Направления 35.03.06 Агроинженерия

Им. А.А. Ежевского»

 

Ф.А. Васильев, В.В. Пальвинский, А.С. Васильева

 

ГИДРАВЛИКА

Учебно-методическое пособие

по изучению дисциплины

и задания для контрольных работ

студентам-заочникам

Направления 35.03.06 Агроинженерия

Направления 13.03.01 Теплоэнергетика и теплотехника

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ

 

Лабораторная работа:

«Измерение вакуумметрического и избыточного давления

С помощью различных приборов»

 

Время выполнения – 2 часа

Цель работы: приобретение навыков в измерении, определении вакуумметрического и избыточного давления с помощью вакуумметра, пьезометра и манометра на поверхности жидкости и в точке, погруженной в жидкость.

Отчетность

1 - Вычертить схему лабораторной установки.

2 - Начертить и заполнить таблицу 1 результатов замеров и расчетов.

 

Контрольные вопросы

1. Основное уравнение гидростатики, записать формулу.

2. Что такое абсолютное давление?

3. Что такое вакуумметрическое давление? Написать формулу.

4. Чему равна максимальная величина разрежения?

5. Размерность разрежения в системе «СИ»?

6. Какое давление измеряется при помощи манометра?

7. Какое давление измеряется при помощи пьезометрической высоты?

8. Физическая сущность пьезометрической высоты?

9. Размерность давления в системе «СИ»?

10. Физическая сущность плоскости равного давления, написать уравнение равновесия для системы резервуар – пьезометр.

11. На какую величину отличается давление от избыточного давления?

 

 

Таблица 1 - Результаты измерений и расчетные данные

 

№ п/п

По показанию вакуумметра

Показания образцового манометра, Рм

Показания пьезометра

Давление на поверхность жидкости в сосуде, Ро

Показания вакуумметра, h вак

Вакуумметрическое давление, Рраз

По шкале манометра

пересчет

Высота воды в пьезометре, h 2

Пьезометрическая высота, hp

Избыточное давление, Ризб

мм рт. ст.

м рт. ст

Па

кг/см

кг/см

Па

м. вод. ст.

м. вод. ст.

Па

кг/см

Па

кг/см

кг/м

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

1

2

3

При Ро=Ра

При Ро=Ра

При Ро=Ра

 

 

Примечание: Высота h ₁ при определении h_p в процессе опыта постоянная: h ₁ =____ м

Таблица обязательно визируется преподавателем.

Лабораторная работа:

«Истечение жидкости через отверстия и насадки»

 

Время выполнения – 2 часа

 

Цель работы: Определение опытным путем коэффициентов расхода, скорости и сжатия для отверстия в тонкой стенке цилиндрического, конически сходящегося и расходящегося насадков. Определение величины вакуумметрического давления в цилиндрическом насадке.

 

Отчетность

1. Вычертить схему экспериментальной установки.

2. Заполнить таблицу значений опытных и расчетных данных.

Контрольные вопросы:

1. Что такое отверстие в тонкой стенке?

2. Что такое насадок, на какие виды подразделяют насадки в зависимости от продольного сечения?

3. Объяснить физическую сущность коэффициентов .

4. Когда коэффициенты  могут быть равны единице?

5. Объяснить роль разрежения при истечении жидкости через насадки.

6. Почему расход жидкости при истечении ее через цилиндрический насадок выше, чем при истечении через отверстие при Н, = const.

7. Назвать область применения насадков в народном хозяйстве.

Лабораторная работа:

«Определение режимов движения жидкости

и коэффициента гидравлических сопротивлений трения »

Время выполнения – 2 часа

 

Цель работы: пронаблюдать и определить режимы движения жидкости стеклянном трубопроводе. Определить коэффициент гидравлических сопротивлений трения .

Порядок проведения работы

1. Ознакомившись с установкой, заполните водой сосуд (1) и подкрашенной жидкостью сосуд (7). При заполнении сосуда (1) водой обратите внимание на то, чтобы в пьезометрах не оставалось пузырьков воздуха, что значительно снижает точность замеров.

     2. На 1/4 оборота приоткрыть вентиль 4 (минимальный расход воды), а краном 8 обеспечить постоянство уровня воды в сосуде 1. При установившемся движении потока краном 9 вводится подкрашивающая жидкость, которая в потоке имеет очертание прямой линии, что свидетельствуем о наличии ламинарного режима. Увеличивая расход жидкости в трубопроводе вентилем 4 пронаблюдать переход ламинарного режима в турбулентный.

3. При каждом фиксированном положении вентиля 4 определить время наполнения мерного сосуда t (графа 2), занести в таблицу 1 показания пьезометров h ₁ и h ₂ (графы 7, 8). Все показания приборов и вычисленные значения заносятся в таблицу (количество замеров должно быть не менее 5).

 

Таблица - Результаты измерений и расчетов

№ п/п	, см3	, сек	, см3/с	, см/с	Re	, см	, см	, см		Режим движения жидкости
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
1
2
3
4
5

Порядок расчета:

1. Определить расход воды, и занести в таблицу 1 (графа 4):

, см³/сек                             /9/

где - емкость мерного сосуда, см³ (W = 4750 см³); t – время наполнения мерного сосуда, с.

2. Скорость движения жидкости (графа 5) в стеклянном трубопроводе определяется из выражения

,                                   /10/

где - средняя скорость, см/с; - расход жидкости, см³/с.

3. Число Рейнольдса (графа 6) определяется по формуле /1/, принимая в условиях опыта ν =0,015 см²/с.

4. Пьезометры 5, 6 характеризуют высоту гидродинамического давления в точках их присоединения. Из уравнения Бернулли при ,  (для экспериментальной установки, рисунок 2) потери напора (графа 9) составят

                 или                            /11/

5. Из формулы /5/ следует, что коэффициент гидравлического трения λ (графа 11):

                     ,                           /12/

При известных значениях =100 см, =3,5 см, g =981 см/с² и определяемых ранее значениях скорости (графа 5) и значений h_w (графа 9) по формуле /11/ получим значения коэффициента гидравлического трения λ (графа 10):

6. По расчетным данным построить зависимость коэффициента гидравлического сопротивления трения от числа Рейнольдса - 100 .

Отчетность:

1. Дать эскиз лабораторной установки.

2. Заполнить таблицу, определяя режимы движения жидкости.

3. Построить графическую зависимость .

Контрольные вопросы к лабораторной работе:

1. Физическая сущность ламинарного и турбулентного режимов движения жидкости.

2. Написать формулу для определения числа Рейнольдса.

3. Объяснить значение критического числа.

4. От чего зависит коэффициент гидравлических сопротивлений.

5. Написать формулу Дарси.

 

Лабораторная работа:

«ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ, ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ

И МЕХАНИЧЕСКАЯ СУЩНОСТЬ

УРАВНЕНИЯ БЕРНУЛЛИ»

 

                                                                       Время выполнения: 2 часа

 

Цель работы: на основании опытных и расчетных данных построить график геометрической интерпретации уравнения Бернулли.

Общие сведения:

Уравнения Бернулли было получено действительным членом Петербургской академии наук Д. Бернулли в 1738г. Уравнение получено с применением к элементарной струйке идеальной жидкости закона изменения кинетической энергии (закона живых сил). Это же уравнение было получено Л. Эйлером в 1755г. после вывода им дифференциальных уравнений движения жидкости.

Под идеальной жидкостью понимают такую фиктивную абсолютно несжимаемую жидкость, которая не оказывает сопротивления усилиям сдвига и растягивающим силам. Если первое и третье ограничения близко совпадают со свойствами реальной жидкости, то второе ограничение является главным отличием идеальной жидкости от реальной. Поэтому идеальную жидкость иногда называют невязкой.

Приступая к изучению законов движения идеальной жидкости, получают уравнения, которые затем распространяются на реальные потоки.

Уравнение Бернулли характеризует взаимосвязь между средней скоростью потока, гидродинамическим давлением p и высотным положением расчетных сечений. Для установившегося движения потока реальной жидкости оно имеет вид:

.         (1)

Все члены уравнения имеют определенный геометрический и энергетический смысл:

z - геометрический напор относительно принятой горизонтальной плоскости сравнения (удельная потенциальная энергия положения);

- пьезометрический напор относительно центра тяжести сечения (удельная потенциальная энергия давления);

 - скоростной напор (удельная кинетическая энергия);

 - потери напора (потери удельной механической энергии).

 Сумма первых двух членов уравнения (1) есть статический

z + = U_n,                (2)

напор относительно плоскости сравнения, и характеризует запас удельной потенциальной энергии в рассматриваемом сечении. Величина U_n определяется как вертикальная высота от плоскости сравнения до уровня жидкости в пьезометре.

Сумма трех членов уравнения Бернулли называется гидродинамическим напором и характеризует полную удельную энергию Е потока жидкости врассматриваемом сечении.

z +  +  = Е.                  (3)

Гидродинамический напор Е может быть измерен с помощью пьезометра и трубки Пито или вычислен по формуле (3). Уравнение Бернулли имеет линейную размерность.

Линия, соединяющая уровень в пьезометрах, расположенных по длине трубопровода, называется пьезометрической. Соответственно линия, соединяющая уровень жидкости в трубках Пито - напорная.

Пьезометрическая линия, характеризующая изменения удельной
энергии (потенциальной энергии по длине потока) может, как понижаться (при увеличении скорости), так и повышаться (при уменьшении скорости).

Напорная линия, характеризующая изменения полной удельной энергии по длине потока из-за наличия потерь энергии может только понижаться.

Падение пьезометрической линии характеризуется пьезометрическим уклоном, который представляет собой разность удельных потенциальных энергий в рассматриваемых сечениях, отнесенную к расстоянию между этими сечениями.

,            (4)

где ℓ - расстояние между сечениями, м.

Падение напорной линии на единицу длины потока жидкости называется гидравлическим уклоном:

   .                    (5)

Пьезометрический уклон J_p может быть положительным и отрицательным, а гидравлический уклон J только положительным.

При равномерном движении жидкости в горизонтальном трубопроводе гидравлический уклон равен пьезометрическому, а напорная линия параллельна пьезометрической линии.

Рисунок 1 - Геометрическая интерпретация уравнения Бернулли N- N - теоретическая напорная линия; N/- N/ - действительная напорная линия; Р-Р - пьезометрическая линия. В масштабе 1:10 в условиях опыта Н* = 100 мм.

Лабораторная установка состоит (рис. 1): 1 - бак; 2 - пьезометр; 3 - трубка Пито; 4 - трубопровод d ₁ =12 мм, ℓ=1 м; 5 - трубопровод d ₂ =25 мм, ℓ =1 м; 6 - трубопровод d ₃ =19 мм, ℓ =1 м; 7 – питательный кран; 8 – расходный кран.

 

Порядок выполнения работы:

Отвернуть кран 7 на несколько оборотов, отрегулировать постоянство уровня воды в баке 1. При наличии пузырьков воздуха в пьезометрических трубках и трубках Пито, сообщить преподавателю или лаборанту.

Зная, что ; ;

где h ₁, h ₂, h ₃ - высоты скоростных напоров, определить скорости движения воды v ₁, v ₂, v ₃ по формуле:

Из теоретического курса известно, что в пьезометрических трубках будут соответствующие показания: ; ; , в трубках Пито ; ; , а линии соединяющие показания пьезометров называются пьезометрической линией, показания в трубках Пито - действительной напорной линией.

Высоты z ₁; z ₂ ; z ₃ - показывают положения центров тяжести сечений1-1; 2-2; 3-3 относительно плоскости сравнения О-О.

Сумма всех высот дает представление об уравнении Бернулли:

,

где h_w - потери энергии при движении жидкости из сечения 1-1 в сечение 2-2

         .                (6)

При движении из сечения 2-2 в сечение 3-3 потери энергии h_w2 можно определить:

,               (7)

Потери энергии движения жидкости из сечения 1-1 в сечение 3-3:

      .              (8)

ОТЧЕТНОСТЬ

 

1. Зарисовать схему установки.

2. Данные замеров h ₁, h ₂, h ₃ при постоянном расходе, а также значений p ₁ / ρg, p ₂ / ρg, p ₃ / ρg, z ₁, z ₂, z ₃ занести в таблицу журнала наблюдений, определяя указанные в ней параметры.

3. Вычертить по данным опыта теоретическую, фактическую и пьезометрическую линии. Рекомендуемый по оси Y масштаб 1:10 по оси X на усмотрение студента.

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Напишите уравнение Бернулли для потока реальной жидкости.

2. Назовите геометрический и энергетический смысл каждого члена уравнения Бернулли.

3. Сделайте графическое изображение каждого члена уравнения Бернулли.

4. Написать уравнение пьезометрического и гидравлического уклонов, объяснить их физическую сущность.

5. На примере ступенчатого трубопровода лабораторной установки дать объяснение уравнения неразрывности потока жидкости.  

6. Назвать три вида уравнения Бернулли.

 

Журнал наблюдений

№ сечения	Величина координаты, см	Показания  пьезометра, см	Показания трубки Пито, см	Скоростной напор, см	Действительный  скоростной напор, см	Скорость, см/с	Живое сечение, см 2	Расход воды, см3/с	Потери напора, см	Гидравлический  уклон
	z	p/ ρ g + z		h	h I		ω	Q=v*ω	hw	J
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
1-1
2-2
3-3

 

Примечание: Поправочный коэффициент трубки Пито - К₁=2,24; К₂=1,0; К₃=1,37.

 

Приложения

Приложение 1

Удельные сопротивления А_квс²/м⁶ труб из различных

материалов в зависимости от условного прохода d_y

dy ,мм	Трубы
	стальные электросварные ГОСТ 10704-76	чугунные ГОСТ 9583-75	полиэтиленовые типа Г ГОСТ 1899-73
50	3686	11540	6051
60	2292	-	2431
75	929	-	-
80	454	953	927
100	173	312	324
125	76,4	96,7	93
150	30,7	37,1	45,9
175	20,8	-	-
200	6,96	8,09	5,07
250	2,19	2,53	1,31
300	0,85	0,95	0,71
350	0,373	0,437	-
400	0,186	0,219	-
450	0,099	0,199	-
500	0,058	0,0678	-

 

Приложение 2

 

Поправочные коэффициенты Θ на степень турбулентности потока

в зависимости от скорости υ движения воды

Скорость м/с	0,4	0,6	0,8	1,0	1,2	1,4	1,6	1,8	2,0	2,2
Трубы стальные и чугунные	1,20	1,11	1,06	1,03	1,0	1,0	1,0	1,0	1,0	1,0
Трубы полиэтиленовые	1,23	1,12	1,05	1,0	0,96	0,93	0,90	0,88	0,86	0,84

 

Приложение 3

Приложение 4

Сводный график рабочих полей консольных наососов

 

Приложение 5

Технические характеристики консольных насосов

Типоразмер насоса		Q л/с	H,м	η	Типоразмер насоса	Q л/с	H,м	η
1		2	3	4	5	6	7	8
К 45/30 КМ 45/30 (Dк=168мм, n=2900 об/мин)		0	33,5	0	К 45/30 КМ 45/30а (Dк=143мм, n=2900 об/мин)	0	23,5	0
		4	36,0	0,36		4	25,0	0,48
		8	35,0	0,60		8	23,5	0,65
		12	31,5	0,70		10	22,5	0,71
		14	28,0	0,71		12	20,0	0,72
		16	25,0	0,70		14	17,0	0,67
К 45/55 КМ 45/55 (Dк=248мм, n=2900 об/мин)		0	60	0	К 45/55а КМ 45/55а (Dк=192мм, n=2900 об/мин)	0	46	0
		4	62	0,35		4	48,5	0,38
		6	60	0,44		6	48	0,47
		10	56	0,60		10	42	0,60
		14	52	0,64		12	40	0,61
		18	40	0,60		14	38	0,60
						18	30	0,57

 

Окончание

1	2	3	4	5	6	7	8
К 90/20 КМ 90/20 (Dк=148мм, n=2900 об/мин)	0	25,8	0	К 90/20а КМ 90/20а (Dк=136мм, n=2900 об/мин)	0	21,2	0
	8	27,2	0,48		8	22,1	0,56
	16	26,3	0,75		16	20,0	0,76
	22	22,7	0,81		20	18,0	0,80
	28	18,6	0,75		24	15,0	0,75
	32	15,0	0,70		28	11,9	0,70
К 90/35  (Dк=174мм, n=2900 об/мин)	0	36,5	0	К 90/35а (Dк=163мм, n=2900 об/мин)	0	31,0	0
	6	39,2	0,38		8	33,0	0,45
	10	41,5	0,53		16	32,0	0,69
	16	39,0	0,68		20	30,0	0,74
	24	35,0	0,78		24	28,6	0,72
	32	26,0	0,70		32	18,0	0,60

 

Приложение 6

Основные физико-реологические характеристики

некоторых гидросмесей

Гидросмесь	Влажность W, %	Плотность ρ, кг/м3	Динамическая вязкость μ, Па∙с	Предельное напряжение сдвига τ 0, Па
Кормосмесь: комбикорм 60% +сахарная свекла 40%	76,4	1050	6,60	34.6
	81,3	1100	2,03	13.7
	85,0	1090	0,97	6,8
	86,7	1080	0.88	2,25
Кормосмесь: комбикорм 40% +картофель запаренный 60%	69	1120	5,50	16,0
	74	1100	2,50	8,8
	78	1090	1,75	6,3
	82	1070	0,75	3,75
Бесподстилочный навоз крупного рогатого скота	86	1010.	0,425	14,0
	88	1010	0,250	7,0
	90	1010	0,175	2,7
	92	1020	0,130	1,1
Бесподстилочный свиной навоз	83,5	1040	7,1	4,12
	86,5	1040	2,6	1,73
	88,0	1030	0,7	0,37
	89,1	1030	0,2	0,12
	93,8	1020	0,023	0,04

 

Оглавление

Введение		3
Общие методические указания		4
Методические указания по изучению содержания разделов дисциплины		9
	Общие сведения	9
	1. Гидравлика	9
	1.1. Основные физические свойства жидкостей и газов	9
	1.2. Гидростатика	11
	1.3. Основы кинематики и динамика жидкости	13
	1.4. Гидродинамическое подобие и режимы движения жидкости	16
	1.5. Потери энергии при установившемся движении жидкости	17
	1.6. Истечение жидкости через отверстия и насадки. Гидравлические струи	18
	1.7. Гидравлический расчет трубопроводов	20
	2. Гидравлические машины	22
	2.1. Общие сведения о гидравлических машинах	22
	2.2. Динамические насосы	23
	2.3. Вентиляторы	24
	2.4. Объемные насосы	25
	2.5. Объемные гидродвигатели	26
	3. Основы сельскохозяйственного водоснабжения и гидромелиорации	27
	3.1. Основы сельхозводоснабжения	27
	3.2. Общие сведения об оросительных мелиорациях	28
	3.3. Общие сведения об осушительных мероприятиях	29
	4. Гидропередачи и гидроприводы сельскохозяйственной техники	30
	4.1. Динамические гидропередачи	30
	4.2. Объемные гидропередачи и гидроприводы	32
	5. Гидро- и пневмотранспорт в сельском хозяйстве	34
Задания для выполнения контрольных работ		35
	Контрольная работа №1	35
	Контрольная работа №2	49
Лабораторные работы		61
Лабораторная работа: «Измерение вакуумметрического и избыточного давления с помощью различных приборов»		61
Лабораторная работа: «Истечение жидкости через отверстия и насадки»		66
Лабораторная работа: «Определение режимов движения жидкости и коэффициента гидравлических сопротивлений трения λ»		73
Лабораторная работа: «Геометрическая, энергетическая и механическая сущность уравнения Бернулли		79
Приложения		84

 

Им. А.А. Ежевского»

 

Ф.А. Васильев, В.В. Пальвинский, А.С. Васильева

 

ГИДРАВЛИКА

Учебно-методическое пособие

по изучению дисциплины

и задания для контрольных работ

студентам-заочникам

направления 35.03.06 Агроинженерия