Експериментальна аерогідродинаміка та гідравліка
Методическое пособие - Физика
Другие методички по предмету Физика
тності розрахунків. Цією формулою користуються при обчисленнях як ламінарних, так і турбулентних режимів руху. А відхилення від квадратичної залежності враховується тим, що значення коефіцієнта l ставиться у пряму залежність від Re, шорсткості поверхні D тощо. Визначенню впливу різних факторів на l присвячено багато експериментальних робіт.
Найбільш цінними своєю систематичністю та широким діапазоном досліджень є експерименти, які виконав Нікурадзе. На рис.9 наведено графік, побудований за даними Нікурадзе. Як видно з графіка, залежність l=f (Re,D) є дуже складною.
Для зясування фізичної суті цієї закономірності розглянемо структуру потоку рідини в трубі і шорсткість стінок труби. Абсолютною шорсткістю
К прийнято називати величину виступів, зазубрин, нерівностей на стінці. Експерименти показують, що величина втрат напору нl залежить не тільки від величини К, але й від форми виступів, частоти та порядку їх розташування. Очевидно також, що одна й та ж абсолютна шорсткість у трубах малого діаметра буде більше впливати на потік, ніж у трубах великого діаметра. А тому більш характерною є величина відносної шорсткості
,
де d - діаметр труби.
Присутність твердої поверхні суттєво зменшує величину поперечної пульсації швидкості в пристінному шарі. Експеримент свідчить, що навіть при великих швидкостях потоку, рідина біля стінки труби рухається повільно, упорядковано, обтікаючи виступи та нерівності поверхні. Установлено, що біля стінки реалізується ламінарний режим руху. Товщина ламінарного пристінного прошарку залежить від числа Re та діаметра d:
.
Рис.9. Залежність l від числа Re згідно з результатами дослідів Нікурадзе
У тому разі, коли d>K, тобто коли ламінарний прошарок покриває виступи та нерівності труби, очевидно, що величина шорсткості не буде впливати на втрати напору, і така труба буде гідравлічно гладкою трубою. При d<K вона гідравлічно шорстка. Оскільки d залежить від Re, то одна й та ж труба може бути гідравлічно гладкою й гідравлічно шорсткою залежно від величини числа Re. Область залежності l=f (Re,D) можна розділити на пять характерних зон (рис.9): І - зона ламінарного руху, 0<Re<2320, втрати напору не залежать від шорсткості:
;
ІІ - зона перехідного режиму, 2320<Re<4000, втрати також не залежать від шорсткості поверхні:
,
де a0,02 для водопровідних труб із середньою шорсткістю; ІІІ - зона гідравлічно гладких труб, 4000<Rе<40, шорсткість не впливає на втрати напору:
(формула Блазiуса);
ІV - зона шорстких труб, 40<Rе<500, втрати напору залежать і від числа Re і від шорсткості:
(формула Альтшуля);
V - зона квадратичного опору (або зона автомодельності), Rе>500, втрати напору залежать тільки від шорсткості:
(формула Шифринсона).
Необхідно зазначити, що для ІІ-V зон відомо багато інших емпіричних формул, за якими визначають коєфіцієнт l.
1.4.1 Лабораторна работа. Визначення коефіцієнта опору тертя
МЕТА РОБОТИ:
1. Для різних значень чисел Re визначити експериментально величину коефіцієнта опору тертя трубопроводу lД.
2. За результатами досліду визначити величину шорсткості труби К.
3. Обчислити величину коефіцієнта lФ за формулами й порівняти зі значеннями коефіцієнтів lД, одержаними експериментально.
4. Побудувати графіки залежностей
та .
ОПИС УСТАНОВКИ. Схема гідродинамічної установки для визначення коефіцієнта опору lД зображена на рис.10. Покази пєзометрів 1 і 2 відмічають пєзометричні напори на початку і в кінці труби, довжина якої l.
Під час проведення досліду рівень рідини в напірному баці необхідно підтримувати постійним за допомогою кранів ІІ і ІІІ.
Секундні витрати води слід фіксувати за показами мірного бачка V.
ПОРЯДОК ПРОВЕДЕННЯ ДОСЛІДУ
1. Відкрити крани ІІ і ІІІ. За допомогою крана ІІІ підтримувати постійний рівень води в баці. Записати до протоколу досліду різницю значень рівнів рідини у пєзометрах 1 і 2, розташованих на щиті ІV: Dнl=н1-н2. Провести вимірювання секундних витрат води.
2. Дотримуючись послідовності, вказаної в п. І, виконати дослід при інших режимах руху рідини, тобто при інших положеннях рівня води в напірному баці.
3. Виміряти температуру води.
Рис.10. Схема установки для дослідження коефіцієнта опору тертя
ОФОРМЛЕННЯ РЕЗУЛЬТАТІВ ДОСЛІДУ
1. Обчислити величину швидкостей потоку
,
де - площа поперечного перерізу труби.
2. Обчислити експериментальні значення коефіцієнта опору тертя
.
3. Знайти величину коефіцієнта вязкості (див. лабораторну работу 3).
4. Визначити числа Рейнольдса
.
5. Обчислити та і нанести одержані дані на графік Нікурадзе (рис.10). Для тих точок, що потрапили до IV та V зон, знайти величину D, скориставшись відповідно формулами Альтшуля і Шифрінсона.
6. Визначити, до яких зон належать числа Re в проведеному досліді, і за формулами для відповідних зон обчислити відповідні значення коефіцієнта lФ.
7. Побудувати графіки залежностей
Протокол досліду
Режим рухуDнl, смQср, см3/сV, см/сn, см2/сRelДlФ12345
1.5 Дослідження місцевих опорів
Трубопроводи та канали, які застосовуються для транспортування рідин, складаються не тільки з прямолінійних ділянок з постійним поперечним перерізом, але й з різноманітних криволінійних зєднувальних ділянок,