Учебное пособие 1312
.pdfМИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»
Кафедра ракетных двигателей
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
квыполнению лабораторных работ № 1-6 по дисциплине «Гидравлика» для студентов направления подготовки 110800.62 «Агроинженерия» (профиль «Энергоснабжение и электрооборудование сельскохозяйственных предприятий»)
очной и заочной форм обучения
Часть 1
Воронеж 2015
Лабораторные работы №1-6 – Гидравлика
Составитель д-р техн. наук Г.И. Скоморохов
УКД 621.465-52
Методические указания к лабораторным работам № 1-6 по дисциплине «Гидравлика» для студентов направления подготовки 110800.62 «Агроинженерия» (профиль «Энергоснабжение и электрооборудование сельскохозяйственных предприятий») очной и заочной форм обучения. Ч. 1 / ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»; сост. Г.И. Скоморохов.
Воронеж, 2015. 40 с.
Методические указания содержат краткие теоретические сведения и описание виртуальных лабораторных работ № 1-6 по дисциплине «Гидравлика». Раскрываются приёмы и методы исследования видов гидростатического давления, членов уравнения Бернулли, режимов движения жидкости, коэффициентов трения и местного сопротивления, истечения жидкости из отверстий и гидравлического удара.
Издание соответствует требованиям Федерального государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению подготовки 110800.62 «Агроинженерия», профиль «Энергоснабжение и электрооборудование сельскохозяйственных предприятий», дисциплине «Гидравлика».
Предназначены для студентов 2 и 3 курсов.
Лабораторные работы оформляются согласно требованиям СТП ВГТУ 62-
2007.
Методические указания подготовлены в электронном виде в текстовом ре-
дакторе MS Word и содержатся в файле GidroLab1-2015.doc.
Табл. 6. Ил. 17. Библиогр.: 3 назв.
Рецензент д-р техн. наук, проф. И.Г. Дроздов
Ответственный за выпуск зав. кафедрой д-р техн. наук, проф. В.С. Рачук
Издаётся по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета
© ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2015
2
Лабораторные работы №1-6 – Гидравлика
Содержание
Введение………………………………………………………………………. 4
1.Лабораторная работа № 1. Измерение гидростатического
давления и экспериментальное подтверждение закона Паскаля…… |
6 |
2.Лабораторная работа № 2. Экспериментальное определение слагаемых уравнения Д.Бернулли. Построение напорной и
пьезометрической линии……………………………………………… 13
3.Лабораторная работа № 3. Экспериментальное исследование
ламинарного и турбулентного режимов движения жидкости, |
|
определение числа Рейнольдса и законов сопротивления………….. |
21 |
4.Лабораторная работа № 4. Изучение гидравлических сопротивлений напорного трубопровода с определением
коэффициентов трения и местных сопротивлений………………….. 26
5.Лабораторная работа № 5. Истечение жидкости через малые отверстия в тонкой стенке и насадки в атмосферу
при постоянном напоре………………………………………………... 32
6.Лабораторная работа № 6. Определение параметров
гидравлического удара в напорном трубопроводе…………………. |
39 |
Библиографический список…………………………………………………. 42
3
Лабораторные работы №1-6 – Гидравлика
Введение
Курс «Гидравлика» является одной из основополагающих инженерных дисциплин при подготовке специалистов, работающих в области энергоснабжения и электрооборудования сельскохозяйственных предприятий. При изучении курса «Гидравлика» важно ознакомить студентов на практике (в лаборатории) с методикой экспериментальных исследований гидравлических процессов и течения жидкости в напорных трубопроводах.
Компьютерная версия лаборатории гидравлика предназначена для ими тационного выполнения лабораторных работ при изучении дисциплин «Гид равлика» с цель выработки навыков измерения параметров гидравлических устройств и систем, обработки получаемых результатов, закрепления основных теоретических положений дисциплины.
Лаборатория включает в себя одну лабораторную установку по разделу гидростатики для демонстрации закона Паскаля и пять лабораторных установок по разделу гидродинамики: установка для изучения составляющих уравнения Д. Бернулли, установка для изучения режимов течения вязких жидкостей в трубах, стенд для экспериментального изучения гидравлических потерь в местных сопротивлениях и по длине, установка для изучения истечения жидкости через отверстия и насадки, установка для изучения явления гидравлического удара в трубах.
Программа позволяет имитировать измерения параметров физического процесса с помощью применяемых в практике гидравлического эксперимента приборов, таких как пьезометры, манометры, вакуумметры для измерения гидростатического напора, трубки Пито и датчики скорости для измерения скоростного напора, мерные емкости и секундомеры для определения объемного расхода жидкости. В процессе компьютерного эксперимента программа воспроизводит случайное отклонение измеряемого параметра, что дает возможность оценить точность измерений методами статистического анализа.
Обработка результатов измерений и вычисления параметров эксперимента выполняются в табличной форме по формулам и уравнениям, приведенным в практикуме для соответствующей работы.
Из главного меню программы осуществляется выбор выполняемой работы, получение информации о программе и выход из неё. После выбора выполняемой работы программа предоставляет доступ пользователя к меню настройки лабораторной установки, информации о ней и выполнению лабораторной работы в диалоговом режиме.
Методика выполнения лабораторных работ в оболочке виртуальной лаборатории с применением компьютерной версии лаборатории сводится к следующему:
В соответствии с выполняемой работой в разделах настоящего руководства выбирается описание работы.
4
Лабораторные работы №1-6 – Гидравлика
Выполняется изучение теоретических основ выбранной работы, ознакомление с описанием и принципом действия лабораторной установки или стенда, целью и порядком выполнения экспериментов, формой таблицы для записи и обработки получаемых данных, основными расчетными формулами и контрольными вопросами.
Выполняется подготовка протокола выполняемой работы по следующей форме:
1.Номер и название лабораторной работы. Фамилия, И. О. и No группы исполнителя.
2.Теоретическая часть.
3.Схема экспериментальной установки и ее состав.
4.Цель и порядок выполнения работы (заполняется после проведения экспериментов на установке или стенде).
5.Результаты измерений и вычислений. Форма таблицы принимается
всоответствии с формой, приведенной в руководстве по выполняемой работе.
6.Основные расчетные формулы. Приводятся формулы, необходимые для расчета таблицы.
7.Вкладыш из миллиметровой бумаги для графического представления результатов работы.
8.Вывод по работе. Заполняется после полного завершения и обработки работы и представляет самостоятельную оценку и анализ проведенного исследования.
9.Письменные ответы на контрольные вопросы.
Обратиться к программам “HYDLAB.EXE” и выбрать выполняемую лабораторную работу. Войти в меню настройки лабораторной установки, ознакомиться при необходимости с информацией по лабораторному стенду и произвести выбор постоянных параметров лабораторной установки.
Включить режим выполнения лабораторной работы, произвести измерения необходимых параметров и внести полученные данные в таблицу протокола. Повторить измерения в других режимах с целью получения достаточного количества данных для анализа изучаемого явления.
Выйти из программы, обработать результаты измерений, построить необходимые графики и характеристики, сделать вывод по выполненной лабораторной работе и представить её к защите преподавателю.
5
1. Лабораторная работа № 1. Измерение гидростатического давления и экспериментальное подтверждение закона Паскаля
Цель работы:
1.Измерить с помощью пружинных манометров гидростатическое давление в трёх точках (А, В, С), заглублённых на различную величину под уровень жидкости, находящейся в абсолютном покое под действием силы тяжести;
2.Подтвердить на основании опытных данных закон Паскаля;
3.Построить по данным опытов в масштабе эпюру манометрического
давления по глубине h.
Краткие теоретические сведения. В общем случае поверхностная силаF , действующая в точке А на площадке жидкости S, направлена под некоторым углом к ней, и её можно разложить на две силы: Р- нормальную сжимающую силу и T - тангенциальную силу или силу трения (рис. 1.1).
Рисунок 1.1 - Разложение поверхностной силы на две составляющие
Гидростатическим давлением p называют нормальное сжимающее
напряжение, возникающее в покоящейся жидкости под действием поверхностных и массовых сил,
p |
Р |
. |
(1.1) |
|
|||
|
S |
|
Для определения истинного значения напряжения в точке А необходимо перейти к пределу этого отношения при условии, что площадка S уменьшении до нуля
p lim |
Р |
dp . |
(1.2) |
S 0 |
S |
dS |
|
На внешней поверхности силы давления всегда направлены по нормали внутрь объёма жидкости и, следовательно, являются сжимающими. Таким образом, в неподвижной жидкости возможен лишь один вид напряжения - на-
пряжение сжатия, т.е. гидростатическое давление.
Единицы давления. Как следует из самого определения давления, его размерность совпадает с размерностью напряжения, т.е. представляет собой размерность силы, отнесенную к размерности площади.
3
Лабораторные работы №1-6 – Гидравлика
За единицу давления в Международной системе единиц (СИ) принят паскаль (Па) — давление, вызываемое силой 1Н, равномерно распределенной по
нормальной к ней поверхности площадью 1м2 , т.е. 1Па 1 Нм2 . Наряду с этой
единицей давления применяют укрупненные единицы: килопаскаль (кПа) и мегапаскаль (МПа):
1Па 1 Нм2 ; 1кПа 10 3 Па ; 1МПа 10 6 Па .
В технике в настоящее время в некоторых случаях продолжают применять также техническую МКГСС (метр, килограмм-сила, секунда, а) и физическую СГС (сантиметр, грамм, секунда) системы единиц. Используются также внесистемные единицы — техническую атмосферу и бар. Соотношение между ними выражается следующим образом:
1ат 1кгссм2 10000кгсм2 10м вод.ст. 735,6мм рт.ст.
0,98066 бар 98066,5Па 105 Па.
Давление абсолютное ( pабс ) , избыточное ( pизб ) , вакуум ( pвак ) . Чи-
словое значение давления определяется не только принятой системой единиц, но и выбранным началом отсчета. Исторически сложились три системы отсчета давления: абсолютная, избыточная и вакуумметрическая (рис.1.2).
Рисунок 1.2 - Шкалы давления. Связь между давлением абсолютным, избыточным и вакуумом
Абсолютное давление pабс отсчитывается от абсолютного нуля (рис.
1.2)
pабс paт pизб |
(1.3) |
В этой системе атмосферное давление pат |
p0 100 кПа . Следовательно, |
абсолютное давление всегда является величиной положительной. Избыточное давление pизб отсчитывается от атмосферного давления,
т.е. от условного нуля
pизб pабс pат . |
(1.4) |
4
Лабораторные работы №1-6 – Гидравлика
Таким образом, гидростатическое давление, отсчитываемое от нуля, называют абсолютным ( pабс), а отсчитываемое от атмосферного ( pат) – избы-
точным ( pизб).
В гидравлических расчётах величину нормального атмосферного давления можно принять равным pат 1ат 98100 Па 100 кПа 0,1МПа . Иногда
избыточное давление называют манометрическим.
Вакуумметрическим давлением или вакуумом pвак называется недоста-
ток давления до атмосферного
pвак pат pабс . |
(1.5) |
Избыточное давление показывает либо избыток над атмосферным давлением, либо недостаток до атмосферного.
Давление в любой точке покоящейся жидкости можно вычислить по
формуле (1.6) |
|
|
|
p p0 h , |
(1.6) |
где g |
- удельный вес жидкости; - плотность. |
|
Полученное уравнение (1.6) называют основным уравнением гидростатики. Это давление, как видно из уравнения, складывается из двух величин:
давления p0 на внешней поверхности жидкости и давления h , обусловленно-
го весом вышележащих слоёв жидкости.
Закона Паскаля. Давление, приложенное к внешней поверхности жидкости, передается всем точкам этой жидкости и по всем направлениям одинаково, т.е. внешнее давление p0 является одинаковым для всех точек объема
жидкости. Это положение известно под названием закона Паскаля.
Из формул 1.3 и 1.4 видно, что в зависимости от соотношения между pабс и pат избыточное давление pизб может быть и положительной, и отрицатель-
ной величиной. Положительное избыточное давление называют манометрическим, а отрицательное – вакуумметрическим. Приборы, применяемые для измерения + pизб и - pизб , называют соответственно манометрами и вакуумметра-
ми.
По принципу действия манометры и вакуумметры делятся на две группы: жидкостные и механические.
Жидкостный манометр (пьезометр) представляет собой стеклянную трубку, верхний конец которой открыт в атмосферу, а нижний присоединён к точке, где измеряется манометрическое давление.
Манометрическое давление, выраженное через показания манометра, равно:
|
pизб ghp |
, |
(1.7) |
|
изб |
|
|
где |
g - объемный вес жидкости; |
|
|
hpизб - пьезометрическая высота, т.е. высота, отсчитываемая от точки подключения пьезометра до уровня жидкости в нём.
5
Лабораторные работы №1-6 – Гидравлика
Действие механических приборов основано на деформации под действием давления упругого элемента (пружины или мембраны). Пружинный манометр показывает давление в точке жидкости на уровне оси вращения его стрелки. Если высотное положение оси вращения стрелки и точки подключения манометра не совпадает (рис 1.3), в показание манометра ( pм ) вводят поправку
( gy ). Для лабораторной установки, изображённой на рис.1.3,
pизб pм gy , |
(1.8) |
где y - превышение оси вращения стрелки манометра над точкой его подключения, М.
Описание экспериментальной установки и методики проведения эксперимента. Виртуальная лабораторная установка (рис. 1.3) представляет собой толстостенный стальной цилиндр 1, частично заполненный водой, уровень которой измеряется водомерной трубкой 2 со шкалой 3.
Для изменения гидростатического давления над свободной поверхностью жидкости (в т. М1) и в точках М2 и М3, заглублённых под уровень со-
ответственно на hМ2 и hМ3, подключены пружинные манометры 4 - М1, М2,
М3.
Впространство над свободной поверхностью можно подавать сжатый воздух от компрессора 5. Для сброса избыточного гидростатического давления
вцилиндре служит вентиль. В крышке цилиндра имеется предохранительный клапан, отрегулированный на давление 500 кПа.
Вданной лабораторной работе предусмотрено измерение манометрического давления пружинными манометрами.
Когда на покоящуюся жидкость действует только сила тяжести, распределение гидростатического давления p по глубине h (рис. 1.2) описывается
основным уравнением гидростатики: |
|
p p0 gh , |
(1.9) |
где p - гидростатическое давление в жидкости на глубине h , Па; |
|
p0 - внешнее давление, т.е. гидростатическое давление на свободной по-
верхности жидкости, Па;
h - глубина погружения в жидкость рассматриваемой точки, М ;
gh - весовое давление, т.е. гидростатическое давление, создаваемое ве-
сом столба h жидкости, Па.
Из уравнения (1.6) видно, что при p0 const и g const давление p с
изменением величины h изменяется по линейному закону. Вычислив по уравнению давление p в двух точках, заглублённых на разную величину h , можно
построить диаграмму распределения гидростатического давления по глубине, называемую эпюрой гидростатического давления (см. рис. 1.2). Диаграмма наглядно подтверждает справедливость закона Паскаля.
6
Лабораторные работы №1-6 – Гидравлика
Рисунок 1.2 - Закон распределения давления по глубине
Рисунок 1.3 - Схема установки для экспериментального определения давления и подтверждения закона Паскаля
7