ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ ПО ДИСЦИПЛИНЕ
Механика жидкости и газа
Омск, 2016
Составители: Щерба Виктор Евгеньевич
Кужбанов Акан Каербаевич
Труханова Диана Анатольевна
Виниченко Василий Сергеевич
Овсянников Андрей Юрьевич
Кайгородов Сергей Юрьевич
В методических указаниях приведено описание лабораторных работ по дисциплине «Механика жидкости и газа».
Для студентов очной формы обучения по направлению подготовки 13.03.03 «Энергетическое машиностроение».
И Н С Т Р У К Ц И Я
по технике безопасности при работе в лаборатории гидромеханики
1. К практическим занятиям в лаборатории допускаются студенты, получившие инструктаж по технике безопасности с соответствующим оформлением его в журнале.
2. Студентам запрещается без разрешения преподавателя включать электрооборудование, открывать и закрывать задвижки и вентили трубопроводов, включать измерительные приборы и установки.
3. Перед началом работы необходимо ознакомиться с заданием, с правилами безопасности проведения работ, проверить исправность ограждений и предохранительных устройств.
4. Во время работы стенда запрещается прикладывать внешние нагрузки на трубопроводы, пьезометры, измерительные емкости и накопительный бак (в т.ч. опираться на них или класть посторонние предметы).
5. Запрещается сборка - разборка соединений, их подтяжка и переключение гибких трубок пьезометров при работающих насосах или наличии воды в накопительном баке, трубопроводах и мерных емкостях.
6. Перед включением насосов убедиться в том, что:
1) Задвижки З4 и З5 полностью закрыты (для насосов H1 и/или Н2).
2) Полностью закрыты краны КР8, КР12 (при отсутствии внешнего подвода и слива жидкости).
3) Кран соответствующего всасывающего трубопровода не перекрыт. Таким образом, при работе краны КР1 и КР6 должны быть постоянно и полностью открыты. Кран КР4 допускается закрывать только при открытом КРЗ и работающем насосе H1 (последовательное включение насосов).
4) Высота уровня воды в баке Б1 достаточна для нормальной работы (по показаниям указателя уровня, который расположен на торцевой стенке бака).
5) Трубопроводы и гибкие рукава не имеют внешних повреждений и смятий.
7. При работе в лабораториях выполняется только та лабораторная работа, которая предусмотрена планом. Категорически воспрещается выполнять другие лабораторные работы.
8. Во время выполнения лабораторной работы ходить без дела по лаборатории запрещается, т.к. этим отвлекается внимание других студентов и остается без наблюдения лабораторная установка, что может повлечь за собой несчастный случай.
9. Оборудование лаборатории относится к разряду особо опасных в связи с возможностью поражения электрическим током, поэтому студенты обязаны строго соблюдать правила безопасности. В случае прекращения подачи электроэнергии необходимо отключить установку и оставаться у рабочего места.
10. Если произошел несчастный случай, то необходимо немедленно оказать первую помощь и сообщить об этом руководителю.
11. Бережное отношение к приборам и оборудованию лаборатории создает условия вашей безопасности.
12. Запрещается в лабораторию приносить верхнюю одежду.
13. По окончании работы приведите в порядок рабочее место.
П Р А В И Л А
выполнения лабораторных работ в лаборатории гидромеханики
1. Каждая лабораторная работа выполняется бригадой в составе 3-4 студентов под наблюдением преподавателя.
2. Прежде чем приступить к лабораторной работе, каждый студент должен изучить ее описание, подготовить бланк отчета и сдать преподавателю коллоквиум по теоретическим вопросам, относящийся к данной работе.
3. Студент, не имеющий бланк отчета или не сдавший коллоквиум, к проведению лабораторной работы не допускается. Он обязан отработать ее в указанное преподавателем время.
4. После окончания лабораторных занятий результаты измерений и расчетов каждый студент предъявляет преподавателю для визирования.
5. К началу следующего лабораторного занятия студент должен сдать законченный отчет по выполненной работе, без данного отчета он не допускается к дальнейшим лабораторным работам.
6. Отчет по работе выполняется на листах белой бумаги (формат А4) в соответствии с ГОСТ 2.105-95. На титульном листе указывается наименование работы, кто выполнил, кто проверил, указывается год выполнения работы. На листах отчета должны быть: цель работы, схема опытного устройства, таблицы результатов измерений и таблицы результатов расчетов, с расчетами. Особое внимание при проведении расчетов необходимо обращать на соблюдение единства систем единиц измерения. Все величины, участвующие в расчетах, выражать в единицах СИ. Графики строятся на миллиметровой бумаге, разрешается так же использование прикладных программных средств для ПЭВМ, и прилагаются к отчету.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПРОВЕДЕНИИ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
Лабораторные работы проводятся в соответствии с данными методическими материалами и руководством по эксплуатации ТМЖ-2В-09-12ЛР-01 РЭ.
Схема стенда ТМЖ-2В-09-12ЛР-01 представлена на рисунке 1. расшифровку обозначений смотри в табл. 1.
Таблица 1.
Состав стенда ТМЖ-2В-09-12ЛР-01
| Обозначение | Наименование |
| Б1 | Бак |
| Б2 | Бак накопительный |
| БЗ | Бак чернильный |
| Н1,Н2,НЗ | Насос циркуляционный центробежный СР 25 |
| ЕМ1,ЕМ2 | Мерная емкость |
| Т1,Т2 | Простой трубопровод |
| ТЗ,Т4 | Сложные трубопроводы |
| КР1...КР13 | Кран шаровый |
| 31...37 | Задвижка клиновая |
| Д1 | Мерная диафрагма |
| ТР1,ТР2 | Тройник |
| О1 | Отвод |
Стенд состоит из центробежных насосов, основного, накопительного и чернильного гидробаков, запорной арматуры, измерительных приборов и устройств, опытных трубопроводов и соединительных трубопроводов, размещенных на сварной раме и поддонах.
Стенд предназначен для исследования гидравлических сопротивлений в опытных трубопроводах Т1, Т2, ТЗ, Т4, мерной диафрагме Д1, задвижке 33, а также для опытного получения рабочих характеристик одного центробежного насоса или двух последовательно и параллельно соединенных насосов. При подаче струйки чернил в поток через трубопровод Т1 производится демонстрация особенностей турбулентного и ламинарного режимов течения.
|
Рис. 1. Схема учебного стенда «Механика жидкости» (ТМЖ-2В-09-12ЛР-01). L12=800 мм; L34=800 мм; L05=115 мм; L67=170 мм; LI=210 мм; LII=200 мм;
LIII=190 мм.
Рабочая жидкость (вода) центробежным насосом НЗ по соединительным трубопроводам из бака Б1 нагнетается в накопительный бак Б2, из которого под постоянным напором поступает к исследуемым элементам (трубопроводам Т1, Т2, ТЗ, Т4, диафрагме Д1, и к испытываемой задвижке 33).
|
| Рис.2. Схематичный вид переключателя насоса А7УСР 25 Накопительный |
Схематичный вид переключателя насоса А7УСР 25 представлен на рис. 2. Переключатель имеет три положения, соответствующие трем уровням подачи. Положение переключателя, отмеченное одной риской, (крайнее левое) соответствует минимальному уровню производительности насоса. Соответственно, положение переключателя, отмеченное тремя рисками, (крайнее правое) соответствует максимальному уровню производительности.
Накопительный бак представляет собой емкость из оргстекла с вертикальной перегородкой, которая разделяет бак на две секции. Высота перегородки на 50 мм меньше стенок корпуса. При работе стенда жидкость от насоса НЗ постоянно поступает в секцию бака, связанную с трубопроводами. Уровень жидкости в данной напорной секции определяется высотой перегородки. При уровне жидкости меньше высоты перегородки измерения статических напоров по показаниям пьезометров №1-17 на соответствующих лабораторных работах производить нельзя.
Излишек подаваемой насосом НЗ жидкости переливается во вторую секцию и сливается в бак Б1 через гибкий трубопровод. По окончании работы из напорной секции бака Б2 жидкость может быть слита в основной бак открытием крана КР5. При нормальной работе стенда данный кран должен быть закрыт.
Для того, чтобы избежать перемешивания основной воды с подкрашенной в ходе выполнения лабораторной работы по изучению режимов течения жидкостью, предусмотрена возможность подачи жидкости в бак Б2 из внешнего источника (водопровода). Для этого следует подключить трубопровод внешней подачи к крану КР8, закрыть кран КР7 и открыть кран КР8. Подкрашенная жидкость из мерной емкости ЕМ1 должна сливаться в канализацию через открытый кран КР12, кран КР11 в этом случае следует закрыть.
Всасывающими трубопроводами центробежные насосы Н1, НЗ ОМСР25), через шаровые краны КР1, КР6 соединены с баком Б1. Подача жидкости к насосу Н2 может производиться либо из накопительного бака Б2 через открытый кран КР4 (при исследовании параллельного соединения насосов Н1 и Н2), либо из бака Б1 насосом Н1 (при последовательном соединении). При работе стенда кран КР1 и КР6 всегда должны быть открыты.
Опытные трубопроводы выполнены из прозрачных гладких труб круглого сечения. Сужения и расширения между участками с разными условными проходами трубопровода ТЗ (уравнение Бернулли) выполнены в
виде конусов для обеспечения безотрывности течения и отсутствия вихрей. Переход между участками трубопровода Т4 выполнены в виде внезапного расширения и сужения.
Для регулировки величины подачи жидкости, и порядка включения трубопроводов служат регулируемые задвижки 31, 32, 34, 35, 36, 37. Подача через Т1 и Т2 регулируется задвижками 31 и 32. Для включения в схему и регулировки величины расхода через диафрагму Д1 служит клиновая задвижка 35, для этих же целей в трубопроводе подвода жидкости к внезапному расширению и исследуемой задвижке используется задвижка 34. Задвижкой 36 регулируется подача через сложный трубопровод ТЗ.
Переключением шаровых кранов КР2, КРЗ, КР4 достигается параллельная или последовательная работа насосов Н1 и Н2. Задвижка 37 предназначена для создания подпора в напорном трубопроводе, при снятии характеристик насосов. При параллельном соединении насосов Н1 и Н2 всасывание последнего происходит из накопительного бака через открытый кран КР4 при закрытом КР5.
Расходы жидкости через элементы стенда измеряются объемным способом, при помощи мерных емкостей ЕМ1 и ЕМ2, время наполнения которых может определяться при помощи электронного секундомера по показаниям поплавковых датчиков; также расход жидкости может быть определен при помощи визуального замера объема по шкале расположенной на мерной емкости и времени наполнения обычным, запускаемым вручную, секундомером.
В ручном режиме наиболее удобно осуществлять замеры следующим образом: закрывается кран, установленный на сливе емкости КР9 или КР10. После того, как набирается некоторое количество жидкости, включается секундомер. После набора дополнительного объема жидкости V секундомер останавливается. Для сброса текущего времени на шкале секундомера используется кнопка «СБРОС ПАРАМЕТРОВ».
Прибор «ОВЕН» запрограммирован для работы в режиме, соответствующем измерению времени (секундомер). Параметры, введенные при программировании прибора, выделены маркером в «Руководстве по эксплуатации счетчика импульсов СИ-8».
При переключении прибора в положение «ЕМ1» или «ЕМ2» осуществляется автоматический отсчет времени заполнения соответствующей емкости. Начало и конец отсчета определяются сигналами с поплавковых датчиков уровня, расположенных в мерных емкостях. При автоматическом замере времени контрольный объем жидкости составляет V=2,0 л. Слив жидкости из мерных емкостей осуществляется открытием шаровых кранов КР9 и КР10. Краны КР11 и КР12 предназначены для обеспечения двух возможных вариантов слива с ЕМ2. При закрытом КР12 и открытом КР11 слив производится в бак Б1, при закрытом КР11 и открытом КР12 слив осуществляется в канализацию.
При переключении СИ-8 в положение «Расход воды по счетчику» при нажатии кнопки» на табло отображается величина подачи насоса (показания расходомера РМ1 (включается в состав стенда по согласованию с заказчиком).
В качестве расходомера используется счетчик количества воды (СГВ-20) с цифровым выходом. Показания счетчика количества воды РМ1 (СГВ-20) используются для измерения расхода жидкости через сопло при исследовании силового воздействия струи жидкости с твердой преградой
Принцип работы и конструкция лопастного (пластинчатого) ротационного счетчика количества воды показана на рисунке 3. Измеряемая жидкость движется в пространстве, ограниченном цилиндрическими поверхностями корпуса 6 и ротора 8. Внутри ротора расположен неподвижный кулачок 7, на который опираются четыре ролика 9 с закрепленными на них лопатками 1, 2, 4 и 5.
Давление жидкости, поступающей через входной патрубок на лопасть 5,
приводит ротор во вращение, которое передается на счетный указатель. Ролики катятся по кулачку, лопасти при этом поочередно занимают место снаружи и внутри ротора. Таким образом, за полный оборот ротора через счетчик проходит количество жидкости, равное разности объемов цилиндра и ротора.
При изготовлении ротационных счетчиков особо внимание обращают на легкость хода роторов и уменьшение неучитываемых утечек через счетчик.
| Рис. 3. Счетчик с пластинчатыми лопастями |
Легкость хода (качественный показатель малого трения в механизме, а, следовательно, и малой потери давления на счетчике) обеспечивается
установкой валов ротора на подшипники качения. Уменьшение же утечек достигается тщательной обработкой и взаимной подгонкой сопрягаемых поверхностей.
Погрешность показаний ротационных счетчиков обычно не превышает -1% в пределах 10-100% номинального расхода. Показания счетчика регулируют сменой шестерен в редукторе счетного механизма.
На ротационный счетчик дополнительно установлена оптопара, позволяющая в сочетании со счетчиком импульсов СИ-8 подсчитывать количество оборотов счетчика в единицу времени. Дополнительные поправочные коэффициенты, задаваемые на приборе СИ-8, позволяют перевести значение оборотов в значение расхода жидкости, проходящей через счетчик (данные коэффициенты уже установлены производителем стенда).
Для замера перепадов статических напоров на участках трубопроводов в состав стенда включены пьезометры, размещенные на передней панели. Соответствие пьезометра точке отбора можно видеть на схеме (см. рис. 1). На той же схеме обозначены дифференциальные пьезометры, которые используются для определения перепада статических напоров на элементах трубопровода (тройники, отвод).
Статическое давление на выходе насосов Н1 и Н2 измеряется датчиками давления ДД1 и ДД2, результаты замеров с которых отображаются на цифровом табло. Избыточное давление жидкости отображается в килопаскалях (КПа) на дисплеях измерителей-индикаторов.
Перед измерением давления (снятием показаний с измерителей-индикаторов) следует дождаться окончания переходных процессов, возникающих при изменении перекрытий управляющих задвижек. Таким образом, замеры давления следует делать по достижении его постоянного значения.
Лабораторная работа № 1
ИзУЧЕНИЕ методов определения расхода воды объемным способом
Цель работы:
Знакомство с объемным способом измерения расхода жидкости.
Задание:
Установить опытным путем количество жидкости прошедшее через участок трубопровода за определенный временной промежуток.
Теоретические основы метода:
Расходом воды называется ее объем, протекающий через поперечное сечение трубопровода в единицу времени. Для крупных водотоков: рек, каналов, водосбросов гидротехнических сооружений и т. п. — расход выражается в кубических метрах в секунду (м3/с); расходы малых водотоков: родников, ручьев, лабораторных лотков и пр. — в литрах в секунду (л/с). Расход воды является одной из основных гидравлических характеристик потока. Для рек расход воды – важнейшая характеристика, определяющая другие ее параметры, как, например, уровень воды, скорость течения, уклон водной поверхности и др. На основании систематических определений расходов воды вычисляют средние суточные расходы, максимальные и минимальные расходы, а также объемы стока реки за тот или иной интервал времени.
Существующие методы определения расхода воды можно разделить на две основные группы: непосредственное измерение и косвенное определение. К первой группе относится, так называемый, объемный метод, основанный на измерении расхода посредством мерных сосудов, подставляемых под струю воды. При этом измеряется время наполнения мерного сосуда. Расход определяется делением объема воды в сосуде на время наполнения. Этот метод применяется обычно на малых водотоках — ручьях, родниках, лабораторных лотках и т. п. Объемный метод отличается относительно большой точностью. Косвенное определение расхода воды может выполняться различными методами, общей характерной особенностью которых является то, что в них измеряется не сам расход (объем воды), а отдельные характеристики потока, при этом расход получается путем вычислений. К таким методам относятся:
1) определение расхода по измеренным скоростям течения и площади поперечного сечения потока, сокращенно называемый методом «скорость—площадь»;
2) определение расхода с помощью мерных устройств: гидрометрических лотков, водосливов. В данном случае измеряемой величиной является напор на водосливе или во входной части лотка, при этом расход определяется по гидравлическим зависимостям;
3) определение расхода методом смешения; он имеет несколько разновидностей (электролитический, тепловой, калориметрический).
В настоящее время применяется преимущественно электролитический метод, в котором расход воды определяется в зависимости от изменения электропроводности вводимого в поток раствора электролита при смешении его с водной средой. Метод «скорость - площадь» наиболее распространен в речной гидрометрии. Площадь поперечного сечения потока определяется по результатам измерений глубин, а скорости в отдельных точках живого сечения измеряются чаще всего гидрометрической вертушкой; реже для измерения скоростей применяют другие приборы или поплавки. К данному методу следует также отнести расчетный способ определения расхода по площади живого сечения и средней скорости потока, вычисленной по формуле Шези. В дальнейшем мы главное внимание обратим на способы определения расхода с применением гидрометрических вертушек, наиболее распространенные в настоящее время в речной гидрометрии. Метод определения расхода с помощью мерных устройств применяется чаще всего при измерении небольших расходов воды - на малых речках, ручьях, логах, оросительных каналах. Кроме того, этим методом пользуются для определения расходов воды через водопропускные отверстия гидротехнических сооружений с целью учета стока воды на гидроузлах. Метод смешения применяется главным образом на горных реках с большими скоростями течения, небольшими глубинами и сложным рельефом дна, где метод «скорость - площадь» не обеспечивает достаточную точность измерения скоростей течения и площади живого сечения. Необходимым условием успешного применения этого метода является хорошо выраженный турбулентный режим движения воды, при котором обеспечивается хорошее перемешивание вводимого в поток раствора с водной средой.
Проведение опыта:
1. Полностью закрыть задвижки З4, З5 и краны КРЗ, КР4. Задвижку З7 и краны КР1, КР2, КР9 полностью открыть.
2. Повернуть переключатель насоса H1 в крайнее правое положение и включить питание переключением соответствующего тумблера на блоке управления.
3. Поворачивая рукоятку задвижки З7, установить запорный элемент примерно в среднее положение.
4. Повернуть переключатель прибора для измерения времени в положение « ЕМ1».
5. Закрыть кран КР9. Измерить время ∆t заполнения объема V жидкости, поступающей в мерную емкость ЕМ1. В случае автоматического измерения контрольный объем фиксирован и составляет V=2,0 л. Записать значение времени в таблицу 1.1.
6. Открыть кран КР9 и слить жидкость из мерной емкости. Обнулить показания электронного секундомера.
7. Повернуть переключатель прибора для измерения времени в положение «секундомер». Измерить время ∆t заполнения объема V жидкости, поступающей в мерную емкость ЕМ1, используя прибор в качестве электронного секундомера, т.е. запуская и останавливая его вручную. Записать значение времени и высоты контрольного отсека жидкости L (по боковым шкалам), на которой измерялось это время, в таблицу 1.1.
8. Выключить электропитание насоса.
Обработка результатов опыта:
1. Найти объем V, зная внутренний диаметр мерной емкостиD=114mm, можно по высоте контрольного отсека жидкости L (измеряется по боковым шкалам)
(1.1)
2. Определить расход по формуле
(1.2)
3. Результаты записать в таблицу 1.1.
4. Сделать и записать выводы.
Таблица 1.1.
| Способ измерения | L, м | V, л | ∆t, сек | Q, л/с |
| Автоматический режим | – | 2,0 | ||
| Ручной режим |
Лабораторная работа № 2
ИЗУЧЕНИЕ РЕЖИМОВ ДВИЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ, ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ЛАМИНАРНОГО И ТУРБУЛЕНТНОГО ТЕЧЕНИЯ ЖИДКОСТИ
Цель работы:
Изучение особенностей ламинарного и турбулентного режимов течения. Исследование влияния критерия Рейнольдса на режим течения жидкости. Экспериментальное определение критического значения числа Рейнольдса.
Задание:
Установить опытным путем наличие двух режимов движения жидкости: ламинарного и турбулентного. Вычислить при обоих режимах числа Рейнольдса. Отметить переход от одного режима к другому и определить значение критического числа Рейнольдса. Выяснить из опытов характер зависимости потерь напора по длине трубы от режима движения.
Теоретические основы метода:
При движении вязкой жидкости различаются два режима – ламинарный и турбулентный.
Ламинарный поток имеет слоистую структуру - частицы жидкости движутся с различными скоростями параллельно оси трубы без перемешивания и без пульсаций скорости и давления.
Турбулентный поток характеризуется неупорядоченным движением частиц жидкости. Наряду с основным поступательным перемещением частиц жидкости вдоль трубы наблюдаются хаотичные поперечные перемещения и вращательные движения частиц, которые приводят к интенсивному перемешиванию жидкости. Кроме того, в каждой точке турбулентного потока наблюдаются пульсации скорости и давления.
