Порядок выполнения работы и обработка опытных данных
Лабораторные работы ПО гидравлике
В виртуальной лаборатории
Методические указания
Утверждены редакционно-издательским
советом университета 21 января 2009 г.
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
| © Самарский государственный архитектурно-строительный университет, 2009 |
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.
Работа 1 ИЗМЕРЕНИЕ ГИДРОСТАТИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ
И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ПОДТВЕРЖДЕНИЕ ЗАКОНА ПАСКАЛЯ
Цель работы:
1. Освоить технику измерения давления в жидкости с помощью пружинных манометров.
2. Подтвердить на основании опытных данных закон Паскаля.
3. Построить по данным опыта № 2 в масштабе эпюру манометрического давления по глубине 
.
Общие сведения
Гидростатическим давлением 
называют нормальное сжимающее напряжение, возникающее в покоящейся жидкости под действием поверхностных и массовых сил,
, (1.1)
где Δρ- элементарная равнодействующая поверхностных и массовых сил (гидростатическая сила), Н;
Δω- элементарная площадка действия, м2.
Из формулы (1.1) видно, что гидростатическое давление есть предел отношения элементарной гидростатической силы Δρ к элементарной площади действия Δω, когда последняя стремится к нулю.
За единицу гидростатического давления принято равномерно распределённое давление, создаваемое силой в 1 Н на площади в 1 м2, т.е. 
(один Паскаль).
Гидростатическое давление, отсчитываемое от нуля, называют абсолютным ( 
), а отсчитываемое от атмосферного ( 
) – избыточным ( 
), следовательно,
. (1.2)
Очевидно,
. (1.3)
Величину нормального атмосферного давления считают равной 101325 Па.
Из формулы (1.3) видно, что в зависимости от соотношения между и избыточное давление может быть и положительной, и отрицательной величиной. Положительное избыточное давление называют манометрическим, а отрицательное – вакуумметрическим. Приборы, применяемые для измерения + и - , называют соответственно манометрами и вакуумметрами.
По принципу действия манометры и вакуумметры делятся на две группы: жидкостные и механические.
Жидкостный манометр (пьезометр) представляет собой стеклянную трубку, верхний конец которой открыт в атмосферу, а нижний присоединён к точке, где измеряется манометрическое давление.
Манометрическое давление, выраженное через показания манометра, равно:
, (1.4)
где 
- объемный вес жидкости;
- пьезометрическая высота, т.е. высота, отсчитываемая от точки подключения пьезометра до уровня жидкости в нём.
Действие механических приборов основано на деформации под действием давления упругого элемента (пружины или мембраны). Заметим, что пружинный манометр показывает давление в точке жидкости на уровне оси вращения его стрелки. Если высотное положение оси вращения стрелки и точки подключения манометра не совпадает (рисунок 1.1), в показание манометра ( 
) вводят поправку ( 
).
Для случая, изображённого на рисунке 1.1,
, (1.5)
где 
- превышение оси вращения стрелки манометра над точкой его подключения, м.
В данной лабораторной работе предусмотрено измерение манометрического давления пружинными манометрами.
Когда на покоящуюся жидкость действует только сила тяжести, распределение гидростатического давления по глубине (рисунок 1.2) описывается основным уравнением гидростатики:
, (1.6)
где - гидростатическое давление в жидкости на глубине , Па;
- внешнее давление, т.е. гидростатическое давление на свободной поверхности жидкости, Па;
- глубина погружения в жидкость рассматриваемой точки, м;
- весовое давление, т.е. гидростатическое давление, создаваемое весом столба жидкости, Па.
Из уравнения (1.6) видно, что при 
и 
давление с изменением величины изменяется по линейному закону (рисунок 1.2). Вычислив по уравнению давление в двух точках, заглублённых на разную величину , можно построить диаграмму распределения гидростатического давления по глубине, называемую эпюрой гидростатического давления (рисунок 1.2).
Из уравнения (1.6) следует, что внешнее давление в покоящейся жидкости передаётся во все точки её объёма без изменения (рисунок 1.2). Это следствие, вытекающее из уравнения (1.6), называют законом Паскаля. Справедливость этого закона предстоит проверить опытным путём в данной работе.
Рисунок 1.1 - Схема установки для экспериментального
подтверждения закона Паскаля:
1 – металлическая колонна;
2 – водомерное стекло;
3 – мерная шкала в метрах;
4 – механический манометр и его шкала в кПа;
5 – воздушный компрессор
Рисунок 1.2 - К закону Паскаля и его экспериментальному подтверждению
Описание установки
Установка (рисунок 1.1) представляет собой толстостенный стальной цилиндр 1, частично заполненный водой, уровень которой измеряется водомерной трубкой 2 со шкалой 3.
Для изменения гидростатического давления над свободной поверхностью жидкости (в точке А) и в точках В и С, заглублённых под уровень соответственно на 
и 
, подключены пружинные манометры 
, 
, 
.
В пространство над свободной поверхностью можно подавать сжатый воздух от компрессора 5. В крышке цилиндра имеется предохранительный клапан 2, отрегулированный на давление 500 кПа (на рисунке 1.1 не показан).
Порядок выполнения работы и обработка опытных данных
Необходимо выполнить два опыта, обеспечив в первом 
, а во втором - 
.
Опыт № 1. Включить наполнение колонны и залить её до уровня h>2,4 м. Измерить с помощью водомерной трубки 2 и шкалы 3 глубины погружения и точек В и С, а также превышения 
и 
осей вращения стрелок манометров и над точками их подключения. Затем измерить показания всех трёх манометров ( , , ). Полученные данные записать в таблицу 1.1 (графы 4 и 6).
Опыт № 2. Включить компрессор для подачи сжатого воздуха в
цилиндр 1. Довести 
до величины, указанной преподавателем, после чего компрессор отключить. Далее измерить одновременно показания манометров 
. Результаты измерений записать в графу 5 таблицы 1.1.
Выполнить все вычисления, предусмотренные таблицей 1.1. Дать заключение по результатам работы.
1.4 Контрольные вопросы
1. Что такое гидростатическое давление и каковы его свойства?
2. Поясните, что такое абсолютное и избыточное гидростатическое давление и какова связь между ними?
3. Объясните, что понимают под терминами: «внешнее давление» и «весовое давление»?
4. Напишите и поясните основное уравнение гидростатики.
5. Сформулируйте закон Паскаля.
6. Назовите приборы для измерения избыточного гидростатического давления и поясните принцип их действия.
7. В чём состояло принципиальное отличие в условиях проведения первого и второго опытов?
8. Для чего нужно знать превышение оси вращения стрелки пружинного манометра над точкой его подключения?
9. Что такое вакуум?
Таблица 1.1
| № позиций | Наименования и обозначения измеряемых и вычисляемых величин | Единица измерения | Результаты измерений и вычислений | Примечания | ||
| Опыт № 1 | Опыт № 2 | |||||
Показания манометров  |  | Па |       | |||
 | Па | |||||
 | Па | |||||
| Избыточное гидростатическое давление в точках А, В, С |  | Па | ||||
 | Па | |||||
 | Па | |||||
| Приращение избыточного гидростатического давления |  | Па | ||||
 | Па | |||||
 | Па | |||||
| Средняя величина приращения избыточного гидростатического давления |  | Па | ||||
| Относительные отклонения приращений давления в точках А, В, С от средней его величины |  | - | ||||
 | - | |||||
 | - | |||||
| Примечание -Индексы «1» и «2» у величин гидростатического давления (см. позицию 3 таблицы) обозначают номер опыта. |
10. Что такое вакуумметрическое давление?
11. Как связаны абсолютное и манометрическое давления?
12. Как связаны манометрическое и вакуумметрическое давления?
13. В каких пределах может меняться абсолютное, манометрическое и вакуумметрическое давления?
14. В каких размерностях измеряется гидростатическое давление и как эти размерности связаны между собой?
15. Есть ли разница в понятиях «манометрическое давление» и «избыточное давление»?
16. Есть ли разница в понятиях «атмосферное давление» и «техническая атмосфера»?
17. Что такое пьезометрическая высота, и как она определяется?
18. Что такое вакуумметрическая высота и как она определяется?
19. Есть ли разница в понятиях «пьезометрическая высота» и «манометрическая высота»?
20. Напишите основное уравнение гидростатики в двух видах.
21. В чем заключается геометрический смысл основного уравнения гидростатики и его членов?
22. В чем заключается энергетический смысл основного уравнения гидростатики и его членов?
23. Есть ли разница в понятиях «пьезометрическая высота» и «пьезометрический напор»?
24. Что такое эпюра гидростатического давления?
25. Какими свойствами обладает эпюра гидростатического давления?
26. По каким принципам строится эпюра гидростатического давления?
27. Как определить силу гидростатического давления на плоскую стенку?
28. Что такое «центр давления»?
29. Как расположен центр давления относительно центра тяжести?
30. В каком случае центры давления и тяжести совпадают?
31. Как определить положение центра давления?
32. На какой глубине находится центр давления прямоугольной плоской стенки, залитой с одной стороны жидкостью до уровня 
?
33. Как определить силу гидростатического давления на криволинейную поверхность?
34. Как определить горизонтальную составляющую силы гидростатического давления на криволинейную стенку?
35. Как определить вертикальную составляющую силы гидростатического давления на криволинейную стенку?
36. Что такое «тело давления»?
37. В каком случае тело давления вызывает подъемную силу?
38. От чего зависит направление вертикальной составляющей силы гидростатического давления на криволинейную стенку?
39. Под каким углом к горизонту направлена сила гидростатического давления на криволинейную стенку?
40. Как соотносятся между собой силы абсолютного и избыточного гидростатического давления на плоскую вертикальную прямоугольную стенку, высотой 10 метров, залитую водой с одной стороны?
41. Как изменится сила избыточного гидростатического давления на плоскую прямоугольную стенку, залитую жидкостью с одной стороны, если уровень этой жидкости упадет вдвое?
Работа 2ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПЫТНЫМ ПУТЕМ