Лабораторная Работа № 5 потери напора в местных гидравлических сопротивлениях

Цель работы:

Сопоставление результатов экспериментального и расчетного определения коэффициентов местных гидросопротивлений при внезапных сужении и расширении канала.

В работе необходимо:

- опытным путем определить потери напора воды при внезапном сужении и внезапном расширении каналов с одинаковыми геометрическими соотношениями;

- обработать результаты опыта, сопоставить величины потерь напора и их коэффициентов для обоих местных сопротивлений;

- рассчитать для данного опыта местные коэффициенты сопротивления по известным зависимостям и сопоставить их величины с опытными значениями.

Основные теоретические положения

Местные потери напора вызваны деформацией потока в связи с изменением размеров или конфигурации русла. Это приводит к изменению скорости частиц жидкости, их столкновениям, вихреобразованию и отрыву струй от стенок канала. Местные потери напора рассчитывают по общей формуле Вейсбаха, см. (4.1), причем коэффициент местного гидросопротивления _мест в большой степени зависит от геометрических параметров канала. (При малых скоростях необходимо также учитывать влияние числа Re). Простейшие случаи местных сопротивлений сводятся к расширению, сужению и поворотам как внезапным, так и постепенным (в последнем случае следует учитывать и путевые потери). Более сложные случаи – течение в вентилях, задвижках, решетках и др. – чаще всего могут быть сведены к комбинации простейших.

Особенность расчетов местных сопротивлений по формуле Вейсбаха (4.1) заключается в том, что средняя скорость на входе в сопротивление и выходе из него не одинакова. Поэтому от того, какую скорость взять при расчете, зависит величина _мест в данном расчете (если взять большую скорость – уменьшится значение _мест, и наоборот. Но при этом для правильных расчетов значение не должно изменяться). Обычно в справочниках приводятся значения коэффициентов местных сопротивлений, отнесенные к самому узкому сечению канала, где скорость – наибольшая:

. (5.1)

Это дает возможность, например, сравнивать различные сложные сопротивления с одинаковыми калибровочными отверстиями [5].

При этом условии, например в случаях внезапного расширения (рис. 5.1, б) или сужения (рис. 5.1, а) коэффициенты _мест для каналов круглой формы запишутся так:

; (5.2а)

. (5.2б)

В частных случаях, когда диаметр широкого сечения намного больше, чем узкого (d_ш>> d_у), можно считать:

_{вн.расш} = 1 (истечение из большого бака в трубу);

_вн.суж = 0,5 (истечение из трубы в большой бак).

Рис. 5.1

При опытном определении местных потерь используют уравнение Бернулли (2.1), которое в этом случае (для z = const) запишется так:

. (5.3)

Первое слагаемое определяется показаниями пьезометров, а второе –рассчитывается из формулы (2.3). Важно, что при принятых условиях (d_ш, d_у = const) в обоих случаях второе слагаемое по величине – одинаково.

Описание экспериментальной установки

Опыт проводится на установке для лабораторной работы № 2 (см. рис. 2.2). При этом для сопоставления целесообразно взять такие сечения, для которых степени сужения и расширения равны (рис. 5.1а, б). Согласно рис. 2.2, это сечения 7 – 8 (внезапное сужение) и 9 – 10 (внезапное расширение).

Порядок выполнения работы

Порядок выполнения этой работы совпадает с последовательностью, описанной в работе № 2, но данные опыта берутся лишь для сечений 7, 8, 9, 10. В связи с этим допускается для студентов, хорошо усвоивших положения работы № 2, ограничиться выпиской опытных данных на бланк из работы № 2 (без повторения опыта). На бланк также выписать, кроме зависимостей (5.1), (5.2), (5.3), формулы (2.3), (2.4) и значения диаметров труб на обследованных участках, а также нарисовать схемы, изображенные на рис. 5.1а, б.

Результаты опытного и расчетного определения коэффициентов местных гидросопротивлений сопоставить между собой.

Контрольные вопросы

1. Дать общую характеристику потерь напора, пояснить расчетные формулы и входящие в них величины.

2. Виды местных сопротивлений и факторы, определяющие их величины.

3. Схемы составляющих энергии при внезапном сужении, расширении и расчетные формулы, пояснить их.

4. Порядок определения местных потерь напора в опыте. Как при этом используется уравнение Бернулли?

Рекомендуемая литература

[1, с. 107-110, 114-116], [2, с. 86-89], [5, с. 93-98, 119-127].