Експериментальна аерогідродинаміка та гідравліка
Методическое пособие - Физика
Другие методички по предмету Физика
к1 - режим ламінарний; при V>Vк2 - режим турбулентний; при Vк1<V<Vк2 - нестійкий рух рідини (перехідна зона).
При практичних розрахунках перехідну зону відносять до турбулентного режиму.
На характер руху рідини (режим руху), окрім швидкості, істотно впливають фізичні властивості рідини (вязкість, густина), а також форма та розміри поперечного перерізу потоку.
Кількісним критерієм для визначення режиму руху є число Рейнольдса
,
де V - середня швидкість потоку в даному перерізі;
d - внутрішній діаметр труби;
n - кінематичний коефіцієнт вязкості, який залежить від рідини та її температури.
Рис.6. Режими руху рідини
Експериментально встановлено, що при Re2320 - він турбулентний.
Число Re=2320 називають критичним. Для труб некругового поперечного перерізу замість діаметра у формулу для обчислення величини числа Рейнольдса ставлять 4Rr, де Rr - гідравлічний радіус потоку:
, м,
де F - площа поперечного перерізу потоку;
c - змочена частина периметра.
1.3.1 Лабораторна работа 3. Дослідження режимів руху рідини
МЕТА РОБОТИ:
Вивчити режими руху води у скляній трубі.
Замалювати підфарбовану струминку при різних режимах.
Дослідним шляхом визначити значення чисел Re при ламінарному й турбулентному режимах.
Визначити межі значень критичного числа Re.
Побудувати графік залежності швидкості V від Re.
ОПИС УСТАНОВКИ. Установка для дослідження режимів руху рідини (рис.7) складається з напірного бака V і скляної труби І. На вхід скляної труби підведена струминка чорнила. Витрата чорнила регулюється краном VІ. Температуру води вимірюють термометром.
Дослід необхідно проводити при постійному рівні рідини у напірному баці. Рівень води в баці можна спостерігати на водомірному склі або на пєзометрі, розміщеному на щиті (рис.7).
Рис.7. Установка для дослідження режимів руху рідини
Витрата рідини визначається обємним способом, тобто за допомогою мірного бака та секундоміра.
ПОРЯДОК ПРОВЕДЕННЯ ДОСЛІДУ
1. За допомогою кранів ІІ і ІІІ установити стаціонарний рух води в трубі, після цього відкрити кран VІ і спостерігати за рухом чорнила в трубі І.
Необхідно замалювати структуру потоку, заміряти витрати води за допомогою мірного бачка тричі. Усі дані занести до протоколу.
2. Повільно відкриваючи кран ІІ, за допомогою крана ІІІ встановити в напірному баці новий (вищий) рівень води, зафіксувати момент переходу від ламінарного режиму до турбулентного й знову тричі виміряти секундні витрати води.
3. Відкрити кран ІІ і, домігшись усталеного руху води, повторити весь обсяг робіт для турбулентного режиму.
4. Повільно перекриваючи кран ІІ і підтримуючи за допомогою крана ІІІ постійний рівень у баці, зафіксувати у картинці руху струминки чорнила момент переходу від турбулентного режиму до ламінарного і знову тричі заміряти витрати.
5. Виміряти температуру води.
ОФОРМЛЕННЯ РЕЗУЛЬТАТІВ ДОСЛІДУ
1. Визначити секундні витрати води для кожного з режимів руху води (див. лабораторні роботи 1,2).
2. Обчислити величину середніх швидкостей
,
де Fт - площа поперечного перерізу скляної труби.
3. Обчислити коефіцієнт кінематичної вязкості води за формулою
, см2/с.
4. Для кожного режиму руху визначити число
.
5. Побудувати графік залежності V=f (Re).
Протокол досліду
Режим рухуi№ вимiруWji, см3?ji, сQji, см3/сQcp. i, см3/сVi, см/сn, см2/сReI123II123III123IV123V123
1.4 Дослідження гідравлічного опору труб
Дослідження гідравлічного опору прямого трубопроводу з постійним круговим перерізом. Реальна рідина, яка тече в трубі або якомусь іншому каналі, зазнає опору своєму рухові, тобто при русі від одного перерізу до іншого втрачається якась частка механічної енергії потоку. Якщо рідина рухається в прямій трубі з постійним поперечним перерізом, то енергія витрачається на подолання сили тертя. Втрата напору на сили тертя формально може бути визначена за рівнянням Бернуллі, яке потрібно застосовувати для двох поперечних перерізів труби, що знаходяться на відстані l:
.
При горизонтальному положенні труби (рис.8) z1=z2, а якщо труба має постійний поперечний переріз, то для усталеного руху і V1=V2. Тоді втрати напору знаходять за формулою
,
де і - пєзометричні напори в початковому (1) і кінцевому (2) перерізах труби.
На практиці для обчислення втрат напору на тертя користуються формулою Дарсі-Вейсбаха
,
де l - довжина труби від перерізу 1 до перерізу 2; d - внутрішній діаметр труби; l - коефіцієнт гідравлічного опору;V - середня швидкість рідини в трубі. Із формули Дарсі-Вейсбаха видно, що втрати напору пропорціональні квадрату швидкості, тому цей закон прийнято називати законом квадратичного опору. Експериментальні дослідження показують, що на величину втрат напору суттєво впливають режим руху, матеріал та стан стінок труби, форма поперечного перерізу тощо. Окрім того, дослідами також встановлено, що втрати напору не завжди пропорціональні квадрату швидкості. Так, при ламінарному русі нl ~ V1, при турбулентному русі з малими числами Re нl ~ V (1,752) і тільки при великих числах Re нl ~ V2.
Рис.8. Втрати напору на тертя
Але квадратична залежність Дарсі-Вейсбаха виявилася дуже зручною для практики і доцільною з погляду одномані