3.5. Лабораторная работа: определение коэффициента местных сопротивлений

ЦЕЛЬ РАБОТЫ - изучение способа оценки местных гидравлических сопротивлений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ - определение коэффициентов местных сопротивлений (КМС) арматуры и фасонных частей трубопровода, эквивалентной длины трубопровода и зависимости этих величин от числа Рейнольдса.

3.5.1. Теоретические основы.

При движении жидкости по трубам и каналам часть энергии потока жидкости расходуется на преодоление разного рода местных сопротивлений. К местным сопротивлениям относятся арматура (вентили, краны, задвижки и т.п.) и фасонные части (внезапные расширения и сужения трубопроводов, колена, отводы, тройники и т.п.) трубопроводов. В таких преградах вследствие изменения формы проходных сечений изменяются местные скорости потока, образуются вихри и застойные зоны. В результате часть механической энергии потока рассеивается в виде тепла через стенки трубопровода и суммарный напор жидкости становится меньше. В отличие от потерь на трение по длине трубопровода, распределенных на всем его протяжении, местные потери носят локальный характер.

Определить потери энергии, или потери гидродинамического напора, вследствие сопротивлений любого типа можно используя уравнение Д. Бернулли:

( 3.24 )

где индекс «1» относится к граничному сечению, расположенному до местного сопротивления, а индекс «2» - к граничному сечению за местным сопротивлением.

Местные потери в гидравлических расчетах принято выражать в долях от скоростного напора:

( 3.25 )

где коэффициент местного гидравлического сопротивления (КМС).

Если скорости потока в граничных сечениях «1» и «2» различны, то в качестве скорости V в формуле (3.25), известной как формула Вейсбаха, можно принять скорость потока в любом из граничных сечений. Следовательно, справедлива запись:

( 3.26 )

Откуда

( 3.27 )

Формула (3.25) универсальна, т.е. справедлива для любого режима течения. Из этого не следует, что гидравлические потери всегда пропорциональны квадрату скорости. Такая квадратичная зависимость наблюдается только при относительно больших числах Рейнольдса (более 1000), когда КМС зависит только от конфигурации самого сопротивления и не зависит от числа Рейнольдса. Во всех других случаях КМС является функцией числа Рейнольдса.

Помимо коэффициента для оценки местных потерь можно пользоваться эквивалентной длиной трубопровода, потери по длине которого при той же скорости и диаметре равны определяемым местным потерям. В этом случае можно записать:

( 3.28 )

откуда ( 3.29 )

Поскольку величины коэффициента гидравлического трения и КМС являются функциями числа Рейнольдса, то и

В подавляющем большинстве случаев величина КМС не может быть определена теоретическим путем и находится по результатам экспериментов. КМС, полученные экспериментально для изолированных местных сопротивлений различного вида могут быть найдены в гидравлических справочниках. Изолированными, т.е. не влияющими друг на друга, местные сопротивления являются тогда, когда их разделяют участки прямых труб постоянного сечения длиной не менее 20-50 диаметров трубы. Если это условие не выдерживается, то возможно взаимное влияние местных сопротивлений друг на друга и их КМС могут существенно отличаться от табличных. В этих случаях необходимо рассматривать их как единое сложное местное сопротивление и его КМС определяется экспериментальным путем.

3.5.2. Методика выполнения эксперимента.

Лабораторная работа выполняется на приборе Д. Бернулли, схема (рис.19) и описание которого приведены в разделе 3.2.2. Практически потерю напора от местных сопротивлений можно определить непосредственным измерением давления до и после местного сопротивления. Измерение давления производится в условиях поддерживания постоянства расхода, т.е.

С учетом этого в случае горизонтально расположенного трубопровода уравнение (3.24) принимает вид:

( 3.30 )

или ( 3.31 )

Выражения (3.30) и (3.31) справедливы для турбулентного режима движения жидкости в трубопроводе, когда

Используя уравнение Вейсбаха (3.25) величину КМС определяют следующим образом:

( 3.32 )

или ( 3.33 )

где перепад на пьезометрах, определяемый при проведении опыта в граничных сечениях;

диаметры трубопровода в 1 и 2 граничных сечениях;

средние скорости течения жидкости в 1 и 2 граничных сечениях.

Если диаметр трубопровода и, следовательно, скорость в нем меняются по длине, то за расчетную скорость удобнее принимать большую из скоростей т.е. ту, которая соответствует меньшему диаметру трубопровода.

3.5.3. Порядок выполнения работы на экспериментальной установке.

1. Подключить к насосу магистраль местных сопротивлений EKN для чего закрыть вентиль II и краны V - VIII ; открыть краны III и V.

2. Приоткрыть вентиль II, включить насос и выждать несколько минут, чтобы движение жидкости в трубопроводе несколько установилось.

3. Снять показания пьезометров 14-20, подключенных к сопротивлениям, и ротаметров.

4. С помощью вентиля II и крана IV установить новый режим движения жидкости и вновь снять показания приборов. Опыт повторить пять раз, увеличивая расход жидкости.

5. В каждом опыте необходимо измерить температуру жидкости, по которой определяется коэффициент кинематической вязкости жидкости.

6. По данным опытов вычислить скорости в граничных сечениях , определить коэффициенты местных сопротивлений и числа Рейнольдса.

7. По числу Рейнольдса и шероховатости труб определить коэффициент гидравлического трения, а затем по формуле (3.29) величину эквивалентной длины

8. Построить графические зависимости для каждого местного сопротивления и отметить на них автомодельные по числу Рейнольдса зоны.

9. Провести сравнение полученных величин КМС с расчетными и справочными данными.

3.5.4. Порядок выполнения лабораторной работы на ПЭВМ.

1. Выполнить работы по п.п. 1-5 раздела 1.1.4.

2. Нажатием клавиши Tab переместить курсор в меню файлов Q BASIC и при помощи клавиши ↓ установить его на разделе Л.р.5.bas.

3. Нажимая клавишу ENTER войти в файл программы Л.р.5.bas.

4. Для запуска программы Л.р.5.bas одновременно нажмите клавиши Shift и F5. На экране монитора откроется окно, содержащее информацию в соответствии с рис.30.

Рис.30. Содержание первого окна программы Л.р.5.bas.

5. На место мигающего курсора за знаком ? с помощью клавиатуры введите положение вентиля B I I (1-5) и нажмите клавишу ENTER.

6. После нажатия клавиши ENTER откроется второе окно программмы Л.р.5.bas (рис.31), в котором можно наблюдать динамику протекания лабораторного процесса, по окончании которого появится команда «нажмите клавишу пробел».

7. После нажатия клавиши «пробел», откроется окно (рис.32) программы, в котором появятся результаты измерений физических величин, фиксируемые в соответствующих графах табл.8 отчета по лабораторной работе.

8. По окончании проведения исследований выполните работы в соответствии с требованиями п.п. 9 – 12 раздела 3.1.4.

Рис.31. Содержание второго окна программы Л.р.5.bas.

Рис.32. Содержание третьего окна программы Л.р.5.bas.