Лабораторная работа - Определение режима течения жидкости - файл n1.docx

Лабораторная работа - Определение режима течения жидкости
скачать (810 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.docx811kb.29.05.2012 23:29скачать

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 №5

по курсу «Гидравлика»
«Определение режима течения жидкости»
ОТЧЕТ



ЛР 270109.05.000 ОТ



Выполнил
студент ТГВ-71 Шипунова М.Ю.

Проверил

старший преподаватель кафедры ТГиВ Яковенко В. П.
Работа принята с оценкой_______

Барнаул 2010



Содержание





Содержание 2

1 Цель и задача лабораторной работы 3

2 Основные теоретические положения 3

3 Схема установки и методика измерений 4

4

4 Обработка результатов 6

5 Анализ полученных результатов и вывод 8

6 Список литературы 8











































































































































1 Цель и задача лабораторной работы


Цель – совершенствование навыков постановки и проведения гидравлических экспериментов, освоение расчётных методов определения режима течения.

Задача – при различных скоростях потока измерить местные скорости u в поперечном сечении;

– построить эпюры местных скоростей u=u(y);

– рассчитать среднюю скорость Vср и число Рейнольдса Re;

– определить характер течения в трубопроводе.

Результат работы представляется в виде таблицы расчетных величин, эпюр местных скоростей и рассчитанных чисел Рейнольдса для каждого замера.

2 Основные теоретические положения


Опыты Рейнольдса в 1883 году показали, что переход от ламинарного течения к турбулентному происходит при скорости (так называемая критическая скорость), которая для разных диаметров труб оказалась различной, возрастая с увеличением вязкости и уменьшаясь с уменьшением диаметра трубы.

Режим течения определяется значением числа Рейнольдса (2.1), которое характеризует соотношение инерционных сил и сил внутреннего трения (вязкости) в потоке.

(2.1)

где – плотность потока;

V – скорость потока;

l – характерный размер (для труб – внутренний диаметр);

 – динамический коэффициент вязкости;

 – кинематический коэффициент вязкости.

Граница между ламинарным и турбулентным течениями весьма условна, так как устойчивость течения зависит от многих причин (шероховатости и кривизны поверхности, начальных возмущений и др.). Скорость и число Рейнольдса, при достижении которых происходит переход ламинарного течения в турбулентное, называются соответственно критической скоростью и критическим числом Рейнольдса (2.2).

(2.2)

При значениях Re<Reкр течение ламинарное, а при Re>Reкр – турбулентное. Величина критического числа Рейнольдса зависит от ряда обстоятельств: условий входа в трубу, шероховатости стенок трубы, отсутствия или наличия первоначальных возмущений в жидкости, конвекционных потоков и др.

Опыты показывают, что Reкр=2300…4000 для труб и каналов. При переходе от ламинарного в турбулентное движение число Рейнольдса критическое имеет большую величину (для хорошо закругленного плавного входа оно может быть доведено до 20 000).

Проведенные исследования доказывают, что значение критического числа Рейнольдса увеличивается в сужающихся трубах и уменьшается в расширяющихся. Это объясняется тем, что при ускорении движения частиц в конфузорах (сужающихся каналах) их тенденция к поперечному перемешиванию уменьшается, а при замедленном течении в диффузорах (расширяющихся трубах) усиливается. Таким образом, изменяя продольное ускорение частиц, можно в какой-то степени управлять переходом от ламинарного движения к турбулентному.

В трубопроводах систем отопления, вентиляции, газоснабжения, теплоснабжения, водоснабжения и др. движение, как правило, всегда является турбулентным, так как движущаяся среда (вода, газ, пар, воздух) имеет малую вязкость. Так для газопроводов сети домового потребления числа Рейнольдса бывают обычно не ниже 3 000, в городских сетях – не ниже 200 000, в вентиляционных сетях – не ниже 150 000, сетях сжатого воздуха – не ниже 400 000, в паропроводах центрального отопления – не ниже 30 000, а в паропроводах ТЭЦ достигают 3·106 - 5·106. Ламинарное движение воздуха и воды возможно лишь при движениях в трубах очень

малого диаметра. Более вязкие жидкости (например, масла) могут двигаться ламинарно даже в трубах значительного диаметра.





Vср=0,5umax Vср=0,87umax

Рисунок 2.1 – Ламинарное течение Рисунок 2.2 – Турбулентное течение
При ламинарном течении (рисунок 2.1) распределение скоростей u по сечению трубы имеет параболический характер: у стенок трубы скорости равны нулю (эффект прилипания, смачивания), а при удалении от них скорости плавно нарастают, достигая максимума umax на оси трубы.

При турбулентном течении (рисунок 2.2) закон распределения скоростей сложнее: в пределах большей части поперечного сечения скорости лишь незначительно меньше максимального значения на оси, но зато вблизи стенок величина скорости резко падает до нуля. Более равномерное распределение скоростей по сечению при турбулентном течении объясняется наличием перемешивания, осуществляемого поперечными составляющими скоростей. Вблизи стенок турбулентное перемешивание парализуется наличием твердых границ.

Турбулентный режим в природе и технике встречается чаще. Его закономерностям подчиняется движение воды в реках, ручьях, каналах, системах водоснабжения и водоотведения, а также течение бензина, керосина и других маловязких жидкостей в трубах.

3 Схема установки и методика измерений

Устройство №3


1, 2 – баки; 3 – перегородка; 4, 5 – опытные каналы; 6 – щель; 7 – решётка; 8 – уровнемерная шкала Рисунок 3.1 - Схема устройства №3
Для проведения работы с устройством №3 выполнить действия:

1) Создать в канале 4 течение жидкости (рисунок 4.1,а) при произвольном наклоне устройства №3 от себя.

2) Измерить время t перемещения уровня воды в баке на некоторое расстояние S и снять показания термометра Т, находящегося в устройстве №1 или другого.
3) Рассчитать число Рейнольдса по порядку, указанному в таблице 3.1.

4) Повернуть устройство №3 в его плоскости на 180° (рисунок 4.1,б) и выполнить операции по пунктам 2 и 3.

5) Сравнить полученные значения чисел Рейнольдса между собой и затем на основе сравнения с критическим значением числа Рейнольдса сделать вывод о режиме течения

6) Заполнить таблицу 3.1.
Таблица 3.1 - Таблица расчёта числа Рейнольдса и определения вида течения жидкости
А = 21 см; В = 4 см; d = 1,4 см; ω = 2,5 см2 p=730 мм.рт.ст. W=25%


Наименование величин

Обозначения, формулы

№ опыта

1

2

Изменение уровня воды в баке, см

S

7

7

Время наблюдения за уровнем, с

t

47

7

Температура воды, °С

T

22

22

Кинематический коэффициент вязкости воды, см2



0,00965

0,00965

Объём воды, поступившей в бак за время t, см3

W=ABS

588

588

Расход воды, см3



12,5

84

Средняя скорость течения в канале, см/с



5

33,6

Число Рейнольдса



725

4875

Название режима течения

Re (<>) Reкр=2300

ламинарное

турбулентное


















Re1 < 2300 => течение ламинарное;

Re2 > 2300 => течение турбулентное.

С трубой и вентиляторами проводится три эксперимента замера местных скоростей потока в поперечном сечении круглой трубы.
1, 2, 3, 4 – вентиляторы; 5 – исследуемая труба; 6 – шайба статического давления; 7 – координатник с мерной линейкой; 8 – трубка Пито; 9 – микроманометр с наклонной трубкой.

Рисунок 3.2 - Схема установки
Установка (рисунок 3.2) представляет собой четыре вентилятора 1,2,3,4, соединенных последовательно и параллельно, два шибера ш1, ш2 для переключения потоков, исследуемую трубу 5 диаметром 5 см, шайбу статического давления 6, трубку Пито 8 на координатнике 7 с мерной линейкой, микроманометр с наклонной трубкой 9.

1) Перед проведением опытов на установке измерить температуру, барометрическое давление и влажность воздуха. По полученным результатам с помощью номограмм определить плотность воздуха ρ и коэффициент кинематической вязкости ν.

2) Установить на микроманометре 9 требуемый коэффициент км

3) Последовательно передвигая координатник с трубкой Пито измерять lм на расстояниях r = 0, 5, 10, 15, 20, 23 мм от оси трубы 5 в следующих продувках:

  1. – включены вентиляторы 1 и 2, шибер ш1 открыт, шибер ш2 закрыт;

  2. – включены вентиляторы 1,2 и 3, шибер ш1 открыт, шибер ш2 закрыт;

  3. – включены все вентиляторы, оба шибера открыты.

Результаты занести в протокол измерений.

Таблица 3.2 - Протокол измерений


t = 22°C; p = 730 мм.рт.ст; влажность =25%; ρ = 1,15 кг/м3; ν = 1.52·10-5 м2/с; kм = 0,2




r, мм

l

u, м/с

Vср, м/с

Re



r, мм

l

u, м/с

Vср, м/с

Re



r, мм

l

u, м/с

Vср, м/с

Re

I

0

60

14,31

12,9

4243

II

0

140

21,86

19,3

6349

III

0

202

26,25

23,86

7849

5

59

14,19

5

135

21,46

5

200

26,12

10

57

13,95

10

134

21,38

10

192

25,59

15

54

13,57

15

129

20,98

15

180

24,78

20

45

12,39

20

112

19,55

20

147

22,39

23

27

9,6

23

72

15,67

23

86

17,13

4 Обработка результатов


Во время опытов заполняются столбцы значений lм, а затем рассчитываются местные скорости u. Средние скорости Vср получают в результате графической обработки результатов.

По измеренным данным lм рассчитывают местные скорости согласно формуле (4.1).

(4.1),

где lм подставляют в мм водяного столба.
На миллиметровой бумаге строят эпюры скоростей для всех трех опытов в одинаковых масштабах. Определяют площадь полученных эпюр и рассчитывают среднюю скорость потока по формуле (4.2)

(4.2),

где d – размер изображения диаметра трубы на эпюре.

Рассчитанную скорость записывают в протокол (таблица 3.2) и отмечают на эпюрах скоростей.

Для каждого варианта опыта рассчитывают число Рейнольдса по формуле (4.3).

(4.3)

1) для первого опыта

Площадь эпюры S = 645

Средняя скорость Vср = 645/50 = 12,9 м/с

Число Рейнольдса Re = 12,9·0,5/152·10-5 = 4243

Vср/Vmax = 0,9

2) для второго опыта
Площадь эпюры S = 965

Средняя скорость Vср = 965/50 = 19,3 м/с

Число Рейнольдса Re = 19,3·0,5/152·10-5 = 6349

Vср/Vmax = 0,89
3) для третьего опыта

Площадь эпюры S = 1193

Средняя скорость Vср = 1193/50 = 23,86 м/с

Число Рейнольдса Re = 23,86·0,5/152·10-5 = 7849

Vср/Vmax = 0,91

5 Анализ полученных результатов и вывод


В первом опыте, сравнивая полученное число Рейнольдса с критическим, получаем в первом случае (при Re = 725<2300) ламинарное течение, а во втором – турбулентное

(при Re = 4875>2300).

Во втором опыте по числу Рейнольдса определяем течения как турбулентные, так как Re значительно больше 2300(4243, 6349,7849), отношения средних скоростей к максимальным составляют 0,9; 0,89; 0,91.
Вывод: в ходе работы научились рассчитывать среднюю скорость потока воздуха, число Рейнольдса для потока и определять тип потока, исходя из значения числа Рейнольдса.

6 Список литературы


  1. Киселев П.Г. Гидравлика. Основы механики жидкости. - М.: Энергия, 1980. - 360 с.


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