Минисстерство транспорта Российской Федерации

МИНИССТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего образования

«РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ТРАНСПОРТА (МИИТ)»

(РУТ (МИИТ)

 

 

Кафедра «Теплоэнергетика и водоснабжение на железнодорожном транспорте»

Автор: Кузьминский Р. А., кандидат военных наук, профессор

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ (РЕКОМЕНДАЦИИ)

ПО ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

ПО УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЕ

ГИДРАВЛИКА И ГИДРОЛОГИЯ

Направление/специальность: 23.05.06 Строительство железных дорог, мостов и транспортных тоннелей _ _ _____

(код, наименование специальности /направления)

Профиль/специализация: Строительство магистральных железных дорог

Квалификация (степень) выпускника: __ специалист ____ __ ____

Форма обучения: __ заочная___________ ______

 

Москва

ВВЕДЕНИЕ

 

В данных методических указаниях к лабораторным работам по учебной дисциплине «Гидравлика и гидрология» даются общие теоретические сведения по темам, описания лабораторных установок и методика проведения работ.

Общие теоретические сведения, представленные в каждой ра­боте, даны кратко и освещают содержание темы только в пре­делах данной лабораторной работы.

В описаниях лабораторных установок приведены их схемы и порядок работы на установках.

В методике установлен порядок выполнения лабораторных работ, приведены жур­налы измерений и порядок обработки получаемых данных. Методика составлена с учетом самостоятельного выполнения студентами лабораторных работ на установках под руководством преподавателя.

Работы рекомендуется выполнять в той последовательно­сти, в которой они написаны, по­тому что некоторые работы основываются на данных, полу­ченных в предыдущей работе.

Лабораторные работы

№ п/п	Курс	Тема (раздел) учебной дисциплины	Наименование лабораторных работ	Всего часов / из них часов в интерактивной форме
		Раздел 1. ГИДРАВЛИКА.	Лабораторная работа № 1: Экспериментальное исследование уравнения Бернулли.	1 / 1
		Раздел 1. ГИДРАВЛИКА.	Лабораторная работа № 2: Исследование движения жидкости в трубе при различных скоростях потока.	1 / 1
		Раздел 2. ГИДРОЛОГИЯ.	Лабораторная работа № 3. Определение расхода воды по площади живого сечения и продольному уклону водной поверхности при различных уровнях воды непосредственными измерениями.	1 / 1
		Раздел 2. ГИДРОЛОГИЯ.	Лабораторная работа № 4. Определение расхода воды по площади живого сечения и продольному уклону водной поверхности при различных уровнях воды с использованием данных наблюдений гидрологического поста.	1 / 1
Всего:	4 / 4

 

 

РУКОВОДСТВО К ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

Раздел 1. «ГИДРАВЛИКА»

Лабораторная работа № 1

Экспериментальное исследование уравнения Бернулли

 

Теоретическое обоснование

Уравнение Бернулли представляет собой закон сохранения энергии применительно к движущемуся потоку жидкости.

Движущаяся жидкость обладает определенной механической энергией. Энергия, отнесенная к единице веса жидкости, называется полной удельной энергией жидкости, или полным напором Н.

Полный гидродинамический напор Н, равен сумме геометрического z, пьезометрического и скоростного напоров

где z - удельная потенциальная энергия положения жидкости или расстояние от центра тяжести поперечного сечения потока до произвольно выбранной горизонтальной плоскости сравнения; - удельная потенциальная энергия давления или пьезометрическая высота, равная расстоянию от уровня поднятия жидкости в пьезометре до оси потока жидкости; - удельная кинетическая энергия жидкости или скоростная высота; v - средняя по сечению скорость движения жидкости; α - коэффициент кинетической энергии (Кориолиса), принимаемый в опытах α»1.0; p - избыточное давление; γ - удельный вес жидкости.

При движении жидкости из-за сил сопротивления происходит потеря энергии, поэтому гидродинамический напор по направлению движения потока всегда уменьшается. Разность полных удельных энергий в двух рассматриваемых сечениях равна потере напора h.

Величина h представляет собой удельную энергию, затраченную на преодоление гидравлических сопротивлений и сил внутреннего трения в жидкости.

Уравнение, связывающее между собой полные удельные энергии двух сечений одного и того же потока жидкости с учетом потерь напора между этими сечениями, называется уравнением Д. Бернулли

H ₁ =H ₂ +h _1-2,

где - полный гидравлический напор (полная удельная энергия) в 1-ом сечении, - полный гидродинамический напор (полная удельная энергия) во 2-ом сечении, h _1-2 – потери напора между сечениями 1 и 2.

Таким образом,

График изменения полной удельной энергии (полного гидравлического напора) по длине потока называется напорной линией. Так как гидродинамический напор по направлению движения потока непрерывно уменьшается из-за потерь напора, то напорная линия всегда будет падающей.

Причем, на тех участках, где скорость протекания потока больше, падение напорной линии будет круче и наоборот.

В зависимости от изменения живого сечения вдоль потока происходит перераспределение удельной потенциальной энергии давления и удельной кинетической энергии . При уменьшении площади живого сечения потока увеличивается средняя скорость и соответственно увеличивается удельная кинетическая энергия , а удельная потенциальная энергия давления соответственно уменьшается.

График изменения удельной потенциальной энергии давления называется пьезометрической линией. Пьезометрическая линия отстоит вниз от напорной линии на величину скоростного напора . На участках, где сечение потока остается постоянным, напорная и пьезометрическая линии будут параллельны друг другу. На тех участках, где скорость возрастает, расстояние между напорной и пьезометрической линиями будет увеличиваться, они будут расходиться, а там, где скорость убывает, расстояние между ними уменьшается, эти линии будут сходиться.

Цель работы

Построить пьезометрическую и напорную линии по опытным данным для трубы переменного сечения. Изучить, как изменяется удельная потенциальная энергия , удельная кинетическая энергия и полная удельная энергия по длине трубы в зависимости от изменения живого сечения потока.

Порядок выполнения работы

Лабораторная работа проводится на лабораторной гидравлической установке «Переносная гидравлическая лабо­ратория (ПГЛ)».

Опыты проводятся на металлической трубке переменного сечения Б. На рис. 2.1.1 приведена гидравлическая схема установки.

Заполнить напорный резервуар водой до заданного уровня. При этом уровне избыток воды переливается в сливную трубу. После заполнения напорного резервуара следует плавно приоткрыть регулировочный кран на выходе из трубы. Режимы опытов рекомендуется выбирать такими, чтобы пьезометрический напор в наиболее узком сечении канала (показание трубки 4) находился не ниже оси трубки.

 

Рис. 2.1.1. Схема установки для измерения составляющих

уравнения Бернулли

 

После установления режима фиксируются уровни воды (пьезометрические напоры) в заданных сечениях (показания нужно снимать по нижнему мениску). Одновременно объемным способом измерить расход воды в трубке. Для этого сле­дует измерить объем воды W наполнивший мензурку емкостью 1000 см³ за время t= 10-30 сек.Данные занести в табл. 2.1.1.

После чего строится график напорной и пьезометрической линий (Рис 2.1.2).

 

Таблица 2.1.1

Лабораторная работа № 2

Теоретическое обоснование

При движении реальных жидкостей возникают силы сопротивления. На их преодоление затрагивается часть энергии, которой обладает движущаяся жидкость. Потеря энергии (напора) по длине h_f при движении вязкой жидкости в напорном трубопроводе определяются по формуле Дарси

где l - коэффициент гидравлического трения (коэффициент Дарси); l, d - длина и диаметр трубопровода; v - средняя скорость движения жидкости; g - ускорение свободного падения.

Коэффициент l является безразмерной переменной величиной, зависящий от ряда характеристик: диаметра и шероховатости трубы, вязкости и скорости жидкости. Влияние этих характеристик на величину l проявляется по-разному при различных режимах движения жидкости.

Для целенаправленного выполнения лабораторной работы рассмотрим некоторые расчетные зависимости. Напишем уравнение Бернулли для сечения 1, расположен­ного в начале трубки λ, и сечения 10, расположенного в конце трубки, (в этих сечениях присоединяются к трубке пьезометры 1 и 10).

Так как трубопровод горизонтальный и постоянного сече­ния, то z ₁ =z ₁₀ и v ₁ =v ₁₀. Уравнение Бернулли примет вид

т. е. потеря напора на участке между сечениями 1 и 10 равна разности показаний пьезометров. С другой стороны потеря напора

отсюда коэффициент λ определится следующим образом

Из выведенной формулы следует, что для определения λнужно замерить диаметр трубы, длину трубы l (расстояние между пьезометрами), потерю напора h _1-10 по показаниям пьезометров при нескольких произвольных открываниях пробкового крана.

Цель работы

Изучение потерь напора по длине при установившемся равномерном турбулентном движение жидкостей и определение коэффициента гидравлического трения.

Порядок выполнения работы

Лабораторная работа проводится на лабораторной гидравлической установке «Переносная гидравлическая лабо­ратория (ПГЛ)». Опыты проводятся на металлической трубкеλ. На рис. 2.2.1 приведена гидравлическая схема установки.

 

Рис. 2.2.1. Схема установки для определения потерь напора по длине

 

Перед началом опытов записать исходные данные в журнал отчета (табл. 2.2.1): l, d, t ^оС и n(при определении кинематического коэффициента вязкости n использовать таблицу 1.2, приведенную в приложении 1).

Для выполнения работы нужны мензурка объемом W =1000 см³ и секундомер.

Пробковый кран открывается 5- 8 раз на разную величину так, чтобы h равнялась примерно: 2, 4, 6, 8, 10, 12 см и т. д. При этом не следует добиваться установления уровня воды в пьезометре 10 на высоту, соответствующую це­лому числу сантиметров, но нужно снимать его показания с точностью до 1 мм. Последний замер следует сделать при максимально возможном открытии крана.

При каждом положении крана определяется Q объемным способом Q=W/t. Все данные измерений и вычислений записываются в жур­нал (табл. 2.2.1).

 

Таблица 2.2.1

Данные измерений для определения потерь напора по длине

№ п/п	Измеряемые и расчетные величины	Опыты
	Диаметр трубки d, см
	Площадь сечения трубки ω, см2
	Длина трубки l, см
	Температура воды t, оС
	Кинематический коэффициент вязкости n,cм2/с
	Показание пьезометра 1 , см
	Показание пьезометра 10 , см
	Разность показаний пьезометров 1 и 10 , см
	Объем воды в мензурке W, см3
	Время наполнения объема t, с
	Расход воды Q=W/t, см3/с
	Средняя скорость воды в трубке v=Q/ω, см/с
	Скоростной напор , см
	Коэффициент Дарси
	Число Рейнольдса Rе
*Примечание: При вычислении скоростного напора использовать данные таблицы 1.2, приведенной в Приложении

 

Затем следует постро­ить график λ =f( Rе ), выражающий зависимость l от числа Рейнольдса l =f( Re ), на бланке, который приведен на рис. 2.2.2.

 

Рис. 2.2.2. График l =f ( Re )

Раздел 2. ГИДРОЛОГИЯ

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

«Определение расхода воды по площади живого сечения и продольному уклону водной поверхности при различных уровнях воды с построением кривой расходов Q = f (H) непосредственными измерениями»

 

Теоретическое обоснование

Расходы жидкости определяются различными способами, в основном зависящими от вида движения жидкости (напорное или безнапорное) и величины расхода. Самые точные способы - весовой и объёмный способы, однако они применимы только для определения малых расходов жидкости. В условиях речных потоков чаще всего применяется способ, основанный на измерении местных скоростей и глубин, по которым подсчитывается расход, так называемый метод «скорость – площадь» (рис. 2.3.1).

 

 

Рис. 2.3.1

 

При использовании метода «скорость-площадь» река по ширине разбивается на участки, так называемыми промерными вертикалями. На каждом участке измеряют площади водного сечения и средние скорости течения потока и в последующем определяют расход воды в реке с использованием зависимости:

Q = ω_(i-1)V_ср(i-1)+ ω_iV_срi+ ω_(i+1)V_ср(i+1) + …;

где Q – расход воды в заданном створе реки, м3/с; ω_i – площадь водного сечения (живого сечения) между промеренными вертикалями глубины, м2; V_срi – средняя скорость течения воды в данном отсеке между промерными вертикалями, м/с.

Цель работы

1. Определить расход воды при помощи расходомера (мерного сосуда).

2. Определить расход воды на основании данных непосредственных измерений.

Порядок выполнения работы

Лабораторная работа выполняется с использованием лабораторной установки «Гидравлический лоток» (Рис. 1.3).

Определение расхода воды при помощи расходомера

Измерения производятся с использованием расходомера (мерного сосуда), смонтированного на лабораторной установке. Обычно проводят 5 измерений. Регулировочный кран открывается на разную величину так, чтобы глубина воды в лотке h равнялась примерно: 2; 3; 4; 5; 6 см. Последний замер следует сделать при максимально возможном открытии крана.

Результаты измерений заносятся в табл. 2.3.1.

Таблица 2.3.1

Измеренные расходы воды

№№ измерений	Расход воды, м3/с
	Qр =
	Qр =
	Qр =
	Qр =
	Qр =

 

Определение скорости течения и расхода воды непосредственными измерениями

Измерения производятся с использованием мерных линеек, нанесенных на стенки гидравлического лотка. Результаты измерений заносятся в табл. 2.3.2 и выполняются необходимые вычисления.

Таблица 2.3.2

Гидравлические элементы потока

№№ измерений	Глубина, H, м	Ширина В, м	Площадь живого сечения, ω = B. H, м2	Смоченный периметр χ=B + 2 H, м	Гидравлический радиус R = ω / χ, м	Продоль ный уклон, I	Коэф фициент Шези, С=1/nR1/6 (Прило жение 1)

На основании данных измерений, вычисляют скорость течения и расход воды при каждом опыте, которые заносятся в таблицу 2.3.3 и в итоговую таблицу 2.3.4.

Таблица 2.3.3

Расчетные значения скорости течения и расхода воды

№№ измерений	Средняя скорость течения потока, , м/с	Расход воды Qоп = ω . Vср, м3/с	Переходный коэффициент,	Максимальная поверхностная скорость течения потока, , м/с

 

Таблица 2.3.4

Результаты расчета

№№ измерений	Глубина, H, м	Средняя скорость течения потока, Vср, м/с	Максимальная поверхностная скорость течения потока, Vмакс, м/с	Расход воды, определенный по данным измерений, Qоп, м3/с	Расход воды, определенный по расходомеру, Qр, м3/с

 

На основании данных измерений и расчетов строят кривую расходов Q=f(H) и графиков V=V(H). Построение графиков производится на формализованном бланке, приведенном на рис. 2.3.2.

Z (H)

Q

Vср

Vмакс

 

Рис. 2.3.2. Кривая расходов воды Q=f(H) и графики V=V(H)

 

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4

«Определение расхода воды по площади живого сечения и продольному уклону водной поверхности при различных уровнях воды с построением кривой расходов Q=f(H) с использованием данных наблюдений гидрологического поста»

 

Теоретическое обоснование

Если на гидрометрическом посту имеется ряд наблюдений, то можно также построить кривые связи расходов, площадей и средних скоростей по­тока и ширины потока с уровнями воды в реке H, то есть графики Q = Q(Н), W = W(Н), V = V(Н), В = В(Н).

При этом график зависимости расхода от уровней воды Q = Q(H) принято называть кривой расхода (рис. 2.4.1).

 

Рис. 2.4.1. Кривые связи расходов воды (кривая расходов) Q, площадей живых сечений ω, средних скоростей по­тока V и ширины потока B с уровнями воды в реке H

Задание на лабораторную работу

Определить расходы воды в р. Москве в створе гидрологического поста в г. Звенигород.

Порядок выполнения работы

Задача решается методом прогнозирования при наличии данных наблюдений гидрологического поста с построением кривой расходов Q = f (H).

При этом используются выписки из «Гидрологического ежегодника» (ГЕ) за 1951 г. (табл. 3.3, приложение 3) данных наблюдений гидрологического поста № 208 на р. Москве, расположенном в створе восточная окраина г. Звенигород.

 

Определение исходных данных

Из описаний водомерного поста, которые приведены в таблицах 3.1, 3.2 (приложение 3), выявляем следующие данные:

Отметка нуля графика поста _________ м.

Условно отметку нуля графика поста примем равной 133,0 м.

Устанавливаем данные гидрологических наблюдений водомерного поста (Для сокращения расчетов могут использоваться только номера 5, 6, 8, 12, 15, 28 измеренных расходов (табл. 3.3, приложение 3), которые записываются в таблицу исходных данных в порядке убывания)

 

Таблица 2.4.1

Данные гидрологических наблюдений водомерного поста

Уровень воды, Z абс., м	Уровень воды над ноль графика поста, H, м	Ширина реки, B м	Скорость течения, м/с	Расход воды, Q, м3/с	Площадь водного сечения, ω, м2
Средняя, Vср	Максим. Vmax

 

Выполняем построение графиков

- кривой расходов Q=f(H)

- графиков B=B(H), ω=ω(H), V_ср=V(H), V_макс=V(H).

Построение графиков производится на формализованном бланке, приведенном на рис. 2.4.2.

Z (H)

Q

ω

V