Лабораторная работа - Изучение структуры потоков жидкости - файл n1.docx

Лабораторная работа - Изучение структуры потоков жидкости
скачать (786 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.docx787kb.29.05.2012 23:29скачать
Победи орков

Доступно в Google Play

n1.docx


Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО АлтГТУ им. Ползунова И. И.

Кафедра «Теплогазоснабжение и вентиляция»

Лабораторная работа № 4

по курсу «Гидравлика»

«Изучение структуры потоков жидкости»

ОТЧЕТ

ЛР 270109.04.000 ОТ

Выполнил:

Студент ТГВ-71 М.Ю. Шипунова

Проверил:

Проверил:

Ст. преподаватель кафедры ТГВ В.П. Яковенко

Работа принята с оценкой ______________________________

Барнаул, 2010

Оглавление


1 Цель и задача лабораторной работы 3

2 Основные теоретические положения 4

3 Схема установки и методика измерений 5

4 Анализ результатов и выводы 7

Список литературы 7


1 Цель и задача лабораторной работы


Цель – совершенствование навыков постановки и проведения гидравлических экспериментов, изучение методов визуализации характера течений, выявление факторов, влияющих на структуру потока.

Задача – изучить виды визуализации течения капельных и газообразных жидкостей;

– наблюдение потоков жидкости с различной структурой.

2 Основные теоретические положения


Различают два основных режима течения жидкости: ламинарный (слоистый) и турбулентный (вихревой). При ламинарном режиме частицы жидкости движутся по параллельным траекториям без перемешивания, поэтому поток имеет слоистую структуру, т.е. жидкость движется отдельными слоями. Турбулентное движение характеризуется пульсацией давления и скоростей частиц, что вызывает интенсивное перемешивание жидкости в потоке, т.е. вихревое движение.

Соприкасающиеся со стенками трубы или канала частицы жидкости прилипают к ним, т.е. скорость здесь равна нулю. На расстоянии от стенок скорость нарастает до максимальной. Мгновенно это сделать не позволяет сила трения, которая оценивается коэффициентами вязкости. Более вязкая жидкость движется по трубам, как правило, с ламинарным режимом. При турбулентном течении от стенок трубы или канала отрываются отдельные жидкие массы, попадают внутрь потока и нарушают послойное движение. В результате возникает диффузия вихрей, сопровождающаяся гашением кинетической скорости вихрей, при этом механическая энергия потока переходит частично в тепловую. До сих пор ещё не создано достаточно удовлетворительной теории турбулентного движения. Это объясняется сложностью структуры турбулентного потока, внутренний механизм которого не разгадан полностью.

При резком изменении поперечного сечения или направления канала от его стенки отрывается транзитная струя, а у стенки жидкост начинает двигаться в обратном направлении, приводя к вращению жидкости между транзитной струёй и стенкой. Эта область называется циркуляционной (вальцовой) зоной.

Для изучения качественной картины потока жидкости возникает необходимость визуализации (достижения «видимости») потока. Видимая картина потока жидкость - называется спектром. Спектры газовых потоков получаются с помощью дымовых труб, гидроканалов, методом «шелковинок», вязких покрытий, оптическими методами.

В дымовых трубах визуализация течения обеспечивается введением в поток воздуха струек дыма.

Метод «шелковинок» позволяет выявить «дефекты» обтекания. При безотрывном обтекании шелковинки, прикрепленные одним концом к обтекаемой поверхности, ориентированы в направлении потока. При срыве потока шелковинки колеблются и меняют направление.

На вязком покрытии тела при достаточно долгой продувке прочерчиваются «линии тока», выявляющие картину обтекания.

Оптические методы используют эффект изменения плотности воздуха (сжимаемости) при больших скоростях потока. Вблизи тела струйки потока деформируются, в них меняется

скорость, а следовательно и плотность воздуха. При изменении плотности воздуха плоскопараллельный пучок света отклоняется, образуя на экране светлые или темные полосы.

Для визуализации течений капельных жидкостей применяют меченые частицы (например, частицы алюминия) или окрашенные (например, чернилами или тушью) струйки, которые показывают траектории движения множества частиц жидкости. Они ещё называются линиями тока, если течение установившееся. При установившемся (стационарном) течении осреднённые значения скорости и давления в каждой точке потока постоянны во времени. В этом случае расход, т.е. количество жидкости, проходящее через заданное сечение в единицу времени, также не изменяется во времени.

3 Схема установки и методика измерений


Устройство №3 имеет прозрачный корпус (рисунок 3.1,а), баки 1 и 2 с успокоительной стенкой 3 для гашения возмущений в жидкости от падения струй и всплывания пузырей воздуха. Баки между собой соединены каналами 4 и 5 с одинаковыми сечениями. Конец канала 4 снабжён перегородкой со щелью 6, а противоположный конец канала 5 – решёткой (перегородкой с множеством отверстий) 7.

Устройство №3 заполнено водой, содержащей микроскопические частицы алюминия для визуализации течения. Уровень воды в баке 2 измеряется по шкале 8. Устройство работает следующим образом. В положениях устройства (рисунок 3.1,а,б) поступающая через левый канал в нижний бак вода вытесняет воздух в виде пузырей в верхний бак. Поэтому давления на входе в канал (на дне верхнего бака) и над жидкостью в нижнем баке уравниваются и истечение происходит под действием постоянного напора Н, создаваемого столбом жидкости в левом канале. Так обеспечивается установившееся (с постоянным во времени расходом) движение жидкости.

Причём в канале 4 устанавливается ламинарный режим благодаря низким скоростям течения из-за большого сопротивления щели 6. В свою очередь малое гидравлическое сопротивление решётки 7 обеспечивает получение турбулентного течения в канале 5 за счёт

больших скоростей (рисунок 3.1,б). Расход можно уменьшать наклоном устройства от себя.

В случаях, указанных на рисунке 3.1,в,г,д, в каналах 4 и 5 возникает неустановившееся (при переменном напоре и расходе) движение жидкости за счёт непосредственного соединения воздушных полостей баков. Это позволяет проследить за изменением структуры потоков в процессе уменьшения их скорости до нуля.

Работу с устройством №3 выполнить в таком порядке:

1) Создать в канале 4 ламинарный режим движения жидкости. Для этого при заполненном водой баке 1 поставить устройство №3 баком 2 на стол (рисунок 3.1,а). Наблюдать структуру потока.

2) Повернуть устройство №3 в вертикальной плоскости по часовой стрелке на 180° (рисунок 3.1,б). Наблюдать турбулентный режим течения в канале 5.

3) При заполненном водой баке 2 поставить устройство №3 так, чтобы канал 5 (с решёткой) занял нижнее горизонтальное положение (рисунок 3.1,в). Наблюдать в канале процесс перехода от турбулентного режима движения к ламинарному. Обратить внимание, что решётка приводит к турбулизации потока за ней.

Устройство №3

1, 2 – баки; 3 – перегородка; 4, 5 – опытные каналы; 6 – щель; 7

решётка; 8 – уровнемерная шкала

Рисунок 3.1 - Схема устройства №3
4) При заполненном водой баке 2 поставить устройство №3 так, чтобы канал 4 (со щелью) занял нижнее горизонтальное положение (рисунок 3.1,г). Наблюдать за структурой потока в баке 2 при внезапном сужении, внезапном расширении в канале за щелью и при

выходе потока из канала в бак 1. Обратить внимание на циркуляционные (вальцовые) зоны, транзитную струю и связь скоростей с площадями сечений каналов.

5) При заполненном баке 1 наблюдать структуру течения при обтекании перегородки 3 (рисунок 3.1,д).

6) Сделать зарисовку структуры потоков для случаев, указанных в таблице 3.1.
Таблица 3.1 – Структуры потоков


Ламинарный
режим

Турбулентный
режим

Расширение
потока

Обтекание
стенки

111111111.jpg

222222222222.jpg

333333333333.jpg

44444444444.jpg



4 Анализ результатов и выводы


При ламинарном течении жидкости частицы движутся по параллельным траекториям без перемешивания, поэтому поток имеет слоистую структуру. При турбулентном течении жидкости движение частиц характеризуется пульсацией давления и скоростей частиц, что вызывает интенсивное перемешивание жидкости в потоке, т.е. вихревое движение.

Ламинарный режим потока наблюдается при невысокой скорости потока. При этом соседние слои жидкости не перемешиваются.

При увеличении скорости потока при определенном её значении поток переходит в турбулентный режим, при котором слои движутся от стенок трубы к её центру.

При расширении потока и обтекании стенок происходит разделение потока на транзитную струю, которая не меняет направления своего движения, и циркуляционную зону, которая образуется у стенок трубы, в которой жидкость замедляется и перемешивается.

Вывод: в ходе работы изучили различные режимы потока, а также проследили изменения структуры потока при изменении поперечного сечения канала.


Вывод
В ходе изучения теоретического материала лабораторной работы и проведения практических опытов следует, что ламинарные режимы течения наиболее присущи жидкостям с большей вязкостью и, что не мало важно, в трубах без резких поворотов и резкого изменения сечения. В остальных же случаях очень часто возникают завихрения – турбулентный режим, что не благоприятно сказывается на экономичности инженерных сетей из-за потерь на преодоление препятствий (разные сечения труб, тройники, арматура и др.) и больших расстояний.

Список литературы


  1. Еремин С.Д., Яковенко В.П.Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Гидравлика»

  2. Киселев П.Г. Гидравлика. Основы механики жидкости. - М.: Энергия, 1980.


Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации