Описание установки

Установка включает в себя (рис. 3.2) напорный бак 1, мерную емкость 2 и две горизонтальные трубы: широкую 3 (d = 1,6 cм), в которой и изучается движение воды при различных режимах, с регулировочным краном 4, и тонкую (d = 0,9 см) трубку 5, в которую из емкости 6 раствор красителя подается открытием краника 7 по трубке 5 во входное сечение трубы 3. Кроме мерного бака 2, для измерения расхода воды, подаваемой по трубам, служит секундомер 8.

Рис. 3.2. Схема экспериментальной установки для иллюстрации ламинарного и турбулентного режимов движения жидкости в круглой трубе

Следовательно, регулирование расхода воды и средней скорости ее движения в трубе 3 и в трубке 5 осуществляется соответственно кранами 4 и 7. На широкой трубе 3 имеются пьезометры 10 (на входе) и 11 (на выходе) для определения потерь напора по длине h_l широкой трубы 3 (по разности их показаний).

Температура воды в баке 1 измеряется термометром 12.

В исходный напорный бак 1 вода подается по питающему трубопроводу 13 открытием вентиля 14 из резервуара лаборатории. Для поддержания уровня воды в баке 1 во время опытов на постоянной отметке имеется переливное устройство (не показано). Уровень воды контролирует электрический уровнемер со световой индикацией (также не показан).

Выполнение работы и обработка результатов экспериментов

1. Открыть вентиль 14 на трубопроводе 13 и наполнить водой исходный бак 1 настолько, чтобы переливное устройство начало работать, после этого прикрыть вентиль 14.

2. Открыть незначительно кран 4 на широкой трубе 3, чтобы скорость движения воды в ней была небольшой (вода из трубы 3 должна течь тонкой струйкой).

3. Приоткрыть краник 7 на трубке 5 и подать из емкости 6 в тру­бу  3 небольшое количество раствора красителя, чтобы окрашенная струйка воды представляла собой отчетливо выраженную нить по всей длине трубы 3.

4. Измерить с помощью мерного сосуда 2 и секундомера 9 расход воды Q в трубе 3. При этом измеряемый объем воды в сосуде 2 должен быть таким, чтобы время наполнения сосуда составляло не менее 20–30 с.

5. Измерить температуру воды в баке 1 термометром 12.

6. Результаты измерений записать в табл. 3.1.

7. Открывая кран 4, увеличить скорость движения воды в трубе 3, но так, чтобы окрашенная струйка жидкости сохранялась, т.е. чтобы режим остался ламинарным. Выполнив те же измерения, что и в первом опыте, записать их результаты в табл. 3.1.

8. При дальнейшем увеличении открытия крана 4 создать в трубе 3 турбулентный режим (об этом будет свидетельствовать интенсивное перемешивание раствора красителя с водой, подачу которого следует увеличить, чтобы эффект был ярче) и выполнить 3-й и 4-й опыты так, как описано выше. После этого закрыть краник 6 и кран 4. Результаты измерений записать в табл. 3.1.

9. Открыть кран 4 на широкой трубе 3 так, чтобы разность показаний пьезометров 10 и 11 составляла не более 0,3 см, измерить расход воды и ее температуру. Результаты измерений записать в табл. 3.1.

10. Сделать еще девять аналогичных опытов, увеличивая в каждом последующем опыте открытие крана 4 так, чтобы разность показаний пьезометров 10 и  11 (потеря напора по длине h_l) возрастала примерно в 1,5–1,6 раза. Результаты измерений занести в табл. 3.2.

11. Выполнить все вычисления, предусмотренные в табл. 3.1 и 3.2.

12. Используя данные табл. 3.2, построить в масштабе график (см. рис. 3.1) и определить с его помощью критическую скорость , а через нее и , а также показатели степени , , коэффициенты пропорциональности , .

13. Сделать выводы по проделанной работе.

Таблица 3.1

Результаты выполнения первого эксперимента

№ п/п	Наименование и обозначение измеряемой (вычисляемой) величины	Единица измерения	Результаты измерений и вычислений
			Ламинарный режим		Турбулентный режим
			Опыт 1	Опыт 2	Опыт 3	Опыт 4
1	Объем воды в мерном сосуде	см3
2	Время наполнения объема	с
3	Расход воды	см3/с
4	Внутренний диаметр стеклянной трубы d	см
5	Площадь поперечного сечения трубы	см2
6	Средняя скорость движения воды	см/с
7	Температура воды	°С
8	Кинематический коэффициент вязкости воды v (см. справочник)	см2/с
9	Число Рейнольдса	–
10	Критическое число Рейнольдса Re кр(d) (по справочнику)	–

Таблица 3.2

Результаты девяти аналогичных опытов

№ п/п	Наименование и обозначение измеряемой (вычисляемой) величины	Единица измерения	Результаты измерений и вычислений
			Номер опыта
			1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
1	Объем воды в мерном сосуде W	см3
2	Время наполнения t	с
3	Расход воды	см3/с
4	Внутренний диаметр трубы d	см
5	Площадь поперечного сечения трубы	см2
6	Средняя скорость потока	см/с
7	Логарифм средней скорости	–
8	Отметка уровня воды в пьезометре 1	см
9	Отметка уровня воды в пьезометре 2	см
10	Потеря напора по длине	см
11	Логарифм потерь напора по длине	–
12	Температура воды	°С
13	Кинематический коэффициент вязкости воды (см. справочник)	см2/с

Примечание. При проведении опытов увеличивали открытие крана, чтобы разность показаний пьезометров (потеря напора по длине) возрастала примерно в 1,5– 1,6 раза.

Контрольные вопросы

1. Перечислите режимы движения жидкости и укажите их характерные особенности.

2. Что такое критерий Рейнольдса? Укажите факторы, от которых он зависит.

3. Что такое критическое число Рейнольдса?

4. Как и с какой целью определяется режим движения жидкости при гидравлических расчетах?

5. Что такое критическая скорость? От каких факторов она зависит? Как определяется критическая скорость?

6. Напишите и поясните аналитические зависимости потерь напора по длине от средней скорости потока при ламинарном и турбулентном режимах движения жидкости.

7. Изобразите график зависимости потерь напора по длине от средней скорости (в логарифмических координатах) и опишите его.

Лабораторная работа 4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ СОПРОТИВЛЕНИЙ НАПОРНОГО ТРУБОПРОВОДА. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТОВ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ТРЕНИЯ ПО ДЛИНЕ И МЕСТНЫХ СОПРОТИВЛЕНИЙ

Цели работы: 1. Определить на опыте коэффициент гидравли­ческого трения и коэффициент местного сопротивления для трех его видов;

2. Используя соотношения А.Н. Альтшуля или же график Никурадзе, установить области гидравлического сопротивления участков напорного трубопровода;

3. Вычислить коэффициенты гидравлического трения по эмпирическим формулам;

4. Найти справочные значения коэффициентов местных сопротивлений;

5. Оценить сходимость расчетного коэффициента сопротивления по длине и местных сопротивлений с их справочными значениями.