Составитель: Чиков Ю.П., Незнанова В.А., Алымов Ю.Г

Рецензент

Доктор технических наук, профессор кафедры

«Теплогазоснабжение и вентиляция и ОВБ» Кобелев Н.С.

Определение потерь напора и коэффициента трения при движении жидкости в горизонтальной трубе (Текст): методические указания к лабораторной работе / Курск. гос. техн. ун-т; сост,: Чиков Ю.П., Незнанова В.А., Алымов Ю.Г.; Курск, 2010. с.: ил., табл.. Библиогр.: с.

Излагаются теоретические положения и методические рекомендации по определению коэффициента гидравлического сопротивления и потерь энергии при движении жидкости по горизонтальной трубе, дается описание установки и порядок проведения эксперимента.

Предназначены для студентов, обучающихся специальности 270112, 270102, 270109, 270112, 270115, 190601.

Текст печатается в авторской редакции

Подписано в печать Формат 60х84 1/16.

Усл.-печ. л.0,59. Уч.-изд. л. 0,57. Тираж 50 экз. Заказ. Бесплатно.

Курский государственный технический университет.

305040, Курск, ул. 50 лет Октября, 94.

Цель работы: построить зависимость потерь напора для ламинарного и турбулентного режимов течения и определить соответствующие значения коэффициентов трения.

Общие сведения

При движении жидкости в горизонтальной трубе происходят потери энергии (напора), связанные с проявление свойства вязкости и действием сил трения между слоями жидкости, а также при контакте жидкости со стенками трубы.

Уравнение Д.Бернулли для двух сечений цилиндрической трубы имеет вид

при (плоскость отсчета проходит через центр тяжести живого сечения) и (движение воды происходит в трубе одинакового поперечного сечения) или , где

- потери напора на трение по длине трубопровода. В этой формуле - коэффициент трения, .

Число Рейнольдса , здесь 𝝊- средняя по сечению скорость течения, d- внутренний диаметр трубы, расстояние между сечениями 1-1 и 2-2, ν – кинематический коэффициент вязкости жидкости.

Относительная шероховатость стенок трубопровода оказывает значительное влияние на режиме автомодельности, когда практически изменение числа Рейнольдса не ощущается.

При ламинарном режиме течения и шероховатость стенок трубы

На рис. 1 дана конструктивная схема гидравлического стенда ГС-3, включающего напорное и приемное устройства, измерительные приборы и рабочий участок.

Рис.1 Универсальный гидравлический стенд

Основными элементами установки является буферный бак 2, закрепленный на стойке и позволяющий получить установившееся течение воды в рабочем участке. Буферный бак имеет выходной патрубок 3, к которому крепится рабочий участок 12 для данной лабораторной работы. Другой конец рабочего участка укрепляется в патрубке 11.

В напорную магистраль вода поступает от центробежного насоса 6 при открытии вентиля 5. Расход воды через рабочий участок регулируется вентилем 10 на выходе из рабочего участка и вентилем 5.

Приемное устройство представляет собой бак 7, связанный всасывающим трубопроводом с насосом 6.

Над приемным баком смонтирован мерный бачок 8 для измерения расхода воды. Под рабочим участком установлен лоток 9, который используется для сбора воды и слива ее в мерный бачок. В днище мерного бачка имеется клапан, управляемый с помощью рычажного механизма (на схеме не указаны).

При выполнении операции по замеру расхода воды одновременно с закрытием клапана на пульте управления 4 включается секундомер. После заполнения водой мерного бачка происходит замыкание контакта включателя уровня с одновременной остановкой электро секундомера.

Измерительные приборы на стенде представлены щитом с пьезометрическими трубками 13. Избыточное давление в расходном баке измеряется образцовым манометром 1.

С целью стабилизации режима и экономии воды гидростенд работает по циркуляционной схеме.

1.1. Общий порядок выполнения лабораторных работ

1.2.1. Изучаются учебная установка и рабочий участок, измерительные устройства.

1.2.2. Изучаются теоретические вопросы и расчетные формулы.

1.2.3. Проверяется готовность учебной установки к эксперименту.

1.2.4. Плавным открытием расходного вентиля устанавливается исследуемый режим течения, при котором давление в напорном баке сохраняется постоянным.

При установившемся режиме записываются показания всех пьезометров или манометров, измеряются расход воды и ее температура. Эти действия повторяются для всех исследуемых в лабораторной работе режимов течения воды. Данные эксперимента вносятся в протокол испытаний.

1.2.5. Закрываются вентили расхода и подачи воды, отключается электропитание.

1.2.6. Производится обработка и анализ результатов эксперимента.

1.2.7. Оформляется и предъявляется к защите отчет по лабораторной работе.

2.1. Теоретическая часть

Уравнение Д. Бернулли для установившегося течения потока реальной жидкости в трубе переменного поперечного сечения в сечениях 1-1 и 2-2 имеет вид:

(1)

- расстояние от плоскости сравнения до центров тяжести сечений;

, - пьезометрические высоты;

, - скоростной напор (высота), расстояние от уровня воды в пьезометре до уровня воды в трубках Пито;

- коэффициент, учитывающий неравномерность распределения скоростей по сечению трубы (коэффициент Кориолиса).

Графическая иллюстрация уравнения Д.Бернулли представлена на рис.2.

На рисунке - гидродинамический напор или удельная энергия потока реальной жидкости (энергия единицы веса жидкости) определяется формулой (2).

(2)

Слагаемые гидродинамического напора с энергетической точки зрения:

Рис.2 Графическая иллюстрация уравнения Д.Бернулли

- потенциальная энергия положения центра тяжести сечений;

, - потенциальная энергия давления в сечениях;

, - кинетическая энергия;

потери гидродинамического напора (энергии) жидкости между сечениями 1-1 и 2-2.

Физический смысл уравнения Д.Бернулли для течения реальной жидкости – уравнение баланса энергии для сечений 1-1 и 2-2.

Методика проведения эксперимента

В процессе работы гидростенда ГС-3 и фиксации постоянства объемного расхода жидкости через рабочий участок (рис.3) производятся измерения пьезометрических высот , , и гидродинамических напоров с помощью трубок Пито.

Скоростной напор определяется по разности в каждом из трех сечений.

Поскольку режим течения на основании дополнительных опытов и расчетов оказался турбулентным, то коэффициент Кориолиса принимается равным .

Рис.3 Гидростенд ГС-3

Величина средней скорости в каждом сечении находится из формулы (3)

Так как измеряемые величины и отсчитываются в сантиметрах столба жидкости, то ускорение силы тяжести имеет размерность = .

По разности показаний трубок Пито определяются потери гидродинамического напора . Здесь индекс присваивается сечениям 1 и 2.

Экспериментальные и расчетные величины заносятся в табл.1,2.

Таблица 1

№ сечений	Диаметр трубы, ,см	Пьезометрическая высота, ,см	Гидродина-мический напор, ,см	Скоростной напор, ,см	Средняя скорость, , см/с	Потери напора ,см

Для заполнения таблицы 2 пьезометрические высоты берутся из таблицы 1 для каждого из трех сечений.

Таблица 2

№ сечений	Пьезометрическая высота, , см	Объем мерного бачка, W,см3	Вре- мя замера, t,с	Расход, Q, см3/с	Средняя скорость ,см/с	Скоростной напор, ,см	Гидродина-мический напор, ,см	Потери напора ,см

С помощью мерного бачка и секундомера определяется расход жидкости (5)

где объем мерного бачка, равный 3600см³, - время наполнения бачка.

На основании экспериментальных и расчетных данных строятся пьезометрическая и напорные линии (См. рис.2).

Контрольные вопросы

1. Устройство стенда ГС-3.

2. Гидродинамический напор, его определение, слагаемые, входящие в него, и их физический смысл.

3. Отличия уравнения Д.Бернулли для реальной и идеальной жидкости.

4. Физический смысл коэффициента Кориолиса.

5. Геометрическая интерпретация уравнения Д.Бернулли.

6. Способы определения скорости и расхода жидкости при ее течении в трубопроводе.

7. Геометрический, пьезометрический и гидравлический уклоны при течении жидкости.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Артемьева Т.В. и др. Гидравлика, гидромашины и гидропневмопривод.-М.:Издательский центр «Академия», 2005.-336с.

2. Калицун В.И. Гидравлика, водоснабжение и канализация: Учебное пособие для вузов/-М.: Стройиздат, 2002.-397 с.

3. Альтшуль А.Д., Киселев П.Г. Гидравлика и аэродинамика.- М.- Стройиздат, 1975.-327 с.