Описание опытной установки. Лабораторная установка (рисунок 3.1) включает напорный резервуар
Лабораторная установка (рисунок 3.1) включает напорный резервуар, трубопровод (с прозрачным участком – для визуального наблюдения), сосуд с красителем, мерный бак.
Сосуд с красителем закреплен с помощью штатива на стенке напорного резервуара и снабжен трубкой для подачи красителя в движущийся в трубопроводе поток воды. Расход задается регулирующим вентилем и определяется с помощью мерного бака.
Порядок выполнения работы
а) напорный резервуар заполняют водой (до уровня сливной трубы, а сосуд – красителем);
б) открытием регулирующего вентиля в трубопроводе устанавливают расход, при котором имеет место ламинарное течение.
Наблюдения за характером движения жидкости осуществляют, вводя в поток краситель.
Для данного режима определят время заполнения мерного бака и температуру воды;
в) постепенно увеличивая расход воды, устанавливают переходный режим (по началу разрыва окрашенной струйки), а затем – турбулентный. Для каждого нового режима производят указанные в п. б измерения.
Обработка опытных данных
- по объему воды W, поступившему в мерный бак за время Т, вычисляют расход Q = W/Т и затем среднюю скорость u = Q/w (где
w - площадь поперечного сечения стеклянной трубы);
- по температуре воды t (в °С) определяют кинематический коэффициент вязкости n (в см2/с)
n = ; (3.2)
- по известным u, d, n вычисляют для каждого опыта значение Re.
Данные измерений и результаты вычислений заносят в таблицу 3.1.
Таблица 3.1 Определение режима движения
Режим движения жидкости | Данные измерений | Данные вычислений | |||||
W, л | Т, с | t, °С | Q, л/c | u, м/с | n, м2/с | Re | |
Анализ результатов. Выводы по работе
Приводится анализ визуальных наблюдений за характером движения жидкости при различных режимах. Отмечается значение критического числа Рейнольдса для опытной установки и результаты расчетного определения режима.
Контрольные вопросы
1. Какие режимы течения жидкости вы знаете?
2. Поясните методику опытного определения режима течения.
3. В чем принципиальное отличие турбулентного режима от ламинарного?
4. Как находится режим течения расчетным путем?
5. Дайте определение критического числа Рейнольдса.
6. Приведите примеры технических систем (устройств), в которых имеет место: а) ламинарный режим; б) турбулентный режим.
Лабораторная работа №4
Определение коэффициента гидравличсекого
Трения
Общие сведения
Равномерно движущийся в трубе (канале) поток жидкости теряет часть энергии вследствие трения о поверхность трубы, а также внутреннего трения в самой жидкости. Эти потери носят название потерь напора по длине потока или потерь напора на трение.
В соответствии с уравнением Бернулли потери напора по длине горизонтальной трубы постоянного диаметра
hдл = , (4.1)
где – пьезометрические напоры в рассматриваемых сечениях.
Опыты показывают, что потери напора по длине пропорциональны безразмерному коэффициенту l, зависят от длины l и диаметра d трубопровода, средней скорости движения u. Указанная зависимость устанавливается известной формулой Дарси-Вейсбаха
hдл = . (4.2)
Коэффициент l, характеризующий сопротивление трения, в общем случае зависит от числа Рейнольдса Re и относительной шероховатости стенок трубы D/d (здесь D - абсолютный размер выступов шероховатости). Однако влияние этих величин на коэффициент l при ламинарном и турбулентном режимах различно.
При ламинарном режиме шероховатость не оказывает влияния на сопротивление трения. В этом случае l = f(Re) и расчет выполняют по формуле
l = 64/Re. (4.3)
При турбулентном режиме влияние Re и D/d обусловлено значением числа Рейнольдса. При сравнительно малых Re, также как и при ламинарном режиме, коэффициент l является функцией только числа Рейнольдса Re (область гидравлически гладких труб). Для расчета здесь применимы формулы Г. Блазиуса при Re£105:
l = 0,316/Re0.25, (4.4)
и формула г.К. Конакова при Re£ 3×106:
l = . (4.5)
В диапазоне умеренных чисел Рейнольдса l = f(Re, ) и хорошее совпадение с опытом дает формула А.Д. Альтшуля:
l = 0,11 (4.6)
При достаточно больших значениях Re (развитый турбулентный поток) влияние вязкого трения несущественно и коэффициент l = f(D/d) – так называемая область вполне шероховатых труб. В этом случае расчет можно выполнить по формуле Б.Л. Шифринсона:
l = 0,11 . (4.7)
Приведенные выше и другие известные эмпирические формулы для определения коэффициента гидравлического трения получены путем обработки экспериментальных графиков. Сравнивая результаты вычисления l по этим формулам с опытными значениями, можно оценить достоверность проводимых опытов.
Цель работы
Усвоить методику опытного определения коэффициента гидравлического трения; для условий проведения опыта установить зависимость коэффициента гидравлического трения от режима течения жидкости и сравнить полученные результаты с расчетами по эмпирическим формулам.
Методика опыта
Коэффициент гидравлического трения определяется косвенным методом с использованием формулы Дарси-Вейсбаха (4.2). При этом непосредственно из опыта находят потери напора hдл – по разности пьезометрических напоров в начале и конце исследуемого участка трубопровода, и скорость движения u по расходу жидкости Q.
Зависимость l = f(Re) устанавливается путем проведения опытов при различных режимах движения жидкости и построения соответствующего графика.