Практические работы по гидравлике для ссо. Ульяновский государственный университет. Результаты наблюдений и расчётов

Лабораторные работы по гидравлике - раздел Образование, Министерство Сельского Хозяйства Российской Федерации...

Кафедра природообустройства,

строительства и гидравлики

ОПД.Ф.03 Гидравлика

Опд.ф.02.05 гидравлика

ОПД.Ф.07.01 Гидравлика

ОПД.Ф.08.03 ГИДРАВЛИКА

ОПД.Ф.07 Гидравлика и гидромашины

ОПД.Р.03 ПРИКЛАДНАЯ ГИДРОМЕХАНИКА

ОПД.Ф.08 ГИДРОГАЗОДИНАМИКА

Лабораторные работы по гидравлике

Методические указания

Уфа 2010

Лабораторная работа №1

ИЗМЕРЕНИЕ ОСНОВНЫХ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ

ХАРАКТЕРИСТИК ЖИДКОСТИ

Общие сведения

В лабораторной практике и производственных условиях измеряют следующие параметры: уровень, давление и расход жидкости.

Измерение уровня. Простейшим прибором является стеклянная трубка, соединенная с нижним концом с открытым резервуаром, в котором определяется уровень. В трубке и резервуаре, как в сообщающихся сосудах, положение уровня жидкости будет одинаковым.

Широкое применение получили поплавковые уровнемеры (в топливных баках, групповых автопоилках, различных технологических резервуарах). Рабочий орган прибора – поплавок - следует за измерением уровня жидкости, и соответственно меняются показания по шкале. Механическое перемещение поплавка (первичного датчика) вверх-вниз может быть преобразовано в электрический сигнал посредством реостата или катушки индуктивности и зафиксировано вторичным прибором. В этом случае возможна дистанционная передача показаний.

Из приборов, основанных на косвенных методах определения искомой величины, наибольший интерес представляет емкостный уровнемер. В нем в качестве датчика используется металлический электрод, покрытый тонким слоем изоляции из пластмассы. Система электрод-жидкость-резервуар при подключении тока образует конденсатор, емкость которого зависит от уровня жидкости. К недостаткам емкостных датчиков относят значительную зависимость показаний от состояния изоляции электрода.

Измерение давления. По назначению различат приборы для измерения атмосферного давления (барометры), избыточного давления (манометры – при р изб >0 и вакуумметры - при р изб <0), разности давлений в двух точках (дифференциальные манометры).

По принципу действия различают приборы жидкостные и пружинные.

В жидкостных приборах измеряемое давление уравновешивается столбом жидкости, высота которого служит мерой давления. Отличается простотой конструкции пьезометр, представляющий собой вертикальную стеклянную трубку, соединенную нижним концом с местом

измерения давления (рис.1.1а).

Рисунок 1.1 Жидкостные приборы:

а) пьезометр;

б) U – образная трубка

Величина давления в точке подключения определяется по высоте h подъема жидкости в пьезометре: р=rgh, где r - плотность жидкости.

Пьезометры удобны для измерения небольших избыточных давлений – порядка 0,1-0,2 ат. Функционально шире возможности у двухтрубных U – образных приборов (рис.1.1б), которые используются в качестве манометров, вакуумметров и дифференциальных манометров. Стеклянную трубку прибора можно заполнить более тяжелой жидкостью (например, ртутью). Жидкостные приборы имеют относительно высокую точность, применяются для технических измерений, а также градуировки и проверки других типов приборов.

В пружинных приборах измеряемое давление воспринимает упругий элемент (трубчатая пружина, мембрана, сильфон), деформация которого служит мерой давления. Широко распространены приборы с трубчатыми пружинами. В таком приборе нижний открытый конец трубки овального сечения (рис.1.2а) жестко закреплен в корпусе, а верхний (закрытый) конец свободен в пространстве.

Под действием давления среды трубка стремится разогнуться (если р>р ат) или, наоборот, еще более согнуться (если р<р ат). В показывающих приборах упругий элемент, перемещаясь, воздействует через передаточный механизм на стрелку и по шкале ведется отсчет измеряемого давления. В приборах с дистанционной передачей показаний механическое перемещение упругого элемента преобразуется в электрический (или пневматический) сигнал, который регистрируется вторичным прибором.

Рисунок 1.2 Пружинные приборы:

а) с трубчатой пружиной;

б) сильфонный; в) мембранный

По классу точности приборы с трубчатыми одновитковыми пружинами делят на:

Технические (для рядовых измерений – класс точности 1,5; 2,5; 4,0);

Образцовые (для точных измерений – класс точности 0,16; 0,25; 0,4; 0,6; 1,0);

Контрольные (для проверки технических приоров – класс точности 0,5 и 1,0).

Класс точности указывается на циферблате прибора; он характеризует предельную ошибку прибора в % от максимального значения шкалы при нормальных условиях (t=20°C, р=760 мм.рт.ст.).

Измерение расхода. Наиболее простой и точный метод определения расхода жидкости – объемный с использованием мерного сосуда. Измерение сводится к регистрации времени Т наполнения сосуда с известным объемом W. Тогда расход Q=W/Т. В производственных условиях в качестве измерителей количества жидкости W применяют различные объемные и скоростные счетчики (крыльчатые и турбинные). Метод позволяет определить осредненные во времени значения Q.

а ) б ) в )

Рисунок 2.5 Счетчики жидкости:

а − объемный с овальными шестернями; б − ротационный;

в − скоростной с крыльчатой вертушкой

Для измерений мгновенных расходов в напорных трубопроводах применяют различные типы расходомеров (рис.1.4). Удобны для

измерений расходомеры с сужающими устройствами. Принцип действия прибора основан на создании в потоке с помощью сужающего устройства (например, диафрагмы) перепада статических напоров и его измерения дифференциальным манометром (рис.1.4б). Расход жидкости определяется по тарировочному графику Q = f(h) или по формуле:

Q = mАÖ2gh, (2.2)

где m – коэффициент расхода сужающего устройства;

h – показание дифференциального манометра;

А – постоянная расходомера;

где D – диаметр трубопровода;

d – диаметр отверстия сужающего устройства.

Рисунок 1.4 Расходомеры жидкости:

а) постоянного перепада давления (ротаметр);

б) переменного перепада давления

(с сужающим устройством – диафрагмой);

в) индукционный

Цель работы

Ознакомиться с устройством, принципом действия и эксплуатацией приборов для измерения уровня, давления и расхода жидкости; усвоить методику тарирования расходомеров.

Прядок выполнения работы

1.3.1 Используя учебную литературу, методические указания, плакаты и натурные образцы приборов, ознакомиться с методами измерения уровня, давления и… 1.3.2 На опытной установке выполнить измерение давления величиной р=0,4… 1.3.3 На опытной установке выполнить определение расхода воды с помощью мерного бака. Контроль времени изменения…

Лабораторная работа №2

Экспериментальное изучение уравнения

Бернулли

Общие сведения

Для установившегося плавно изменяющегося движения реальной жидкости уравнение Бернулли имеет вид:

z 1 +, (2.1)

где z 1 , z 2 – высоты положения центров тяжести сечений 1и 2;

р 1 , р 2 – давления в сечениях;

u 1 , u 2 - средние скорости потока в сечениях;

a 1 ,a 2 - коэффициенты кинетической энергии.

С энергетической точки зрения:

z – удельная потенциальная энергия положения (геометрический напор);

Удельная потенциальная энергия давления (пьезометрический напор);

Удельная кинетическая энергия (скоростной напор).

Сумма z ++ = H выражает полную удельную энергию жидкости (полный напор).

Из уравнения (2.1) следует, что при движении реальной жидкости полный напор уменьшается вниз по течению (Н 2 <Н 1). Величина h 1-2 = Н 1 - Н 2 характеризует потери напора на преодоление гидравлических сопротивлений.

Уменьшение полного напора определенным образом отражается и на его составляющих – пьезометрическом и скоростном напорах. Характер изменения напоров в конкретной гидравлической системе представляет практический интерес и наглядно может быть изучен опытным путем.

Цель работы

Экспериментально подтвердить справедливость уравнения

Бернулли: установить характер изменения полного, пьезометрического и скоростного напоров при движении жидкости в исследуемом трубопроводе.

Методика опыта

Лабораторная работа может выполняться на специализированной установке и универсальном стенде.

В первом случае в контрольных сечениях экспериментального участка при установившемся движении жидкости измеряются пьезометрические и полные напоры, во втором – только пьезометрические, с последующим вычислением полных напоров.

По опытным данным строится график напоров и проводится анализ изменения вдоль потока составляющих уравнения Бернулли.

Описание опытной установки

Принципиальная схема специализированной установки для изучения уравнения Бернулли приведена на рисунок 2.1. Она включает напорный резервуар,… мерный бак. Экспериментальный участок - переменного сечения (плавное… Универсальный стенд (рисунок 2.2) имеет такую же конструктивную схему. Его отличительная особенность – наклонно…

Порядок проведения работы

а) напорный бак заполняют водой до постоянного уровня; б) кратковременным открытием вентиля экспериментального трубопровода установку… в) в трубопроводе устанавливают расход жидкости, обеспечивающий наглядность наблюдений, и для заданного режима…

Обработка опытных данных

При работе на специализированной установке по данным измерений вычисляют: - средний за время опыта расход воды Q = W/T, (2.2)

Приводится анализ графика напоров. Дается заключение о характере изменения вдоль потока полного, пьезометрического и скоростного напоров с соответствующими пояснениями.

КонтРольные вопросы

1. В чем заключается физический смысл уравнения Бернулли?

2. Поясните понятия геометрического, пьезометрического и полного напоров?

4. Что показывают напорная и пьезометрическая линии?

5. Чем обусловлен характер изменения вдоль потока полного, пьезометрического и скоростного напоров?

6. За счет какой энергии движущейся жидкости преодолеваются гидравлические сопротивления?

Лабораторная работа №3

Изучение режимов движения жидкостей

Общие сведения

При движении жидкости в трубопроводе (канале) возможны два режима течения: ламинарный и турбулентный.

Ламинарный режим характеризуется слоистым, упорядоченным движением, при котором отдельные слои жидкости перемещаются относительно друг друга, не смешиваясь между собой. Струйка краски, введенная в ламинарный поток воды, не размывается окружающей средой и имеет вид натянутой нити.

Для турбулентного режима характерно неупорядоченное, хаотическое движение, когда частицы жидкости перемещаются по сложным, все время изменяющимся траекториям. Наличие в турбулентном потоке поперечных составляющих скорости обуславливает интенсивное перемешивание жидкости. Окрашенная струйка в этом случае самостоятельно существовать не может и распадается в виде завихрений по всему сечению трубы.

Опытами установлено, что режим движения зависит от средней скорости u, диаметра трубы d, плотности жидкости r и ее абсолютной вязкости m. Для характеристики режима принято использовать совокупность этих величин, составленных определенным образом в безразмерный комплекс – число Рейнольдса

где n = m/r - кинематический коэффициент вязкости.

Число Рейнольдса, соответствующее переходу ламинарного течения к турбулентному, называется критическим и обозначается Re кр. Следует подчеркнуть, что в силу неустойчивости течения жидкости на границе ламинарного и турбулентного режимов величина Re кр не является строго определенной. Для цилиндрических труб при движении воды с учетом условий входа потока, шероховатости стенок, наличия первоначальных возмущений Re кр =580-2000. В расчетах обычно принимают Re кр »2300.

При Re Re кр – турбулентный.

В большинстве технических приложений, связанных с движением маловязких сред (вода, воздух, газ, пар), реализуется турбулентный режим – системы водоснабжения, вентиляции, газоснабжения, теплоснабжения. Ламинарный режим имеет место в пленочных теплообменниках (при стекании конденсатной пленки под воздействием силы тяжести), при фильтрации воды в порах грунта, при движении вязких жидкостей по трубопроводам.

Цель работы

Визуальными наблюдениями установить характер движения жидкости при различных режимах; усвоить методику расчетного определения режима давления; для опытной установки определить критическое число Рейнольдса.

Описание опытной установки

Лабораторная установка (рисунок 3.1) включает напорный резервуар, трубопровод (с прозрачным участком – для визуального наблюдения), сосуд с красителем, мерный бак.

Сосуд с красителем закреплен с помощью штатива на стенке напорного резервуара и снабжен трубкой для подачи красителя в движущийся в трубопроводе поток воды. Расход задается регулирующим вентилем и определяется с помощью мерного бака.

Порядок выполнения работы

а) напорный резервуар заполняют водой (до уровня сливной трубы, а сосуд – красителем); б) открытием регулирующего вентиля в трубопроводе устанавливают расход, при… Наблюдения за характером движения жидкости осуществляют, вводя в поток краситель.

Обработка опытных данных

- по температуре воды t (в °С) определяют кинематический коэффициент вязкости… n = ; (3.2)

Анализ результатов. Выводы по работе

Приводится анализ визуальных наблюдений за характером движения жидкости при различных режимах. Отмечается значение критического числа Рейнольдса для опытной установки и результаты расчетного определения режима.

Контрольные вопросы

1. Какие режимы течения жидкости вы знаете?

2. Поясните методику опытного определения режима течения.

3. В чем принципиальное отличие турбулентного режима от ламинарного?

4. Как находится режим течения расчетным путем?

5. Дайте определение критического числа Рейнольдса.

6. Приведите примеры технических систем (устройств), в которых имеет место: а) ламинарный режим; б) турбулентный режим.

Лабораторная работа №4

Определение коэффициента гидравличсекого

Трения

Общие сведения

Равномерно движущийся в трубе (канале) поток жидкости теряет часть энергии вследствие трения о поверхность трубы, а также внутреннего трения в самой жидкости. Эти потери носят название потерь напора по длине потока или потерь напора на трение.

В соответствии с уравнением Бернулли потери напора по длине горизонтальной трубы постоянного диаметра

h дл = , (4.1)

где – пьезометрические напоры в рассматриваемых сечениях.

Опыты показывают, что потери напора по длине пропорциональны безразмерному коэффициенту l, зависят от длины l и диаметра d трубопровода, средней скорости движения u. Указанная зависимость устанавливается известной формулой Дарси-Вейсбаха

h дл = . (4.2)

Коэффициент l, характеризующий сопротивление трения, в общем случае зависит от числа Рейнольдса Re и относительной шероховатости стенок трубы D/d (здесь D - абсолютный размер выступов шероховатости). Однако влияние этих величин на коэффициент l при ламинарном и турбулентном режимах различно.

При ламинарном режиме шероховатость не оказывает влияния на сопротивление трения. В этом случае l = f(Re) и расчет выполняют по формуле

l = 64/Re. (4.3)

При турбулентном режиме влияние Re и D/d обусловлено значением числа Рейнольдса. При сравнительно малых Re, также как и при ламинарном режиме, коэффициент l является функцией только числа Рейнольдса Re (область гидравлически гладких труб). Для расчета здесь применимы формулы Г. Блазиуса при Re£10 5:

l = 0,316/Re 0.25 , (4.4)

и формула г.К. Конакова при Re£ 3×10 6:

В диапазоне умеренных чисел Рейнольдса l = f(Re,) и хорошее совпадение с опытом дает формула А.Д. Альтшуля:

При достаточно больших значениях Re (развитый турбулентный поток) влияние вязкого трения несущественно и коэффициент l = f(D/d) – так называемая область вполне шероховатых труб. В этом случае расчет можно выполнить по формуле Б.Л. Шифринсона:

Приведенные выше и другие известные эмпирические формулы для определения коэффициента гидравлического трения получены путем обработки экспериментальных графиков. Сравнивая результаты вычисления l по этим формулам с опытными значениями, можно оценить достоверность проводимых опытов.

Цель работы

Усвоить методику опытного определения коэффициента гидравлического трения; для условий проведения опыта установить зависимость коэффициента гидравлического трения от режима течения жидкости и сравнить полученные результаты с расчетами по эмпирическим формулам.

Методика опыта

Коэффициент гидравлического трения определяется косвенным методом с использованием формулы Дарси-Вейсбаха (4.2). При этом непосредственно из опыта находят потери напора h дл – по разности пьезометрических напоров в начале и конце исследуемого участка трубопровода, и скорость движения u по расходу жидкости Q.

Зависимость l = f(Re) устанавливается путем проведения опытов при различных режимах движения жидкости и построения соответствующего графика.

Описание опытной установки

Лабораторная установка (рисунок 4.1) включает напорный резервуар, экспериментальный трубопровод и мерный бак.

Экспериментальный трубопровод – горизонтальный, постоянного сечения (l = 1,2 м, d = 25 мм). На участке определения потерь напора имеются два ниппеля статического давления, которые с помощью резиновых шлангов соединены с пьезометрами. За измерительным участком смонтирован вентиль для регулирования расхода воды.

Порядок проведения работы

а) напорный резервуар заполняют водой до постоянного уровня; б) кратковременным открытием вентиля установку приводят в действие для… в) в трубопроводе устанавливают различные расходы жидкости в диапазоне от минимального до максимального (всего 5-6…

Обработка опытных данных

4.6.1 По данным измерений вычисляют: - расход Q, среднюю скорость u, кинематический коэффициент вязкости n, число Рейнольдса Re (см. лабораторную работу…

Анализ результатов. Вывод по работе

контрольные вопросы

Лабораторная работа №5

Определение коэффициента местного

Сопротивления

Общие сведения

В реальных гидравлических системах движущаяся жидкость теряет механическую энергию на прямолинейных участках труб, а также в арматуре и фасонных частях, других местных сопротивлениях. Потери энергии на преодоление местных сопротивлений (так называемые местные потери напора) обусловлены частично трением, но в большей степени деформацией потока, отрывом его от стенок, возникновением интенсивных вихревых течений.

Местные потери напора определяют расчетом по формуле Вейсбаха:

h м = z м (u 2 /2g), (5.1)

где z м - коэффициент местного сопротивления; показывающий какая часть скоростного напора расходуется на преодоление сопротивления.

Величина z м в общем случае зависит от вида местного сопротивления и режима течения. Опытные значения коэффициента для квадратичной области турбулентного режима приводятся в справочных таблицах.

Цель работы

Усвоить методику опытного определения коэффициента местного сопротивления; определить опытным путем коэффициент z м для исследуемого местного сопротивления, установить зависимость его от числа Рейнольдса и сравнить полученные данные с табличными.

Методика опыта

Коэффициент местного сопротивления определяется косвенным методом с использованием зависимости (5.1). При этом местные потери напора hм находят из…

Описание опытной установки

Установка для опытного определения коэффициента местного сопротивления (рисунок 5.1) включает напорный резервуар, трубопровод с исследуемым местным сопротивлением и мерный бак. На трубопроводе перед местным сопротивлением и за ним установлены ниппели статического давления, которые с помощью резиновых шлангов соединены с пьезометрами. Для регулирования расхода воды имеется вентиль.

Порядок проведения работы

а) напорный резервуар заполняют водой до постоянного уровня; б) проверяют отсутствие воздуха в пьезометрах (уровни воды в них при закрытом… в) в трубопроводе устанавливают различные расходы воды в диапазоне от минимального до максимального (всего 5-6…

Обработка опытных данных

По данным измерений вычисляют: - средний за время опыта расход Q = W/Т и среднюю скорость потока u = Q/w (где w - площадь поперечного сечения…

Анализ результатов

контрольные вопросы

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным для Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Вильнер Я.М., Ковалев Я.Т., Некрасов Б.Б. Справочное пособие по гидравлике, гидромашинам и гидроприводам (Документ)

Баканов М.В., Романова В.В., Крюкова Т.П. Базы данных. Системы управления базами данных. Лабораторный практикум (Документ)

Гайдукевич И.В., Бородина Т.А. Эконометрика. Лабораторный практикум (Документ)

Лукина И.Г., Зарубин Д.П., Козлова Л.В. Коллоидная химия. Лабораторный практикум (Документ)

Абазин Д.Д. Управление техническими системами. Лабораторный практикум (Документ)

Лабораторный практикум по специальности Техническое обслуживание и ремонт оборудования предприятий машиностроения (Лабораторная работа)

Шаповалова Е.В. Лабораторный практикум по общей и неорганической химии (Документ)

Лобанов Ю.В. Лабораторный практикум по ФОЭ (Документ)

Лабораторный практикум - Любивая Л.С., Павлова А.И. Лабораторный практикум по геодезии (Лабораторная работа)

Горлов Ю.П. Лабораторный практикум по технологии теплоизоляционных материалов (Документ)

Острейковский В.А. Лабораторный практикум по информатике (Документ)

n1.doc

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Бийский технологический институт (филиал)

государственного образовательного учреждения

высшего профессионального образования

«Алтайский государственный технический университет

им. И.И. Ползунова»

А.И. Росляков, Л.В. Ломоносова

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

по гидравлике, гидромашинам и гидроприводам
Методические рекомендации к выполнению лабораторных работ

по курсам «Гидравлика», «Гидравлика и гидромашины»,

«Основы гидравлики и гидропривода» для студентов специальностей:

ТМ–151001, ВУАС – 170104, АТ – 190603, АПХП – 240706,

МАПП–260601, ТГВ – 270109

Издательство Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова

Рецензент: заведующий кафедрой МАХиПП БТИ АлтГТУ

Профессор Куничан В.А.

Работа подготовлена на кафедре «Теплогазоснабжение и вентиляция, процессы и аппараты химической технологии»

Росляков, А.И.

Лабораторный практикум по гидравлике, гидромашинам и гид-

роприводам: методические рекомендации к выполнению лабораторных работ по курсам «Гидравлика», «Гидравлика и гидромашины», «Основы гидравлики и гидропривода» для студентов специальностей: ТМ –151001, ВУАС – 170104, АТ – 190603, АПХП – 240706, МАПП –260601, ТГВ – 270109 / А.И. Росляков, Л.В. Ломоносова. – Алт. гос. техн. ун-т, БТИ. – Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2009. – 137 с.
Лабораторный практикум содержит описание правил, порядка и методики проведения лабораторных работ, иллюстрирующих основные закономерности покоя и движения жидкости, а также перечень вопросов, знание которых необходимо для усвоения разделов «Основы гидравлики и гидропривода», «Гидравлика», «Гидравлика и гидромашины» для студентов механических специальностей.

©А.И. Росляков, Л.В. Ломоносова, 2009

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СИЛЫ ГИДРОСТАТИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ 6

1.1 Цель работы: 6

1.3 Теоретические сведения 6

1.5 Описание установки 9

1.7 Обработка опытных данных 12

1.8 Контрольные вопросы 12

2.1 Цель работы: 15

2.3 Теоретические сведения 15

2.3.1 Режимы движения реальной жидкости 15

2.7 Обработка опытных данных 21

6.2 Подготовка к лабораторной работе: 56

ВВЕДЕНИЕ
Для успешного изучения ряда профилирующих дисциплин студентам многих химических и механических специальностей необходимо знать основные законы покоя и движения жидкостей. В дальнейшем им достаточно часто приходится применять знания основ гидравлики для инженерного решения конкретных задач. Например, инженеры-механики на предприятиях химической и смежных с ней отраслей промышленности рассчитывают и конструируют всевозможные трубопроводы, резервуары и аппараты, необходимые для перемещения, хранения и переработки жидких и газообразных продуктов, рассчитывают и регулируют режим работы насосов; инженеры-машиностроители используют гидропривод для автоматизации и механизации операций по обработке деталей, резанием и давлением, сборке и упаковке изделий, расфасовке и дозировке сыпучих и жидких продуктов. Широко применяются гидравлические машины, гидро- и пневмоприводы и в других отраслях: в водоснабжении и мелиорации, металлургии и на транспорте, в строительстве и сельском хозяйстве. Поэтому в общеинженерной подготовке студентов большинства химических и механических специальностей курс гидравлики имеет весьма важное значение. Успешному его освоению в значительной мере способствует прохождение студентами лабораторного практикума.

Цель практикума – закрепление теоретического материала по курсу гидравлики, приобретение навыков работы с контрольно-измерительными приборами и другой исследовательской аппаратурой.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СИЛЫ ГИДРОСТАТИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ

(4 ЧАСА)

1.1 Цель работы:

– определить опытным путем силу гидростатического давления и ее центр давления;

– построить эпюру гидростатического давления.
1.2 Подготовка к лабораторной работе:
– изучить материал по теме данной работы в настоящем пособии;

– выучить определения основных понятий и терминов темы

Основные термины и понятия:

– абсолютный покой;

– вакуум;

– гидростатика;

– давление;

– идеальная жидкость;

– избыточное давление;

– массовые силы;

– плотность;

– поверхностные силы;

– поверхность уровня;

– равновесие;

– свободная поверхность;

– центр давления.

1.3 Теоретические сведения

В гидравлике жидкое тело (жидкость) рассматривается как сплошная среда, состоящая из отдельных материальных точек (частиц). Одним из основных свойств жидкости является текучесть. Текучесть заключается в большой подвижности отдельных частиц жидкости относительно друг друга. Проявляется текучесть в том, что жидкость всегда принимает форму того сосуда, в котором она находится, и не воспринимает воздействие сосредоточенных сил.

Все внешние и внутренние силы, воздействующие на жидкость, непрерывно распределены либо по ее объему (массовые силы ), либо по поверхности (поверхностные ). В результате действия внешних сил внутри покоящейся жидкости возникает нормальное напряжение, равное пределу, к которому стремится отношение силы к площадке (рисунок 1.1), на которую она действует, при стремлении величины площадки к нулю, т.е. при стягивании площадки в точку

Гидростатическим давлением называются нормальные напряжения, возникающие в жидкости под действием внешних сил.

Оно характеризуется двумя свойствами:

–
гидростатическое давление в точке действует по нормали к площадке действия и направлено внутрь рассматриваемого объема жидкости, то есть является сжимающим;

– величина давления в данной точке одинакова по всем направлениям, то есть не зависит от угла наклона площадки, на которую оно действует.

Величина гидростатического давления (см. рисунок 1.1) зависит от глубины погружения (h ) рассматриваемой точки в объем жидкости, удельного веса жидкости  и величины давления в объеме над свободной поверхностью и подсчитывается по основному уравнению гидростатики:

, (1.1)

где  – удельный вес жидкости, равный произведению плотности на ускорение свободного падения, Н/м 3 .

Рисунок 1.2 – Эпюра

гидростатического давления
рафическое изображение зависимости гидростатического давления от глубины погружения называется эпюрой давления (рисунок 1.2). Эпюра гидростатического давления, действующего на вертикальную плоскую стенку, находящуюся под напором жидкости, имеющей глубину h , строится следующим образом. За начало координат принимается точка пересечения уровня поверхности жидкости со стенкой ОА. По горизонтальной оси, совпадающей с направлением гидростатического давления, откладываются в выбранном масштабе избыточные гидростатические давления, а по вертикальной оси – соответствующие глубины жидкости h . Первую точку берут на поверхности жидкости, где h = 0 и = p а . Вторую точку – у дна, где давление

Полученные точки соединяют прямой линией. В результате получают эпюру избыточного гидростатического давления на плоскую вертикальную стенку в виде треугольника. Аналогично строится эпюра абсолютного давления. Однако на практике более важное значение имеют силы, возникающие от действия жидкости на различные стенки.

Например, сила гидростатического давления (F ) жидкости на плоскую стенку, погруженную в жидкость (см. рисунок 1.1), равна произведению площади поверхности S на величину гидростатического давления р с на глубине h c погружения центра тяжести рассматриваемой поверхности:

Таким образом, результирующая сила складывается из двух составляющих:

– силы давления в объеме над свободной поверхностью:

;

– силы F c весового давления на глубине погружения центра тяжести

Давление р 0 , приложенное к свободной поверхности, передается всем точкам жидкости по всему объему во всех направлениях без изменения величины (закон Паскаля), то есть одинаково в любой точке рассматриваемого объема жидкости. Поэтому составляющая приложена в центре тяжести (точка С ) рассматриваемой площадки. Напротив, весовое давление (см. формулу (1.1) и рисунок 1.1) прямо пропорционально глубине погружения. Поэтому точка приложения составляющей F c (точка D ) будет находиться в центре эпюры избыточного давления (треугольника), расположенном ниже центра тяжести площадки. Величина смещения точки D относительно центра тяжести определяется по формуле

, (1.3)

где I с – момент инерции площадки S относительно оси, проходящей через ее центр тяжести, м 4 ;

h с – глубина погружения центра тяжести площадки, м;

S – площадь рассматриваемой площадки, м 2 .

Точка приложения результирующей силы F гидростатического давления находится между точками D и C .
1.4 Оборудование, технические средства и инструменты
Для проведения лабораторной работы необходимы:

– установка для проведения опыта;

Министерство образования и науки РТ

ГАПОУ “Лениногорский нефтяной техникум ”

Практическая работа №1

Тема :

“Гидравлические расчеты на применение основных законов гидростатики ”.

ОП 12 Гидравлика

Специальность 21.02.01. «Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений»

Специальность 21.02.02. «Бурение нефтяных и газовых скважин»

Курс II

Разработал преподаватель специальных дисциплин

М. И. Брендюрева

Лениногорск, 2016

Цель работы : Уметь применять законы гидростатики для решения практических задач.

Оснащение урока : методические указания, калькуляторы, тетрадь, ручка.

Методические указания: при решении задач, сначала необходимо изучить раздел “Гидростатика” – основные понятия, вывод основного уравнения гидростатики, давление жидкости на плоские и криволинейные поверхности. Решение задач производим в соответствии со своим вариантом по списку.

Вариант 1

Задача 1

Необходимо определить избыточное давление в самой глубоководной части Мирового океана (на дне Мариинской впадины), если ее глубина h , а средняя плотность воды.

Задача 2

В резервуаре на водяной подушке хранится керосин. Слой воды высотой h 1 , слой керосина h 2 . Плотность керосина. Определить силу давления на дно.

зад

Данные

Варианты

h + №, м

11000

9000

30 00

45 00

65 00

1040

1020

1030

1040

1035

h 1 + 0,2*№, м

0,45

h 2 , м

Кг/м 3

h , м

D + 0,3*№, м

ρ , кг/м 3

1230

1200

1250

1300

1210

ВУ + №, 0 Е

H + №, м

Р 0 , 10 5 , Па

0,15

0,18

B , м

ρ ж , кг/м 3

1100

Задача 3

Определить силу давления на дно вертикального цилиндрического резервуара, если резервуар диаметром d , заполнен нефтью до высоты h , плотность нефти 900 кг/м 3 .

Задача 4.

Условная вязкость битумной эмульсии при температуре 20 0 С ВУ 0 Е, плотность равна ρ. Определить динамическую вязкость битумной эмульсии при той же температуре.

Задача 5

h 0 , ширина стенки b , плотностью жидкости ρ ж .

Вариант 2

Задача 1

Определить избыточное давление в забое скважины глубиной h , которая заполнена глинистым раствором плотностью 1250 кг/м 3 .

Задача 2

Определить давление, которое испытывает стенка сосуда, заполненного водой, на глубине h от поверхности.

Задача 3

Прямоугольный открытый резервуар предназначен для хранения V воды. Определить силы давления на стенки и дно резервуара, если ширина дна b , а длина.

Задача 4

В резервуар залито V нефти плотностью 800 кг/м 3 . Сколько необходимо залить нефти плотностью 824 кг/м 3 , чтобы плотность смеси стала равной 814 кг/м 3 .

Задача 5

Построить эпюру гидростатического давления жидкости для вертикальной стенки, если высота смоченной поверхности Н, до половины высоты на стенку действует жидкость с плотностью ρ 1 , а на вторую половину действует жидкость с плотностью ρ 2 .

зад

Данные

Варианты

H + №, м

H + 0,1*№, м

V + №, м 3

Н + №, м

ρ 1 , кг/м 3

ρ 2 , кг/м 3

1100

1000

1100

1200

1000

Вариант 3

Задача 1

Определить давление на внутреннюю стенку открытого канала, заполненного водой, на глубине h от поверхности, если известно, что барометрическое давление равно Р.

Задача 2

Открытый вертикальный резервуар квадратного сечения со стороной а, заполнен водой до высоты Н. Определить, полное давление воды на боковую стенку и на дно резервуара.

Задача 3

Расширяющийся к низу открытый резервуар отстойник имеет дно площадью 1 м 2 , уровень осевшей воды равен h 1 , уровень нефти h 2 . Определить силу давления на дно резервуара, если ρ Н =900 кг/м 3 , ρ В =1000 кг/м 3 .

Задача 4

При испытании прочности баллона он был заполнен водой при давлении Р. Через некоторое время в результате утечки части воды через неплотности, давление в баллоне снизилось вдвое. Диаметр баллона d , высота h . Определить объем воды, вытекший при испытании.

зад

Данные

Варианты

h , м

Р + 10*№, мм. рт. ст.

a , м

H, м

h 1 , м

h 2 , м

Кг/м 3

Р, кгс/см 2

d , мм

H , мм

1200

1000

1200

1300

H , м

Р 0 , 10 5 , Па

0,11

0,13

0,11

0,08

0,07

B , м

ρ ж , кг/м 3

1000

1200

Задача 5

Построить эпюру гидростатического давления для плоской стенки, графически определить силу давления жидкости на стенку и место ее приложения, если высота смоченной поверхности h , давление на свободную поверхность жидкости Р 0 , ширина стенки b , плотностью жидкости ρ ж .

Вопросы для самоконтроля:

1. Объясните, что называется гидростатическим, вакуумным и избыточным давлением, в каких единицах оно измеряется.

2. Объясните, как записывается основной закон гидростатики.

3. Объясните, как определяется результирующая силы давления на плоскую стенку.

4. Объясните, как определяется результирующая силы давления на криволинейную поверхность.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Тольяттинский государственный университет

Инженерно-строительный институт Кафедра «Водоснабжение и водоотведение»

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к лабораторным работам по дисциплине « ГИДРАВЛИКА»

для академического консультанта

Тольятти 2007


Указания к проведению лабораторных работ.................................................................................
Описание универсального гидравлического стенда ГС - 3............................................................
Лабораторная работа №1
Определение величины коэффициента вязкости воды..................................................................
Лабораторная работа №2
Исследование законов движения жидкости....................................................................................
Лабораторная работа №3
Исследование режимов движения жидкости.................................................................................
Лабораторная работа №4
Исследование на физической модели изменения давления в трубопроводе в случае утечки
воды...................................................................................................................................................
Лабораторная работа №5
Исследование параметров трубопровода на физической модели...............................................
Лабораторная работа №6
Определение величины коэффициента гидравлического трения трубы....................................
Лабораторная работа №7
Определение величины коэффициента местного сопротивления вентиля................................
Лабораторная работа №8
Определение удельного сопротивления трубопровода................................................................
Пример оформления отчета............................................................................................................

УДК 532.5 (533.6)

Методические указания к лабораторным работам по дисциплине «Гидравлика» для студентов строительных специальностей очной формы обучения. /Сост. Калинин А.В., Лушкин И.А. – Тольятти: ТГУ, 2006.

Изложены цели, задачи и программа лабораторных работ, даны указания по подготовке к работам и их выполнению.

Ил.12. Табл. 8. Библиогр.: 5 назв.

Составитель: Калинин А.В., Лушкин И.А Научный редактор: Вдовин Ю.И.

Утверждено редакционно-издательской секцией методического совета института.

Указания к проведению лабораторных работ

Основой изучаемого курса является приобретение студентами первоначальных навыков проведения исследовательских работ, осмысление результатов лабораторного исследования, представление и защита полученных результатов. Лабораторные работы проводятся в лабораториях кафедры «Водоснабжение и водоотведение». В ходе проведения работы студент имеет возможность видеть и изучать явления, происходящие в жидкости, производить измерения физических величин, овладевает методикой постановки экспериментов, приобретает навыки обработки полученных в результате эксперимента данных, представления результатов исследования. За время проведения лабораторных работ студент должен научиться пользоваться измерительными приборами.

Перед проведением лабораторной работы осуществляется контроль знания студентом теоретического материала по теме экспериментального исследования. Контроль осуществляется академическим консультантом в в тестовой форме. Студент допускается к проведению лабораторной работы, если он правильно ответил на 40% вопросов теста.

В лабораторных работах №4 и №5 студент до проведения экспериментального исследования должен выполнить расчет параметров физической модели. Результаты расчета предъявляются академическому консультанту. В случае, если расчет студентом не был выполнен, студент до экспериментального исследования не допускается.

Результаты проведенного экспериментального исследования оформляются в виде отчета. В отчете приводятся: цель работы, схема установки, основные расчетные формулы, таблицы измерений и расчетов, графики, выводы. Результаты исследования после проверки академическим консультантом используются при расчете короткого трубопровода.

Описание универсального гидравлического стенда ГС - 3

Универсальный гидростенд (см. рис. 1) предназначен для проведения лабораторных и науч- но-исследовательских работ, целью которых является изучение законов движения жидкостей. Гидростенд разработан на кафедре «Теплотехника и тепловые двигатели» Самарского государственного аэродинамического университета.

Основные элементы гидростенда:

напорное и приёмное устройство;

рабочий участок;

насос;

измерительные устройства.

На стойке 4 установлен напорный бачок 2, выполненный из нержавеющей стали в виде сферы. Напорный бачок имеет выходной патрубок 3, к которому с помощью уплотнения крепится рабочий участок 15. Другой конец рабочего участка укрепляется в патрубке с помощью резиновой манжеты, надвигаемой на участок механизмом 17.

В напорную магистраль вода поступает от насоса 9 при открытии вентиля 8. Во время эксперимента питающий вентиль 6 и сливной 7 должны быть закрыты. Расход воды через рабочий участок регулируется вентилем 18 на выходе из рабочего участка и вентилем 8

Рис. 1. Схема гидростенда

Приёмное устройство представляет собой бак 22, соединённый со сливной магистралью 12. Над приемным баком на консоли 10 смонтирован мерный бачок 20 для измерения расхода воды. На консоли установлен лоток 11, используемый для сбора воды и слива её в мерный бачок 20. В днище мерного бачка имеется клапан 21, управляемый с помощью рычажного механизма

Измерительные приборы представлены пьезометрическим щитом 13, на котором смонтировано семь стеклянных трубок. Избыточное давление в напорном баке измеряется образцовым манометром 1. При измерении расхода воды одновременно с закрытием клапана на пульте управления 5 включается электросекундомер. После заполнения водой определённого объема мерного бака (3 литра) происходит замыкание контакта включателя уровня с одновременной остановкой электросекундомера.

Гидростенд работает по замкнутой схеме с насосной подачей воды из расходного бака, слива её в приёмный бак и подачей под напором в расходный бак.

Лабораторная работа №1 Определение величины коэффициента вязкости воды

1. Цель работы: экспериментальное определение величины коэффициента вязкости и плотности воды при заданной температуре. Результаты эксперимента используются при расчете короткого трубопровода.

2. Программа работы:

2.1.Определить вязкость воды при заданной температуре при помощи вискозиметра Энгле-

2.2.Измерить ареометром плотность жидкости. 2.3.Установить динамическую вязкость испытуемой жидкости.

3. Описание лабораторной установки и измерительных приборов

Вискозиметр Энглера (рис. 2) состоит из металлического цилиндра 1, имеющего сферическое дно с отверстием. Отверстие закрывается стержнем 2. При исследовании зависимости изменения вязкости жидкости от температуры цилиндр помещается в водяную ванну 3 с регулируемым подогревом воды.

Рис 2. Вискозиметр Энглера

Принцип действия ареометра (см. рис. 3) основан на использовании закона Архимеда, согласно которому на тело, помещенное в жидкость, вертикально вверх действует сила Архимеда. Величина этой силы зависит от плотности жидкости. Чем больше плотность жидкости, в которую помещено тело, тем больше будет сила Архимеда, которая будет выталкивать тело из жидкости. Можно на тело в виде поплавка нанести риски, соответствующие различным величинам плотности, и в зависимости от того, насколько такой «поплавок» будет виден над поверхностью жидкости, судить о величине плотности этой жидкости.

Рис. 3. Ареометр

4. Порядок выполнения работы:

4.1. Наливаем ≈ 250 см 3 исследуемой жидкости в цилиндр 1 и устанавливаем мерный сосуд под отверстием.

4.2. Стержнем 2 открываем отверстие в цилиндре, одновременно включив секундомер.

4.3. Определяем время τ 1 истечения из цилиндра 200 см3 исследуемой жидкости при комнатной температуре. Опыт повторяем не менее 3 раз.

4.4. Тщательно вытираем цилиндр и в него выливаем при закрытом донном отверстии ≈ 250 см 3 эталонной жидкости (дистиллированной воды).

4.6. Определяем время истечения τ 2 эталонной жидкости.

4.7. Для определения плотности ρ исследуемую жидкость наливаем в высокий мерный стакан. В стакан опускаем ареометр и по ареометрической шкале определяем плотность жидкости.

4.8. Определяем среднее время истечения τ 1ср и τ2ср

τ ср = τ " + τ " + ... + τ n , n

где n – количество измерений. 4.9. Вычисляем градусы Энглера

° Э = τ 1ср .

τ 2ср

4.10. Определяем коэффициент кинематической вязкости ν по формуле Убелоде

ν = (0,0732° Э− 0,0631 ° Э ) .

4.11. Находим динамический коэффициент вязкости μ, используя формулу

ν = μ ρ .

4.12. Результаты измерений и расчетов сводятся в таблицу 1 и используются при расчете короткого трубопровода

Таблица 1

5. Выводы

Вязкость испытуемой жидкости



	см2

					с× см

Лабораторная работа №2 Исследование законов движения жидкости

1. Цель работы : Экспериментальное подтверждение выводов, сделанных в ходе изучения темы «Основы динамики и кинематики жидкости», приобретение навыков построения линии напора и пьезометрической линии короткого трубопровода.

2. Программа работы:

2.1.Определить напор Н в трех точках на оси трубы, найти потери напора. 2.2.Определить скорость потока на оси трубы.

2.3.Построить графики изменения полного напора Н и гидростатического напора H p по длине трубы.

3. Описание установки. Лабораторная работа проводится в помещении лаборатории гидравлики кафедры ВиВ. Рабочий участок гидростенда, на котором проводится работа, представляет собой наклонную металлическую трубу переменного сечения (рис. 4). Для измерения статического и полного давлений жидкости в сечениях 1-1, 2-2, 3-3, 4-4 и 5-5 установлены пьезометрические трубки и трубки Пито. Регулирование расхода жидкости в трубе производится вентилем, находящимся в конце рабочего участка стенда.

Рис. 4. Схема рабочего участка гидростенда

4. Порядок выполнения работы:

4.1. Включаем установку.

4.2. Открываем вентиль в конце рабочего участка стенда.

4.3. Измеряем расстояние между сечениями трубы l и ординату z в каждом сечении.

4.3. После того, как выйдут пузырьки воздуха из трубок, записываем показания пьезометров

и трубок Пито во всех сечениях.

4.4. Выключаем установку.

4.5. Определяем потери энергии между сечениями

h w 1− 2 = H 1 − H 2 , h w 2− 3 = H 2 − H 3 и т.д.,

где h w 1 − 2 – потери напора между сечениями 1-1 и 2-2; h w 2 − 3 – потери напора между сечениями 2-2 и 3-3; H 1 , H 2 , H 3 – показания трубки Пито в сечениях 1-1, 2-2 и 3-3.

4.6. Находим измеренный скоростной напор в каждом сечении

		αυ2		− H

где H i – показания трубки Пито в соответствующем сечении; H pi – показания пьезометрической трубки в соответствующем сечении.

4.7. Определить скорость потока на оси трубы

υ = 2 gh υ .

4.8. Результаты исследований записываем в таблицу 2. Таблица 2






			Внутреннийдиаметр трубы d ,см	ПоказанияпьезометрическойтрубкиH см				Скорость натрубыоси υ , см/с		Измеренныйпьезометрический напорH см

сечения№	Ординатасмz ,	Расстояниемежду сечениямисмl ,			Показаниятрубки ПитосмH ,	Потеринапораh	Скоростнойнапор		Измеренныйполный напорH














			1. Цель работы : Экспериментальное определение величины числа Рейнольдса, при переходе ламинарного режима в турбулентный; определение режима движения жидкости, соответствующего числу Re, полученному при расчете короткого трубопровода. 2. Программа работы: 2.1.Установить ламинарный режим движения жидкости в трубе. 2.2.Добиться перехода ламинарного режима в турбулентный. 2.3.Определить число Рейнольдса, соответствующее переходу ламинарного режима в турбулентный. 3. Описание установки. Рабочий участок гидростенда для данной работы представляет собой стеклянную трубу 1 постоянного диаметра (рис. 5). На входе в трубу монтируется устройство, по которому под давлением при открытом кране 3 подается краска или воэдух. Скорость движения воды регулируется вентилями 8 и 18 (см. описание гидростенда). Рис. 5. Схема рабочего участка лабораторной установки 4. Порядок выполнения работы: 4.1. Включаем насос, вентилем 8 устанавливаем минимальное давление в расходном бачке, при котором в стеклянной трубе устанавливается спокойное движение воды с малыми скоростями. 4.2. Медленно открывая кран 3 и регулируя расход воды через трубу вентилем 18, добиваемся, чтобы краска поступала в стеклянную трубу тонкой струйкой, параллельно стенкам. 4.3. Увеличивая давление в расходном бачке вентилем 8, добиваемся установления в трубе турбулентного режима и определяем время заполнения мерного бачка. 4.4. Определяем расход Q = V t , где V – объем мерного бачка, равный 3 л; t – время заполне- ния бачка, и скорость движения жидкости в трубе υ = Q S , где S – площадь сечения стеклянной 4.5. Определяем число Рейнольдса, при котором произошел переход ламинарного режима в турбулентный Re = υ d ρ , где d – диаметр стеклянной трубы, равный 1,7 см; ρ – плотность жидкости (см. лаб. работа №1); μ – коэффициент динамической вязкости жидкости, соответствующий температуре жид- кости t = 20 °C.