Лабораторна робота 5
ВИВЧЕННЯ гідравлічних СОПРОТИВЛЕНИЙ
Напірного трубопроводу З ВИЗНАЧЕННЯМ
КОЕФІЦІЄНТІВ ГІДРАВЛІЧНОГО ТЕРТЯ
І МІСЦЕВИХ СОПРОТИВЛЕНИЙ
Вступна частина. Експериментальними дослідженнями встановлено, що при русі рідини частина повного напору (енергії) витрачається на подолання роботи сил в'язкості та інерції, тобто виникають втрати напору.
При рівномірному русі рідини гідравлічне опір, що виявляється рівномірно по всій довжині потоку, називають опором по довжині, а викликані їм втрати напору - втратами напору по довжині (hl) Ці втрати в круглих трубопроводах, що працюють повним перерізом, обчислюють за формулою Дарсі-Вейсбаха:
де l - безрозмірний коефіцієнт, званий коефіцієнтом гідравлічного тертя (коефіцієнтом Дарсі). Величина коефіцієнта l характеризує гідравлічний опір трубопроводу і залежить в загальному випадку від числа Рейнольдса Re і відносної шорсткості d е / d трубопроводу, тобто l = f (Re. d е / d);
l, d - довжина і внутрішній діаметр трубопроводу;
- середня швидкість руху потоку рідини.
Величину коефіцієнта l при гідравлічних експериментах обчислюють за дослідними даними з формули (1). При гідравлічних же розрахунках - по емпіричним і напівемпіричні формулами, наприклад, при ламінарному режимі lл = 64 / Re. а при турбулентному режимі руху та роботі трубопроводу в області доквадратічного опору - за формулою А.Д. Альтшуля:
Величину абсолютної еквівалентної шероховатостіDе при розрахунках беруть з довідкової літератури в залежності від матеріалу трубопроводу і стану його внутрішньої поверхні. Наприклад, для труб з органічного скла d е = 0,006 мм, а для сталевих водопровідних помірно іржавих труб d е = 0,20 ... 0,50 мм.
Область гідравлічного опору при розрахунках визначають або безпосередньо за графіками l = f (Re, d е / d), отриманим дослідним шляхом для труб з різних матеріалів і наведеними в довідковій літературі, або ж за допомогою співвідношень і. запропонованих А.Д. Альтшуль на основі використання згаданих графіків. В останньому випадку обчислюють співвідношення і і порівнюють їх з числом Рейнольдса. При цьому, якщо. трубопровід працює в області квадратичного опору. Якщо. трубопровід працює в області гідравлічно гладких труб. Якщо ж . трубопровід працює в області доквадратічного опору.
Слід мати на увазі, що для кожної області гідравлічного опору запропоновані і використовуються при гідравлічних розрахунках свої формули для обчислення коефіцієнта l.
Інший вид гідравлічних опорів, що виникають в місцях різкої зміни конфігурації потоку - зміна швидкості потоку по величині або напрямку, називають місцевими опорами, а викликані ними втрати напору - місцевими втратами напору (hм).
При проходженні через будь-який місцевий опір потік рідини деформується, внаслідок чого рух стає нерівномірним, що змінюються різко, для якого характерні:
а) значне викривлення ліній струму і живих перетинів
б) відриви транзитної струменя від стінок трубопроводу (з огляду на
дії закону інерції) і виникнення в місцях відриву
в) підвищена (в порівнянні з рівномірним рухом)
пульсація швидкостей і тисків;
г) зміна форми (переформування) епюр швидкостей.
Місцеві втрати напору при гідравлічних розрахунках обчислюють за формулою Вейсбаха:
де - безрозмірний коефіцієнт, званий коефіцієнтом місцевого опору;
- середня швидкість потоку в перерізі за місцевим опором, тобто нижче за течією (якщо швидкість. як виняток, приймається перед місцевим опором, це обов'язково обмовляється).
Величина коефіцієнта залежить в загальному випадку від числа Рейнольдса і від конфігурації, тобто форми проточної частини місцевого опору. В окремому випадку, коли трубопровід, на якому розташовано місцевий опір, працює в області квадратичного опору, величина коефіцієнта від не залежить.
Величину для кожного виду місцевого опору визначають за даними гідравлічних експериментів, користуючись формулою (3). Отримані таким чином значення коефіцієнтів для різних видів місцевих опорів беруться при гідравлічних розрахунках (зазвичай при квадратичної області опору) з довідкової та спеціальної літератури. Винятком є різке розширення і різке звуження трубопроводу, для яких чисельні значення коефіцієнтів визначаються за формулами, отриманими теоретично і напівемпіричних. При різкому розширенні трубопроводу, коли середня швидкість у формулі (3) взята перед місцевим опором, тобто ,
Якщо ж швидкість береться за місцевим опором, тобто . то
Коефіцієнт опору при різкому звуженні трубопроводу () прийнято відносити до швидкості після звуження. При цьому
де - коефіцієнт стиснення струменя.
Опис установки. Установка являє собою напірний трубопровід з послідовно розташованими на ньому гідравлічними опорами (по довжині і місцевими). До кожного гідравлічному опору підключено по два пьезометра (перед і за ним). Все п'єзометри для зручності роботи виведені на щит. Для регулювання витрати води в системі служить вентиль. Величина вимірюється за допомогою мірного бака і секундоміра. Подача води в систему здійснюється з яке живить резервуара по трубі відкриттям засувки. Постійний рівень води в живильному резервуарі (для забезпечення сталого руху в системі) підтримується переливним пристроєм.
Рис.1. Схема установки для вивчення гідравлічних опорів
Мета роботи: 1. Визначити по досвідченим даним, скориставшись формулами (1) і (3), значення коефіцієнта гідравлічного тертя і величини коефіцієнта для трьох видів місцевих опорів;
2. Встановити, скориставшись співвідношеннями А.Д. Альтшуля області гідравлічного опору, в яких працювали ділянки напірного трубопроводу;
3. Обчислити значення коефіцієнтів гідравлічного тертя по відповідним емпіричним формулам;
4. Знайти довідкові значення коефіцієнтів місцевих опорів;
5. Оцінити збіжність і з їх розрахунковими (довідковими) значеннями.
6. Побудувати по досвідченим даним (в масштабі) графік напорів для ділянки запропонованого викладачем.
Порядок виконання роботи. Відкрити живильну засувку і наповнити установку водою. Після наповнення водою резервуара і стабілізації рівня води в ньому (переливний пристрій повинен при цьому працювати) слід відкриттям регулюючого вентиля подати воду в систему трубопроводів. Далі, необхідно виміряти: позначки рівнів води в п'єзометрах. витрата води в системі (за допомогою мірного бака і секундоміра), а також її температуру (термометром в живильному резервуарі). Результати вимірювань для одного досвіду (при одному витраті води) записати в таблицю.
Обробити досвідчені дані і результати представити у вигляді таблиці. Сформулювати висновки за результатами роботи.
При закритому вентилі 2 і засувці 6 включити насос і забезпечити
Основні контрольні питання
1. Напишіть і поясніть формули Дарсі-Вейсбаха і Вейсбаха.
2. Поясніть, як досвідченим шляхом визначають величини коефіцієнтів l і z.
3. Що характеризують коефіцієнти l і z, від яких чинників в загальному випадку вони залежать і як їх визначають при гідравлічних розрахунках?
4. Поясніть, що таке d е і d е / d. як знайти величину d е при гідравлічних розрахунках?
5. Назвіть області гідравлічного опору трубопроводів і поясніть, як визначають область опору при гідравлічних розрахунках.
6. Зобразіть схеми руху рідини при різкому повороті труби на 90 0. а також при різкому розширенні і різкому звуженні трубопроводу і дайте пояснення до них, вказавши, що характерно для руху потоку при протіканні його через будь-який місцевий опір.
7. Зобразіть схему графіка Нікурадзе і поясніть, будь ласка.
8. Поясніть поняття "гідравлічно гладка труба" і "шорстка труба".
9. Назвіть фактор, що обумовлюють підвищення втрати напору при проходженні потоку рідини через місцеві опори.
10. Доведіть, скориставшись Дарсі-Вейсбаха і Блазіуса, що при роботі трубопроводів в області гідравлічно гладких труб hl = f (V 1,75)
Навчальна література до роботи 5
1. (с.159. 167, с.186. 193), 2. (с.147, с.168. 174, с.201. 213), 3. (с.48. 57, с.87. 91 , с.93..96, с.100. 101), 4. (с.98..106), 5. (с.160..166, с.174. 176, с.189..198)
