Автор статьи
Валерия
Эксперт по сдаче вступительных испытаний в ВУЗах
4. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 4.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ И РАСЧЕТНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ТРЕНИЯ И ПОТЕРЬ НАПОРА ПО ДЛИНЕ Цель лабораторной работы заключается в освоении ме- тодики экспериментального и расчетного способов определения потерь напора (удельной энергии) на трение по длине и сопо- ставлении экспериментальных и расчетных величин коэффици- ентов гидравлического трения.4.1. Общие сведения
При движении реальной жидкости часть механической энергии потока теряется на преодоление гидравлических сопро- тивлений. Различают два вида потерь энергии (потери напора): по- тери энергии на преодоление гидравлических сопротивлений тре- ния (потери напора на трение по длине) и потери энергии (потери напора) на преодоление местных гидравлических сопротивлений. Потери напора на трение по длине трубы при любом ре- жиме движения и для любой жидкости в напорных трубах зави- сят от диаметра трубы d, ее длины L, средней скорости движения жидкости в трубе, коэффициента трения λ и определяются по формуле Дарси: hтр (4.1) В общем случае безразмерный коэффициент λ зависит от режима движения жидкости и относительной шероховатости стенок трубы Δэ. При ламинарном движении жидкости в трубе, которое со- ответствует значениям чисел Рейнольдса Rе ≤ 2320, для воды λ = 64 / Re. (4.2) Формула (4.1) при использовании выражений (4.2) и (3.1) для воды при ламинарном режиме преобразуется в формулу Пуазейля: hтр (4.3) Из формулы Пуазейля (4.3) следует, что при ламинарном движе- нии жидкости потери напора на трение прямо пропорциональны средней скорости потока в первой степени. Кроме того, они зави- сят от физических свойств жидкости и геометрических размеров трубы, а шероховатость стенок трубы не влияет на потери напора на трение. При турбулентном режиме движения (Re > 2320) выделя- ют три области сопротивлений, в каждой из которых изменение λ имеет свою закономерность. Первая область – область гладких сопротивлений. Трубы считаются гидравлически гладкими, если толщина вязкого под- слоя δ в турбулентном потоке больше высоты выступов шерохо- ватости поверхности (эквивалентной шероховатости) Δэ (δ > Δэ). Трубу можно считать гидравлически гладкой, если Re ≤ 10 d / ∆э. Для гидравлически гладких труб при Re ≤ 105 наибольшее рас- пространение получила формула Блазиуса: λ (4.4) Вторая область – область доквадратичных сопротивлений. Здесь толщина вязкого подслоя δ равна высоте выступов шеро- ховатости (δ = Δэ). Для реальных технических труб с естествен- ной шероховатостью коэффициент трения рекомендуется опре- делять по формуле А.Д. Альтшуля: λ (4.5) Область доквадратичных сопротивлений имеет место при 10 Третья область – область гидравлически шероховатых труб, или область квадратичных сопротивлений. В этой области Δэ > δ. Для области квадратичных сопротивлений (Re > 500 d / ∆э) применима формула Б.Л. Шифринсона: λ (4.6)4.2. Порядок проведения работы
Исследования проводятся с использованием опытного устройства (рис. 3) для определения потерь напора на трение и ко- эффициента трения λ. (описание устройства см. в лаб. работе № 3). Заполнить водой бак 1 устройства (рис. 3), затем устрой- ство повернуть на 180º и поставить его баком 2 на стол для полу- чения течения в канале 4 постоянного сечения. Снять показания пьезометров II–V (р/ρg), одновременно измерить секундомером время τ изменения уровня в баке 2 на произвольно заданную ве- личину S и температуру t в помещении. Зная время τ наполнения бака 2, размеры поперечного се- чения бака 2 А и В, высоту уровня воды в баке S, определить рас- ход воды в трубе Q, м3/с по формуле (3.3) и среднюю скорость движения воды в трубе V, м/с по (3.4). По показаниям пьезометров II и V построить пьезометри- ческую линию. Определить длину L участка между сечениями II и V, со- ответствующего равномерному течению. По разности показаний пьезометров II и V определить опытное значение потерь напора на трение по длине hтр(оп): hтр(оп) (4.7) Зная температуру воды t, oC определить ее кинематиче- ский коэффициент вязкости ν, м2/с по формуле (2.2), а затем по уравнению (3.1) определить число Рейнольдса (Re). Зная число Рейнольдса и шероховатость стенок трубы (Δэ = 0,001 мм), найти область сопротивлений и по соответству- ющим зависимостям (4.2), (4.4) – (4.6) определить коэффициент трения λрасч. По уравнению (4.1) найти расчетное значение потерь напора на трение по длине трубы L – hтр(расч). Используя уравнение (4.1) и данные об опытных значени- ях потерь напора на трение hтр(оп), определить опытное значение коэффициента трения λоп. Расхождение между эксперименталь- ным (опытным) значением λоп и расчетным значением λрасч коэф- фициентов трения определить по зависимости: (4.8) Результаты измерений и вычислений заносят в табл. 5. Таблица 5 Экспериментальные данные и значения определяемых величин| № п/п | Наименование величин | Обозна- чение | Размер- ность | Номер опыта | ||
| 1 | 2 | 3 | ||||
| 1 | Время наполнения мерного бачка 2 на уровень S | τ | с | |||
| 2 | Уровень воды в мерном бачке 2 за | S | см | |||
| 3 | Показания пьезометра II | hII | м | |||
| 4 | Показания пьезометра V | hv | м | |||
| 5 | Объем мерного бачка 2 (ABS) | W | cм3 | |||
| № п/п | Наименование величин | Обозна- чение | Размер- ность | Номер опыта | ||
| 1 | 2 | 3 | ||||
| 6 | Расход воды | Q | м3/с | |||
| 7 | Средняя скорость движения воды | V | м/с | |||
| 8 | Скоростной напор | V2/2g | м | |||
| 9 | Кинематический коэффициент | ν | м2/с | |||
| 10 | Число Рейнольдса | Re | ||||
| 11 | Опытные потери напора на тре- | hтр(оп) | м | |||
| 12 | Опытное значение коэффициента трения | λоп | ||||
| 13 | Область гидравлических сопро- тивлений | |||||
| 14 | Расчетное значение коэффициен- та трения | λрасч | ||||
| 15 | Расчетные потери напора на тре- | hтр(расч) | м | |||
| 16 | Расхождение опытного и расчетно- го значений коэффициентов трения | Δλ | ||||
4.3. Вопросы для контроля знаний
- Как зависят потери напора на трение от скорости движения жидкости при ламинарном и турбулентном режимах?
- От чего зависит коэффициент трения λ при ламинарном режи- ме движения жидкости?
- Как определить коэффициент трения λ при ламинарном режи- ме движения жидкости?
- От чего зависит коэффициент трения λ при турбулентном ре- жиме движения жидкости?
- Как определить коэффициент трения λ при турбулентном ре- жиме движения жидкости?
- Как определить потери напора на трение при ламинарном ре- жиме движения жидкости?
- Как определить потери напора на трение при турбулентном режиме движения жидкости?
- Что следует понимать под квадратичной областью сопротив- ления и чем она характеризуется?
- Что следует понимать под областью гладких сопротивлений и чем они характеризуются?
- Что следует понимать под областью доквадратичных сопро- тивлений и чем она характеризуется?
- От каких величин зависит коэффициент трения в области гидравлически гладких труб, в области квадратичных сопротив- лений, в области доквадратичных сопротивлений?
О сайте
Ссылка на первоисточник:
http://www.chgpu.edu.ru
Поделитесь в соцсетях: