9249
.pdfВозможны три варианта получения требуемого значения давления М1:
Вариант 1. Бак Б2 используется в качестве ресивера, в который ступенчато (с достижением плановых значений М1) 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 М1;
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 М1= 9кПа; закрывается ДР1 и отключается H2; после проведения замеров в первых опытах серии №1’ и №1’’ при М1= 9кПа открывается КР1, что приводит к понижению Ур.2 и снижению значения М1 вследствие изотермического расширения объёма воздуха в баке Б2: ступенчато проводится опорожнение бака и остановками при М1= 6кПа и М1= 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. Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 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 0изб ( мл) на свободной поверхности объема воды в баке Б2 (в интервале значений 5…15 кПа) проводятся при максимальном заполнении Б2. Измеряются М1, М2, М3, 1, 2, 3 и ∆П2. По назначениям М1, М2, М3 и 0изб 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
64
Рисунок 3.2.4 – Конструктивно-технологическая схема экспериментальной
установки к лабораторной работе №2
Таблица №3.2.3. Определение силы давления жидкости
|
Измеряемые и рассчитываемые параметры |
Ед. |
Плановые значения |
||||||
|
0изб ( М1), кПа |
||||||||
|
измер. |
||||||||
|
|
|
|
|
|
5,00 |
10,00 |
15,00 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
1 |
|
2 |
3 |
4 |
5 |
|
|
|
|
|
|
||||
1) |
Проверка: (М1) 0,изб = ∆П2 |
Па |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2) |
М2 |
|
|
|
|
кПа |
|
|
|
|
Проверка: (М2) С,изб = (0,изб + Б − ∆ ) |
Па |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3) |
М3 |
|
|
|
|
кПа |
|
|
|
|
Проверка: (М3) В = М1 + (Б − В) |
Па |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4) |
∆П2 |
|
|
|
мм |
|
|
|
|
|
Проверка: (∆П2) 0,изб = М1/ |
м |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5) |
|
; |
|
|
|
Н |
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
; |
|
|
|
Н |
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
. |
|
|
|
Н |
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
6) |
Измеренная сила давления |
Н |
|
|
|
||||
|
= |
+ |
+ |
. |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|||||
|
э |
1 |
2 |
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
7) |
Экспериментально-расчетная сила давления |
|
|
|
|
||||
|
|
|
э/т = С,изб ∙ = 0,031 ∙ С,изб |
Н |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|||
8)Расчетно-теоретическая сила давления:
Универсальный аналитический метод – ф.1.5:
|
|
|
Т/А = ∙ ,изб ∙ ; |
Н |
|||
|
,изб = ∆П2 + Б − ∆ |
м |
|||||
Графоаналитический метод – ф.1.9: |
|
||||||
Т/Г−А = |
1 |
(А,изб + М3) ∙ ; |
Н |
||||
|
|||||||
|
|
2 |
|
|
|
||
|
,изб = Б − А + ∆П2 |
м |
|||||
|
|
||||||
9) Теоретическое определение координаты центра |
|||||||
давления – (∙) : |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
,изб = ,изб + ∆ |
м |
|||
|
|
|
|
|
|
= 3/12( |
|
∆ = |
|
|
|
|
∙ ) , |
||
|
|
|
|
||||
|
|
|
,изб∙ |
,изб |
|
||
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
– 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:
где
где
|
Q |
W |
, |
|
(3.3.1) |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
– время, за которое в мерную емкость притекает объем воды W (м3). |
|||||
Тогда |
|
|
|
|
|
|
V |
4Q |
, |
(3.3.2) |
|
|
d |
||||
|
|
|
|
||
|
|
|
вн |
|
|
dвн |
– внутренний диаметр |
|
трубопровода, по |
которому |
|
транспортируется вода. |
|
|
|
|
|
66
3.3.2. Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 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:
|
|
R R |
|
e |
e |
кр
,
(3.3.3)
где
R |
|
V d |
вн |
|
|||
e |
|
ν |
|
|
|
|
– число Рейнольдса, значение которого определено на
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 , |
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 – , с
– расход потока воды – Q |
W |
, м3/с |
|
|
|||
|
|
4) Параметры трубопровода и потока воды в нем:
– внутренний диаметр трубопровода – d |
вн |
, мм |
|
|
|
|
|
– площадь живого сечения потока |
|
воды – |
|
|
d |
|
|
|
2 |
|
|
|
вн , м2 |
|
|
|
4 |
|
|
– средняя скорость в живом сечении потока воды
– V |
Q |
, м/с |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
||
– число Рейнольдса – |
Re |
V dвн |
|||
ν |
|||||
|
|
|
|
||
5) Режим движения потока воды:
–по результатам визуализации структуры потока воды
–расчетно-теоретическая оценка
69
3.3.3. Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 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:
где
|
|
|
|
|
|
|
|
|
z |
p |
|
V |
2 |
z |
|
|
p |
|
|
|
V |
2 |
h |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
1 |
1 |
|
|
2 |
|
2 |
|
2 |
f , |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
g |
|
2g |
|
|
|
|
|
2 |
|
|
g |
|
|
2g |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
z1 |
0 |
– геометрическая высота в сечении 1-1; |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
z2 |
0 |
|
– геометрическая высота в сечении 2-2; |
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
p p |
|
h |
; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
1 |
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
g |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
1 |
2 |
|
1 ; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
V |
Q |
|
|
|
|
Q |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
Т |
|
; V |
|
Т ; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
1 |
|
1 |
2 |
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
h |
f |
0 |
|
(т.е. используется модель «идеальной жидкости»). |
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Q |
|
|
|
2 g h |
A |
h |
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Т |
|
|
|
1 |
|
|
1 |
|
|
|
|
, |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
(3.3.4)
(3.3.5)
70