории. Включение автоматики производит преподаватель или работник лаборатории.
6.2.4. Откройте вентиль ВН1, установите уровень воды в пьезометрах на высоте 55 – 58 см
6.2.4.1. Если уровень воды в пьезометрах ниже 55 см. Приоткройте вентиль ВН3 – уровень воды в пьезометрах станет подниматься. Когда вода поднимется в заданную область 55 – 58 см, закройте вентиль ВН3.
6.2.4.2. Если уровень воды в пьезометрах выше 58 см. Закройте вентиль ВН1, откройте вентиль ВН2 и подождите пока выровняются уровни воды в пьезометрах. Приоткройте вентиль ВН3 – уровень воды в пьезометрах станет опускаться, когда вода опустится до уровня 35 см, закройте вентиль ВН3. Закройте вентиль ВН2 и откройте вентиль ВН1 – уровень воды в пьезометрах установиться в заданную область 55 – 58 см.
6.3. Проведение работы.
6.3.1. Откройте вентиль ВН2 - наблюдайте всплытие поплавка ротаметра РТ1 и движение уровней воды в пьезометрах; установите некоторый постоянный расход, заданный преподавателем.
6.3.2. Выждите 1 - 2 минуты пока из установки не удалятся последние пузырьки воздуха, и вода в пьезометрах не установится на постоянных уровнях.
6.3.3. С помощью пьезометров измерьте пьезометрические напоры с точностью не менее 0,2 см. При этом, вследствие турбулентных пульсаций в потоке и некоторых других причин, уровень воды в пьезометрах может незначительно колебаться. Для повышения точности, измерения рекомендуется делать вдвоём (по три пьезометра) по команде бригадира "отсчёт!". Одновременно третий член бригады измеряет расход воды по положению верхней кромки поплавка ротаметра с точностью полделения.
6.3.4. Запишите в протокол (таблица 4)
– показание ротаметра (в делениях безразмерной шкалы с точностью полделения);
– показания пьезометров (в сантиметрах с точностью 0,2 см);
6.3.5. Повторите пункты 6.3.1. – 6.3.4. для ещё двух расходов, заданных преподавателем;
6.3.6. Снимите показания температуры воды по шкале термометра Т1, запишите в протокол испытаний (в градусах Цельсия с точностью 0,5°С).
6.4. Выключение установки.
6.4.1. Закройте вентиль ВН2. Уровень воды в пьезометрах начнёт выравниваться.
6.4.2. Закройте вентиль ВН1.
6.4.3. Проверьте исходное состояние учебной установки: все вентили закрыты.
6.4.4. Выключить автоматику оборотного водоснабжения лаборатории.. Выключение автоматики производит преподаватель или работник лаборатории.
ОБРАБОТКА ОПЫТНЫХ ДАННЫХ
7.1. Определите объёмные расходы жидкости по тарировочному графику (рис. 5).
Рис. 5. Тарировочный график ротаметра РС-7
7.2. По известным значениям расходов и площадей вычислите средние скорости жидкости в контрольных сечениях
, см/с.
7.3. Определите кинематическую вязкость воды для измеренной температуры по графику зависимости вязкости от температуры (рис. 6).
Рис. 6. Зависимость кинематической вязкости воды от температуры
7.4. Определите числа Рейнольдса по формуле
для сечения 3, чтобы убедиться, что эксперимент проводился при турбулентном режиме течения жидкости. Если Re равно или больше 2320, то режим турбулентный, и коэффициент Кориолиса можно принять для всех сечений, т.к. для сечений меньшего диаметра Re будет ещё больше.
7.5. Вычислите скоростные напоры в каждом контрольном сечении, приняв ускорение свободного падения см/с2.
Результаты вычислений по пунктам 7.1 – 7.5 внести в таблицу 4
Таблица 4
| Температура Θ = °С; кинематическая вязкость = см2/с | |||||||||
| Величины | Раз-мер-ность | № сечений (пьезометров) | |||||||
| дел. | см3/с | ||||||||
| Диаметр трубы в сечении d, | см | 3,60 | 3,60 | 8,10 | 3,60 | 3,60 | 3,60 | ||
| Площадь сечения трубы S, | см2 | ||||||||
| Пьезометрический напор | см | ||||||||
| Средняя скорость , | см/с | ||||||||
| Число Рейнольдса Re | |||||||||
| Скоростной напор | см | ||||||||
| Пьезометрический напор | см | ||||||||
| Средняя скорость , | см/с | ||||||||
| Число Рейнольдса Re | |||||||||
| Скоростной напор | см | ||||||||
| Пьезометрический напор | см | ||||||||
| Средняя скорость , | см/с | ||||||||
| Число Рейнольдса Re | |||||||||
| Скоростной напор | см |
7.6. Вычисление коэффициентов местных сопротивлений производите в таблице 5
7.6.1. Запишите из таблицы 4:
, – показания пьезометров в сечениях до и после каждого местного сопротивления для всех трех опытов,
, - скоростные напоры в сечениях до и после каждого местного сопротивления для всех трех опытов.
7.6.2. Рассчитайте
7.6.3. Рассчитайте
7.6.4. Найдите потерянные напоры
.
7.6.5. Рассчитайте коэффициенты местных сопротивлений для каждого измерения .
7.6.6. Рассчитайте средние значения коэффициентов местных сопротивлений
(7)
Примечание: При определении коэффициентов местных сопротивлений использован принцип суперпозиции, т.е., предполагалось, что местные сопротивления не влияют друг на друга. Это справедливо, если соседние сопротивления находятся на расстоянии, превышающем
7.6.7. Рассчитайте коэффициенты местных сопротивлений:
внезапного расширения по формуле (5),
внезапного сужения по формуле (6),
.7.6.8. Определите коэффициенты местных сопротивлений:
угольника по таблице 2,
внезапного поворота по таблице 1
7.6.9. Рассчитайте относительную величину расхождения между расчетными и экспериментальными коэффициентами местных сопротивлений по формуле
(8)
7.6.10. Проведите анализ полученных результатов, сделайте выводы.
Таблица 5
| см | см | - см | см | см | - см | см | % | ||||
| Угольник (сечен.1-2) | – | – | |||||||||
| – | – | ||||||||||
| – | – | ||||||||||
| Внезапное расширение (сечен.2–3) | |||||||||||
| Внезапное сужение (сечен.3-4) | |||||||||||
| Муфта (сечен.4-5) | – | – | – | – | |||||||
| – | – | ||||||||||
| – | – | ||||||||||
| Внезапный поворот (сечен.5-6) | – | – | |||||||||
| – | – | ||||||||||
| – | – |
8. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЁТА ПО ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ
Отчёт, составляемый каждым студентом, должен содержать:
– титульный лист или оглавление с названием кафедры, вуза, исполнителя (фамилию и инициалы студента, номер группы);
– название работы;
– цель работы;
– основные формулы и краткие пояснения к ним;
– гидравлическую схему учебной установки;
– протокол эксперимента (таблицы 4 и 5);
– выводы.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Что такое местное гидравлическое сопротивление?
2. Какова природа потерь на местных гидравлических сопротивлениях
при турбулентном режиме?
3. Классификация местных гидравлических сопротивлений.
4. Как рассчитать потерянный напор на местном гидравлическом сопротивлении (формула Вейсбаха)?
5. Как определить потерянный напор из уравнения Бернулли?
6. Принципиальная гидравлическая схема учебной установки. Назначение приборов.
7. Как определяется число Рейнольдса?
8. Чему равен коэффициент сопротивления выхода жидкости из трубопровода?
9. Чему равен коэффициент сопротивления входа в трубу?
10. Устройство и принцип действия ротаметра.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гиргидов А.Д. механика жидкости и газа (гидравлика). – СПб:
Изд-во СПб ГТУ, 2002
2. Механика жидкости, гидравлические машины и основы гидропривода агрегатов ракетных комплексов / Ю.М.Орлов. – Пермь, Министерство обороны РФ, 2001 г.
3. Гидравлика и гидропневмопривод. Учебник для вузов.- М. МГНУ, 2006г. Ч1. Основы механики жидкости и газа / А.А. Шейпак и др. – 2006 г.
4. Гидравлика, гидромашины и гидропневмопривод. /Т.В. Артемьева и др. Под редакцией С.П. Стесина. М. Академия, 2007 г.
5. Сборник задач с примерами гидравлических расчетов по «Гидростатике». Лабораторные работы и приборы измерений в гидравлике. Учебное пособие. / С.С. Гориславец. Березники, ООО «ИД «Типография купца Тарасова», 2007 г. – 235 с.
6. Башта Т.М. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы: учебник для втузов / Т. М. Башта и др. – Москва: Альянс, 2010. – 423 с.