10209
.pdfВозможны три варианта получения требуемого значения давления :М.:
Вариант 1. Бак Б2 используется в качестве ресивера, в который ступенчато (с достижением плановых значений :М.) нагнетается сжатый воздух от компрессора H2 (при перекрытых ДР2, З1, КР2);
Вариант 2. Бак Б2 используется как объёмный (вытеснительный)
компрессор: при закрытых КР2, ДР1, ДР2 и открытых КР1, З1 водой,
подаваемой насосом H1, сжимается воздух, защемлённый в объёме бака, и
создаётся плановое давление :М.;
Вариант 3. Бак Б2 используется как гидропневматическая емкость: при открытых КР1, З1, ДР2 и закрытым КР2 включается насос H1 и до max Ур.2
заполняется бак Б2; после этого закрывается КР1, З1, ДР2, отключается насос
H1; открывается ДР1 и включается компрессор H2, работающий до получения максимального планового давления :М.= 9кПа; закрывается ДР1 и
отключается H2; после проведения замеров в первых опытах серии №1’ и
№1’’ при :М.= 9кПа открывается КР1, что приводит к понижению Ур.2 и
снижению значения :М. вследствие изотермического расширения объёма воздуха в баке Б2: ступенчато проводится опорожнение бака и остановками при :М.= 6кПа и :М.= 3кПа для выполнения замеров остальных опытах серии №3.2.1 и №3.2.2.
По завершению экспериментов лабораторный стенд выводится в режим ожидания: при необходимости опорожняется бак Б2 (при открытых КР2,
ДР2); закрывается КР1, З1, ДР1; производится отключение общего электропитания демонтируются временная целеобусловленные связи.
61
3.2.3. Лабораторная работа №2 «Экспериментальное определение силы давления жидкости на плоскую
прямоугольную площадку»
Для проведения намеченных экспериментальных исследований лабораторный стенд «Гидростатика-М3» преобразуется к виду – рис.3.2.3.
Кроме того, задается последовательность действий для введения стенда в рабочее состояние.
Выделяется фрагмент стенда для выполнения лабораторной работы №2, представленный на рис.3.2.4.
Опыт с различными значениями Q/изб (Qмл- на свободной поверхности объема воды в баке Б2 (в интервале значений 5…15 кПа) проводятся при максимальном заполнении Б2. Измеряются :М., :М8, :МU, VW., VW8, VWU и ∆XП8. По назначениям :М., :М8, :МU и /изб в одном из опытов строится эпюра избыточного гидростатического давления для плоской стенки бака Б2.
Данные эксперимента вносятся в отчетную таблицу №3.2.3 и
обрабатываются с использованием формул, приведенных в первой графе таблицы.
62
63 |
Рисунок 3.2.3 – Адаптация стенда «Гидростатика-М3» к лабораторной работе №2
Рисунок 3.2.4 – Конструктивно-технологическая схема экспериментальной
установки к лабораторной работе №2
Таблица №3.2.3. Определение силы давления жидкости
|
|
|
|
Ед. |
Плановые значения |
||
|
Измеряемые и рассчитываемые параметры |
:/изб (:М.), кПа |
|||||
|
измер. |
||||||
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
5,00 |
10,00 |
15,00 |
|
|
|
|
|
|
|||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
1) |
Проверка: ):М.- :/,изб = <Z∆XП8 |
Па |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
2) |
:М8 |
кПа |
|
|
|
||
|
Проверка: ):М8- :С,изб = <Z) /,изб + XБ − ∆ W- |
Па |
|
|
|
||
3) |
:МU |
кПа |
|
|
|
||
|
Проверка: ):МU- :В = :М. + <Z)XБ − XВ- |
Па |
|
|
|
||
4) |
∆XП8 |
мм |
|
|
|
||
|
Проверка: )∆XП8- /,изб = :М./<Z |
м |
|
|
|
||
5) |
VW.; |
Н |
|
|
|
||
|
VW8; |
Н |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|||
|
VWU. |
Н |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|||
6) |
Измеренная сила давления |
Н |
|
|
|
||
|
Qэ = VW. + VW8 + VWU. |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|||
7) |
Экспериментально-расчетная сила давления |
|
|
|
|
||
|
Qэ/т = :С,изб ∙ = 0,031 ∙ :С,изб |
Н |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
8) |
Расчетно-теоретическая сила давления: |
|
|
|
|
||
|
∙ Универсальный аналитический метод – ф.1.5: |
|
|
|
|
||
|
|
QТ/А = <Z ∙ W,изб ∙ ; |
Н |
|
|
|
|
|
W,изб = ∆XП8 + XБ − ∆ W |
м |
|
|
|
||
|
∙ Графоаналитический метод – ф.1.9: |
|
|
|
|
||
|
. |
|
Н |
|
|
|
|
|
QТ/ГNА = 8 j<Z А,изб + :МUkl ∙ m; |
|
|
|
|
||
|
n,изб = XБ − XА + ∆XП8 |
м |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
9) Теоретическое определение координаты центра |
|
|
|
|
|||
давления – (∙- o: |
|
|
|
|
|||
|
|
V,изб = W,изб + ∆ V |
м |
|
|
|
|
|
|
qr |
|
|
|
|
|
|
∆ V = |
|
= mlU/12) W,изб ∙ - , |
|
|
|
|
|
Fr,изб∙s |
|
|
|
|
||
|
tW – см. Приложение 2 |
|
|
|
|
||
65
3 . 3 . Гидродинамические экспериментальные исследования
3.3.1. Характеристика основных контрольно-измерительных процедур
Исходные теоретические материалы, на основе которых выстраиваются названные выше экспериментальные исследования, представлены в Разделе
1.
В ходе экспериментов в конечном итоге измеряются и контролируются такие базовые гидродинамические параметры, как гидродинамическое давление p (Па) и средняя скорость V (м/с) потока воды в том или ином
живом сечении.
Для измерения p или его градиента – p в потоке воды, используются
пьезометры, а также их модифицированные конструктивные варианты – дифференциальные пьезометры (см рис.3.1.2). Для измерения V
производится промежуточное определение расхода потока воды Q (м3/с)
объемным методом:
|
|
Q = |
W |
, |
|
(3.3.1) |
|
|
|
|
τ |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
где |
τ – время, за которое в мерную емкость притекает объем воды W (м3). |
||||||
|
Тогда |
|
|
|
|
|
|
|
|
V = |
4Q |
, |
(3.3.2) |
||
|
|
|
|||||
|
|
|
πdвн |
|
|||
где |
dвн |
– внутренний диаметр |
трубопровода, по |
которому |
|||
транспортируется вода.
66
3.3.2. Лабораторная работа №1
«Исследование режимов движения жидкости»
Влабораторной работе воспроизводится эксперимент О.Рейнольдса на установке, схема которой представлена на рис. 3.3.1.
Входе эксперимента выполняется 3 опыта в области ламинарного,
переходного и турбулентного режимов движения жидкости.
Предварительный выход в одну из областей производится изменением Q и V
потока воды при визуализации потока посредством введения индикаторной жидкости, что в дальнейшем подтверждается расчетно-теоретической проверкой:
|
|
|
< |
|
|
|
|
|
|
Re > Re кр , |
(3.3.3) |
где |
R = |
V ×dвн |
– число Рейнольдса, значение которого определено на |
||
|
|||||
|
e |
ν |
|
||
|
|
|
|
||
|
момент регистрации характеристик потока воды; |
|
|||
|
ν – |
кинематический коэффициент вязкости, численное |
значение |
||
|
которого определяется по справочным таблицам или графикам с |
||||
|
учетом температуры воды t , м2/с; |
|
|||
|
Re кр |
– критическое число Рейнольдса, указывающее на |
границу |
||
|
перехода из одной режимной области в другую; ориентировочно для |
||||
|
круглоцилиндрических труб можно принять Re кр = 2320 . |
|
|||
Результаты эксперимента оформляются в отчетном бланке
(см. табл. 3.3.1).
67
Рисунок 3.3.1 – Схема экспериментальной установки
влабораторной работе № 1 1 – питающий бак (в рабочем отделении поддерживается постоянный
уровень воды и неизменный действующий напор H в начале трубопровода во всех опытах эксперимента что является необходимой предпосылкой поддержания установившегося движения потока воды); 2 – горизонтальный круглоцилиндрический трубопровод постоянного диаметра dвн (мм) по всей
длине и выполненный из прозрачного материала; 3 – запорный вентиль
(предназначен для регулирования расхода потока воды Q в различных опытах эксперимента); 4 – емкость с окрашенной жидкостью (индикатором),
оборудованная трубкой малого диаметра, обеспечивающей дозированное введение индикатора в начало трубопровода 2; 5 – мерная емкость объемом
W; 6 – хронометр (для измерения времени τ заполнения емкости 5); 7 –
термометр (измерение температуры воды t необходимо для последующего определения справочного значения коэффициента кинематической вязкости
ν ); 8 – струенаправляющая воронка.
68
Таблица № 3.3.1. Исследование режимов движения жидкости
Характеристика структурных и функциональных |
Опыты эксперимента |
|||||||||||||
элементов эксперимента |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
1 |
2 |
3 |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
1) Вид движения потока жидкости, заданный |
|
|
|
|||||||||||
конструктивным исполнением лабораторной |
|
|
|
|||||||||||
установки |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
2) Параметры физических свойств рабочей |
|
|
|
|||||||||||
жидкости – воды: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
– температура воды t , O С |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
– коэффициент кинематической вязкости – |
ν , |
|
|
|
||||||||||
м2/с |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
3) Промежуточные и конечные показатели в |
|
|
|
|||||||||||
методике определения расхода потока воды: |
|
|
|
|
||||||||||
– объем мерной емкости – W, м3 |
|
|
|
|
||||||||||
– время наполнения мерной емкости –τ , с |
|
|
|
|
||||||||||
– расход потока воды – Q = |
W |
, м3/с |
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
τ |
|
|
|
|
||
4) Параметры трубопровода и потока воды в нем: |
|
|
|
|||||||||||
– внутренний диаметр трубопровода – dвн , мм |
|
|
|
|
||||||||||
– |
площадь живого |
сечения потока воды |
– |
|
|
|
||||||||
ω = |
π × dвн2 |
, м2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
– средняя скорость в живом сечении потока воды |
|
|
|
|||||||||||
– |
V = |
Q |
, м/с |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
ω |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
– число Рейнольдса – |
Re = |
V ×dвн |
|
|
|
|
|
|||||||
|
ν |
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
||||||||||
5) Режим движения потока воды: |
|
|
|
|
||||||||||
– по результатам визуализации структуры потока |
|
|
|
|||||||||||
воды |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
– расчетно-теоретическая оценка |
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
69
3.3.3. Лабораторная работа №2
«Градуировка (тарирование) расходомера Вентури»
Влабораторной работе изучаются гидравлические эффекты, которые проявляются в напорном потоке жидкости, если русло имеет переменную площадь сечения ω (м2) – а именно: в конструктивных границах вставки Вентури и, кроме этого, производится градуирование (тарирование) данного типа расходомера. Для объяснения и описания гидравлических процессов используется уравнение Д. Бернулли. Экспериментальное исследование выполняется на установке, схема которой приведена на рис. 3.3.2.
Энергетическое толкование уравнения Д. Бернулли позволяет объяснить различие гидродинамических давлений в сечениях 1-1 и 2-2
потока воды, т.е. обосновывает неравенство p1 > p2 и закономерный характер измеряемого параметра h. Для описания составляется и анализируется (при выбранных сечениях 1-1 и 2-2, размещении плоскости сравнения О-О на
уровне оси трубопровода) уравнение Д. Бернулли:
|
|
|
|
|
|
|
|
|
p |
α V 2 |
|
|
|
|
|
p |
|
α |
|
V 2 |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
z + |
1 |
+ |
1 |
1 = z |
|
|
+ |
2 |
+ |
|
2 2 +h |
|
, |
(3.3.4) |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
f |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
ρg |
2g |
|
|
|
|
|
ρg |
|
|
2g |
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
где z1 = 0 – геометрическая высота в сечении 1-1; |
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
z2 |
= 0 – геометрическая высота в сечении 2-2; |
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
p1 − p2 |
|
= h ; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
ρg |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
α1 = α2 |
»1 ; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
V = |
QТ |
|
; V = |
QТ |
; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
ω |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
1 |
|
2 |
ω |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
h f |
≈ 0 (т.е. используется модель «идеальной жидкости»). |
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= |
|
2 × g × h |
|
|
= A × |
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Q |
|
|
|
|
h , |
|
|
(3.3.5) |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Т |
|
|
1 |
- |
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ω2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ω2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
70