Студопедия Главная Случайная страница Обратная связь

Разделы: Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Диаграмма Бернулли для потока идеальной жидкости

Сделанные Вами установки отображаются в завершающем диалоговом окне "Finished". После нажатия кнопки "Finish" в группе переменных создается внутренняя переменная, соответствующая данному соединению (переменная связи). Эта группа переменных сохраняется в управлении переменными в "SIMATIC S7 PROTOCOL SUITE" и в соответствующем канале.

 

 

Вывод: Мы разобрали принцип программного резервирования WINCC и разобрали методику настройки этого резервирования.

Диаграмма Бернулли для потока идеальной жидкости

Рассмотрим пример: жидкость вытекает из сосуда с постоянным уровнем и движется по трубе переменного сечения.

Принципы построения те же, что и для струйки идеальной жидкости, с учетом дополнительного слагаемого h1-2 в правой части уравнения.

1). Для всех сечений геометрический напор постоянен и равен z1 (рисунок 3.2). Если горизонтальная плоскость отсчета потенциальной энергии положения 0-0совпадает с осью трубы, все z=0. Расстояние от оси трубы до пьезометрической линии равно пьезометрическому напору, здесь под давлением Р подразумевается манометрическое давление. Расстояние от пьезометрической линии до напорной равно скоростному напору ;

2). В начальном сечении н-н скорость равна нулю, манометрическое давление равно нулю и полный напор равен геометрическому − высоте жидкости в сосуде. Полный напор постоянен по всей длине трубы и напорная линия горизонтальна (линия а-а, рисунок 3.2).

3). Пусть известна скорость в сечении 1 и равна υ1. Отложим вниз от напорной линии в масштабе графика скоростной напор (отрезок ab) и получим пьезометрический напор в этом сечении . При постоянном диаметре на участке трубы между сечениями 1 и 2 скорость и скоростной напор, и, следовательно, , сохраняют постоянное значение. Этому будет соответствовать участок пьезометрической линии в виде горизонтальной прямой bc.

4). В сечении 2 в связи с резким увеличением диаметра трубы скорость резко уменьшается, а давление резко возрастает (уменьшение скорости в горизонтальной трубе приводит к увеличению давления − следствие из уравнения Бернулли!). Поэтому пьезометрическая линия здесь резко возрастает − участок cd, далее до сечения 3 изображается горизонтальной прямой de (диаметр трубы не меняется!).

5). В сечении 3 диаметр трубы резко уменьшается и все происходит наоборот: скорость возрастает, давление падает и пьезометрическая линия круто опускается вниз (участок ef).

6). Между сечениями 3 и 4 пьезометрическая линия изображается горизонтальной прямой (участок fg). В сечении 4 диаметр трубы резко возрастает и на участке 4÷5 постепенно уменьшается. При этом давление в сечении 4 резко возрастает, пьезометрическая линия имеет скачок вверх gh, далее абсолютное давление постепенно снижается до атмосферного, а манометрическое до нуля. Конечная точка k пьезометрической линии лежит на оси трубы.

 

Рисунок 3.2 - Диаграмма Бернулли для потока идеальной жидкости

 

3.2.3 Диаграмма Бернулли для потока реальной жидкости

Принцип построения:

  1. Первой строится напорная линия. В начальном сечении н-н напор равен высоте уровня жидкости в резервуаре:

Здесь под давлением Рпонимается манометрическое давление. В сечении 1 отложим от уровня жидкости вертикально вниз отрезок ab, равный потере напора на входе в трубу (это местные потери в сечении 1). На участке трубы между сечениями 1 и 2 имеет место потеря напора на трение по длине. Пусть она равна hдл1-2. Тогда для получения точки напорной линии в конце участка 1-2 вычитаем из напора HB эту величину и получаем точку с. Так как диаметр трубы на этом участке постоянен, угол наклона напорной линии к горизонту тоже будет постоянным (угол наклона ~ скорости движения). Напорная линия на этом участке будет иметь вид прямой линии bc. Аналогично: в сечениях 3 ÷ 4 напорная линия имеет скачки вниз на величину местных потерь, на участках постоянного диаметра 2 ÷ 3 и 3 ÷ 4 напорная линия имеет вид наклонных прямых ce и fg. На участке 4 ÷ 5 диаметр трубы увеличивается и скорость к концу трубы возрастает. Это приводит к увеличению потерь на трение и напорная линия имеет вид кривой gm.

  1. Пьезометрическая линия - построение начинается с конца трубы. Так как манометрическое давление в точке k равно нулю, это и будет начальная точка пьезометрической линии. Величина km равна скоростному напору в сечении 5. Далее идем справа налево по трубе и из ординат напорной линии вычитаем отрезки, соответствующие скоростным напорам. Соотношение между скоростными напорами (или скоростями) определяется из уравнения постоянства расхода. Там, где диаметр трубы больше, скорость меньше и наоборот. На участках 1 ÷ 2, 2 ÷ 3 и 3 ÷ 4 скорости по длине не меняются. При этом напорная и пьезометрическая линии параллельны.

Рисунок 3.3 − Диаграмма Бернулли для реальной жидкости

 

3.3 Выполнение лабораторной работы

Цель:

  1. По данным опыта вычислить удельную кинетическую энергию и полную энергию потока жидкости;
  2. Проверить выполнение на практике следствий из законов сохранения энергии (3.7);
  3. Научиться применять закон сохранения энергии для анализа различных процессов;
  4. Построить диаграмму Бернулли.

 

Лабораторная работа проводится на модуле М3 «Диаграмма Бернулли»

(геометрические параметры модуля приведены в приложении А).

 

Порядок выполнения измерений.

  1. Включить кнопку «Сеть» на панели управления (см. рисунок 1.1).
  2. Открыть входной и выходной вентили В8 и В5 на модуле М3.
  3. Установить необходимый расход с помощью вентилей В2, В1 и выходного вентиля В5 (см. рисунок 1.2).
  4. Наблюдая за столбиками воды в пьезометрических трубках убедиться, что достигнут установившийся режим течения и произвести измерения:

- расхода воды по ротаметрам РТ1 и РТ2 (см. рисунок 1.1);

- показаний пьезометров Тр4 (см. рисунок 1.1).

Обработка опытных данных.

  1. Перейти от показаний ротаметров к расходу (смотри градуировочную характеристику ротаметров приложение Б).
  2. По результатам измерений следует вычислить скорость в каждом i-ом сечении трубы Вентури:

, (3.9)

где Q – расход, м3/с;

Si – площадь каждого i-го сечения трубы Вентури.

  1. Вычислить скоростной напор в каждом i-ом сечении трубы Вентури.

, (3.10)

где - скорость в каждом i-ом сечении трубы Вентури, м/с;

g – ускорение свободного падения, 9,81 м/с2.

 

Построение диаграммы Бернулли (построение выполнить на масштабно- координатной бумаге):

1. Профиль трубы Вентури в масштабе (положение плоскости сравнения совпадает с осью трубы);

2. Пьезометрические напоры для каждого i-го сечения, откладывая их от оси трубы получить пьезометрическую линию;

3. Скоростные напоры, суммируя их с ординатами пьезометрической линии в соответствующих сечениях. Провести напорную линию;

4. Провести напорную плоскость (горизонтальную прямую) на уровне ординаты линии энергии первого пьезометра и обозначить потери напора (энергии) между этим сечением и другим, расположенным ниже по течению (по указанию преподавателя).

Результаты измерений и вычислений свести в таблицу 3.1, 3.2.

 

Таблица 3.1 - Результаты измерений

Показания ротаметров Расход, м3
Р1 Р2 Р1 Р2 Сумма (Р1+Р2)
         

Таблица 3.2 – Результаты вычислений

№ сечения Диаметр i-го сечения, di, 10-3, м Координата i-го сечения , Li, 10-3, м Пьезометрич. напор i-го сечения, hi, 10-2, м Скорость i-го сечения, υi, м/с Скоростной напор i-го сечения, hvi, 10-2 Полный напор, Н, 10-2, м
       
           
           
           
           
           
           
           
           
           
           

 

Контрольные вопросы:

  1. Физическая сущность уравнения Бернулли.
  2. Понятие идеальной и реальной жидкости.
  3. Понятие реальной жидкости.
  4. Формула определения полного запаса энергии.
  5. Что называется напором? В каких единицах измерения он выражается?
  6. Запишите уравнение Бернулли для идеальной жидкости.
  7. Запишите уравнение Бернулли для реальной жидкости.
  8. Следствия уравнения Бернулли.
  9. Что называется коэффициентом Кориолиса? Коэффициент Кориолиса при ламинарном и турбулентном режиме движения.
  10. Понятие удельной энергии.
  11. Энергетическая интерпретация.
  12. Геометрическая интерпретация.
  13. Принцип построения диаграммы Бернулли. Отличия для реальной и идеальной жидкости.

 

4 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3 «ПОТЕРИ НАПОРА ПО ДЛИНЕ.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ТРЕНИЯ»

4.1 Потери напора по длине

При решении любой инженерной задачи в гидромеханике используется закон сохранения энергии:

  . (4.1)

 

В уравнении (4.1) все виды энергии отнесены к объему жидкости, проходящему через сечение потока, и имеют размерность давления.

Для решения этого уравнения относительно основных характеристик движения (скорости, давления и т.д.) необходимо уметь определять потери давления между сечениями 1-1 и 2-2.

Известно, что:

  , (4.2)

 

где D Рм - потери давления на преодоление местных гидравлических сопротивлений:

,

где xм − коэффициент соответствующего местного сопротивления;

− потери давления на преодоление силы трения, возникающей между слоями жидкости, а также между жидкостью и стенками трубопровода.

При движении жидкости в трубопроводах потери давления на преодоление силы трения по длине потока определяются по формуле Дарси-Вейсбаха:

    (4.3)

где L − длина участка трубопровода;

d − диаметр трубопровода;

l − коэффициент гидравлического трения (коэффициент Дарси).

При решении практически любой инженерной задачи необходимо определять коэффициент гидравлического трения l.

Коэффициент гидравлического трения можно определять экспериментальным и теоретическим путем.

 

4.2. Определение теоретического значения коэффициента трения

 

Рассмотрим, какие параметры влияют на коэффициент трения.

При движении жидкости по трубопроводу вблизи стенок скорость течения мала, а на самой стенке равна нулю вследствие наличия сил межмолекулярного взаимодействия между жидкостью и твердым телом. Поэтому в пределах очень тонкого слоя, примыкающего к стенке, развитие локальных возмущений, вызванных силами инерции, становится невозможным. При малых скоростях движения (малых Re) силы инерции невелики и силы трения гасят возмущения (выравнивают траекторию). Движение остается упорядоченным ламинарным.

Следовательно, в турбулентном потоке не вся жидкость движется турбулентно. У стенки всегда сохраняется тонкий пристенный слой, в котором жидкость движется ламинарно. Этот слой называется вязким подслоем и толщина его dл измеряется долями миллиметра (рисунок 4.1).

 

Рисунок 4.1 - К понятию структуры турбулентного потока.

 

Толщина вязкого подслоя обратно пропорциональна числу Re и уменьшается с возрастанием скорости движения жидкости.

Твердые стенки, ограничивающие поток жидкости, имеют неровности, которые называются шероховатостью. Она зависит от материала стенок, способа изготовления и износа труб. В большинстве реальных трубопроводов шероховатость стенок неравномерная, что создает трудности при учете ее влияния на потери давления. В практику гидравлических расчетов вводится понятие «эквивалентная шероховатость» Dэ. Это такая воображаемая равномерная шероховатость, при которой потери давления такие же, как и для данной реальной шероховатости при прочих равных условиях.Значение Dэ определяется экспериментально и приводится в справочной литературе.

На характер гидравлических сопротивлений оказывает существенное влияние соотношение между толщиной вязкого подслоя dл и величиной эквивалентной шероховатости Dэ. В гидравлике принято условно разделять трубы на абсолютно шероховатые, гидравлически гладкие, гидравлически шероховатые.

В качестве основной характеристики шероховатости служит так называемая абсолютная шероховатость Dэ, представляющая собой среднюю величину указанных выступов и неровностей, измеренную в линейных единицах.

Если ламинарный подслой покрывает шероховатость, то есть dл ≈ Dэ, такую трубу называют гидравлически гладкой (рисунок 4.2 ”а”). Ядро турбулентного потока при этом будет соприкасаться не с выступами шероховатости, а с ламинарным подслоем жидкости, скользя по его поверхности, как по гладкой трубе. В этом случае коэффициент гидравлического трения l не зависит от шероховатости, скрытой в ламинарном подслое, а зависит только от числа Re.

Если эквивалентная шероховатость больше толщины вязкого подслоя (dл < Dэ), то такую трубу называют гидравлически шероховатой (рисунок 4.2 “б”).

 

Рисунок 4.2 - Схема к определению гидравлически гладких и гидравлически

шероховатых труб.

Для гидравлически шероховатых труб выступы шероховатости не покрыты ламинарным подслоем, они “вклиниваются” в турбулентное ядро потока, увеличивая беспорядочность движения. Шероховатость при этом существенно влияет на величину потерь давления.

Толщина ламинарного подслоя определяется из условия, что число Рейнольдса, определяемое по средней скорости в этом слое, меньше или равно критическому:

.

Из этого соотношения следует, что, чем больше средняя скорость движения жидкости в трубопроводе, тем больше средняя скорость в ламинарном слое υd и тем меньше при этом будет толщина слоя.

При увеличении скорости движения толщина ламинарного слоя уменьшается и, наоборот, при уменьшении скорости движения толщина ламинарного слоя увеличивается. Одна и та же труба в зависимости от скорости движения может быть и гидравлически гладкой, и гидравлически шероховатой.

При нагревании жидкости, когда вязкость и, соответственно, толщина ламинарного слоя уменьшаются, гидравлически гладкая труба также становится гидравлически шероховатой.

Отметим, что при ламинарном режиме все трубы являются гидравлически гладкими, так как ламинарный режим имеет место по всему сечению трубы.

Экспериментальные данные Г.А. Мурина на промышленных трубах представлены на рисунке 4.3.

Рисунок 4.3 - Экспериментальные данные Г. А. Мурина.

Из рассмотрения графика можно сделать следующие выводы.

1. В области ламинарного режима в логарифмических координатах, все опытныеточки, отвечающие различным шероховатостям, практически совпадают с прямойлинией 1-2, построенной по формуле:

l=64/Re (4.4)

Следовательно, здесь lзависит только от числа Re и не зависит от шероховатости.

2. В области турбулентного режима (Re>2300) имеется целое семейство кривых, расположенных правее прямой линии 3-4. Здеськоэффициент гидравлического трениязависит от двух параметров - числа Re и относительной шероховатости.Результаты экспериментов удовлетворительно описываются универсальной формулой Альтшуля:

(4.5)

3.В области турбулентного режима при небольших значениях Re опытные точки практически совпадают с прямой 3-4, построенной по формуле Блазиуса:

(4.6)

Это зона гидравлически гладких труб, где коэффициент трения не зависит от шероховатости, так как она покрыта ламинарным подслоем. Отметим, что чем больше шероховатость, тем при меньших Re (больших значениях толщины ламинарного слоя) исчезает зависимость от шероховатости.

4. При увеличении скорости движения (числа Re) опытные точки начинают отклоняться от прямой линии 3-4 и укладываются на семейство кривых между линиями 3-4 и А-B. Физически это означает, что бугорки шероховатости выступают в турбулентное ядро потока и относительная шероховатость оказывает практически такое же влияние на коэффициент трения, как и числоRe. Этозона гидравлически шероховатых труб, где коэффициент трения определяется по формуле (4.5):

5. При больших значениях числа Re коэффициент трения перестает зависеть отRe, опытные точки располагаются на прямых, параллельных оси Reи подчиняются формуле Шифринсона:

(4.7)

Физически это означает, что при больших скоростях движения толщина ламинарного слоя очень мала, все бугорки шероховатости находятся в турбулентном ядре, являются источниками образования вихрей и полностью определяют величину сопротивления трубопровода.

Это зона абсолютно шероховатых труб. Вследствие того, что здесь коэффициент трения не зависит от числа Re (скорости движения), в формулеДарси-Вейсбаха (4.3)потери давления пропорциональны квадрату скорости.

Зону абсолютно шероховатых трубчасто называют зоной квадратичных сопротивлений, а зону шероховатых труб - доквадратичной.

При выполнении практических расчетов коэффициент гидравлического трения в области турбулентного режима во всех случаях можно определять по формуле Альтшуля (4.5). Слагаемое (68/Reили Dэ/d), которое в данной ситуации незначительно влияет на коэффициент трения, дает и незначительный вклад в его величину.

 

4.2. Определение экспериментального значения коэффициента трения

 

Из уравнения (4.1) потери давления Dp1-2равны:

    (4.8)

 

В случае отсутствия местных сопротивлений между сечениями 1-1 и 2-2 потери давления равны потерям по длине потока:

Dp1-2 = и далее:

    (4.9)

 

Следовательно, измерив разность давлений между сечениями, расход жидкости (для определения скоростей) и зная геометрию трубопровода, можно вычислить экспериментальное значение потерь по длине, а из формулы (4.9) - коэффициент гидравлического трения lэ.

В частном случае, для горизонтального трубопровода постоянного диаметра

(z1=z2, υ12) и при отсутствии местных сопротивлений вместо уравнения (4.9) получим:

  ,   (4.10)

и выражение для определения экспериментального значения коэффициента трения примет вид

  .   (4.11)

 

Входящая в формулу (4.11) разница давлений может быть определена с помощью приборов для измерения давления: пьезометров. манометров или дифференциального манометра.

Внимание!

Формула (4.11) справедлива для частного случая движения жидкости в горизонтальном трубопроводе постоянного диаметра.

 

 

4.3 Проведение лабораторной работы

Цель:

  1. Экспериментальная иллюстрация формулы, определяющей связь потерь механической энергии потока жидкости по длине трубы с параметрами трубы и сечения.
  2. Определение теоретического и экспериментального значения коэффициента трения .
  3. Построение графиков зависимости (Re), (Re).

Работа выполняется на модуле М1 «Потери напора по длине» (приложение А).

Для выполнения работы необходимо:

  1. Включить кнопку сеть на панели управления (смотри рисунок 1.1);
  2. Включить насос Н1 на панели управления (смотри рисунок 1.1);
  3. Установить необходимый расход с помощью вентилей В2, В1 и выходного вентиля В4 (смотри рисунок 1.2);
  4. Снять показания по ротаметрам Р1 и Р2 (смотри рисунок 1.1) и внести данные в таблицу 4.1;
  5. Снять показания пьезометров (смотри рисунок 1.1) и внести данные в таблицу 4.1.
  6. После достижения установившегося режима изменить расход с помощью вентиля В4 (смотри рисунок 1.2) повторить все измерения.
  7. Для надежной серии опытов рекомендуется произвести измерения для трех расходов.

Обработка опытных данных:

1) По результатам измерений вычисляются следующие величины:

  1. Перейти от показаний ротаметров к расходу (смотри градуировочную характеристику ротаметров приложение Б)
  2. Потери напора по длине:

;

  1. Средняя скорость потока в трубе:

;

Геометрические характеристики модуля (d, L) представлены в приложении А.

  1. Экспериментальный гидравлический коэффициент трения по формуле:

;

  1. Число Рейнольдса:

,

Жидкость вода: = 1000 кг/м3; коэффициент динамической вязкости =1.10-3 Па.с.

  1. Теоретический гидравлический коэффициент трения (смотри формулы 4.4 - 4.7).

2) Результаты измерений внести в таблицу 4.1. Результаты полученных вычислений внести в таблицу 4.2.

Таблица 4.1 – Результаты измерений. Лабораторная работа № 3.

№ режима Показания ротаметров Показания пьезометров
Р1 Р2 h1 h2
         

 

Таблица 4.2 – Результаты вычислений. Лабораторная работа № 3.

№ режима Расход, м/с Потери напора, hg, м Скорость, υ, м/с Число Re
             

 

 

3) Построенный участок кривой , следует наложить на известные из литературы графики Никурадзе или Мурина и сделать заключения.

v о зоне сопротивления, которой соответствуют проведенные опыты;

v о величине относительной эквивалентной шероховатости испытанной трубы.

 

Контрольные вопросы

1. При каком режиме движения жидкости абсолютная шероховатость не оказывает влияния на сопротивление по длине? В каком случае это влияние определяющее?

2. Какое влияние оказывает увеличение температуры на величину коэффициента трения в области абсолютно шероховатых труб? В области гидравлически гладких труб? При ламинарном режиме?

3. Чему равен коэффициент трения при движении в области гидравлически гладких труб, если Re = 10000? Как изменится величина коэффициента трения при увеличении абсолютной шероховатости внутренней поверхности трубы? (режим - ламинарный).

4. Зависят ли потери на трение от вязкости при движении в области абсолютно шероховатых труб? В области гидравлически гладких труб? При ламинарном режиме?

5. От каких параметров зависит коэффициент гидравлического трения в области шероховатых труб?

6. Как изменится толщина ламинарного слоя при увеличении скорости движения жидкости? Вязкости? Диаметра трубопровода?

7. Нарисуйте график зависимости потерь давления по длине трубопровода от средней скорости:

- при ламинарном режиме;

- в области абсолютно шероховатых труб.

8. Во сколько раз уменьшатся потери давления по длине трубопровода при уменьшении скорости движения жидкости в два раза при ламинарном режиме?

9. Во сколько раз уменьшатся потери давления по длине трубопровода при уменьшении скорости движения жидкости в два раза и движении в области квадратичных сопротивлений?

10. Жидкость течет по трубе с постоянным расходом при ламинарном режиме. Какова зависимость между потерями напора по длине и диаметром трубы?

11. Как влияет подогрев жидкости при постоянном расходе на потери по длине? (проанализировать все варианты).

12. Почему с увеличением расхода жидкости любая гидравлически гладкая труба становится гидравлически шероховатой?

13. Почему с уменьшением расхода жидкости любая гидравлически шероховатая труба становится гидравлически гладкой?

14. Почему при ламинарном режиме потери напора на трение по длине пропорциональны скорости в первой степени?

15. Почему при развитом турбулентном режиме (Re>105) потери напора на трение по длине пропорциональны скорости во второй степени?

 

 

5 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4 «ПОТЕРИ НАПОРА НА ВНЕЗАПНОМ РАСШИРЕНИИ»

 

Местные сопротивления вызываются фасонными частями, ар­матурой и другим оборудованием трубопроводных, сетей, кото­рые приводят к изменению величины или направления скорости движения жидкости на отдельных участках трубопровода (при расширении или сужении потока, в результате его поворота, при протекании потока через диафрагмы, задвижки и т. д.), что всегда связано с появлением дополнительных потерь напора.

В водопроводных магистральных трубах потери напора на местные сопротивления обычно весьма невелики (не более 10 — 20 % потерь напора на трение). В воздухопроводах вентиляцион­ных и пневмотранспортных установок, в дутьевых установках котельных потери на преодоление местных сопротивлений часто значительно больше потерь напора на трение. Местные сопро­тивления являются весьма существенными и при расчете паро­проводов.

Потери напора, затраченного на преодоление какого-либо местного сопротивления, принято оценивать в долях скоростного напора, соответствующего скорости непосредственно за рассмат­риваемым местным сопротивлением, т. е. определять их из фор­мулы Вейсбаха:

где — так называемый коэффициент местного сопротивления.

Коэффициенты разных местных сопротивлений находят, как правило, опытным путем; таблицы значений этих коэффициен­тов (или эмпирические кривые и формулы для них) содержатся во всех инженерных справочниках и руководствах по гидравли­ке. Для некоторых практически важных случаев значения коэффициентов местных сопротивлений удалось получить также тео­ретическим путем.

Иногда местные потери напора выражают в виде эквивалентной длины lэ прямого участка трубопровода, сопротивление тре­ния которого по величине равно рассматриваемым местным по­терям напора, т. е. из условия

или

(5.1)

Коэффициент гидравлического трения , как уже было выясне­но, зависит от числа Рейнольдса и относительной шероховатости, поэтому одному и тому же значению коэффициента местно­го сопротивления в общем случае соответствует разная экви-валентная длина. Лишь в квадратичной области сопротивления, когда , эквивалентная длина заданного местного сопротивления постоянна.

Основные виды местных потерь напора можно условно раз­делить на следующие группы:

- потери, связанные с изменением сечения потока (или, что тоже, его средней скорости). Сюда относятся случаи внезапного расширения, сужения, а также постепенного расширения и су­жения потока;

- потери, вызванные изменением направления потока. Сюда относятся различного рода колена, угольники, отводы, используемые на трубопроводах;

- потери, связанные с протеканием жидкости через арматуру различного типа (вентили, краны, обратные клапаны, сетки, отборы, дроссель-клапаны и т. д.);

- потери, связанные с отделением одной части потока от дру­гой или слиянием двух потоков в один общий. Сюда относятся, например, тройники, крестовины и отверстия в боковых стенках трубопроводов при наличии транзитного расхода.

 

5.1 Внезапное расширение трубопровода. Вывод теоремы Борда.

Рассмотрение местных сопротивлений целесообразно начать со случая, который часто встречается на практике, когда трубопровод внезапно расширя­ется от диаметра d1 до диаметра d2 (рисунок 5.1).


 

Рисунок 5.1 – К выводу теоремы Борда

Как показыва­ют наблюдения, поток, выходящий из узкой трубы, не сразу за­полняет все поперечное сечение широкой трубы; жидкость в ме­сте расширения отрывается от стенок и дальше движется в виде свободной струи, отделен­ной от остальной жидко­сти поверхностью раздела. Поверхность раздела не­устойчива, на ней возни­кают вихри, в результате чего транзитная струя пере­мешивается с окружающей жидкостью. Струя постепен­но расширяется, пока, нако­нец, на некотором расстоя­нии l от начала расширения не заполняет все сечение ши­рокой трубы.

В кольцевом пространстве между струей и стенками трубы жидкость находится в вихревом движении: жидкость из этой зоны вовлекается в центральную струю; с другой стороны, жид­кость из центральной струи попадает в вихревую зону. Благода­ря отрыву потока и связанному с ним вихреобразованию на участке трубы между сечениями 1 и 2 теряются значительные потери напора.

Найдем величину этих потерь. Обозначим средние скорости потока в сечениях 1 и 2 через и υ1 и υ2 , а давления — через р1 и р2. Давление на торцовой стенке АВ, как показывает опыт, практи­чески равно давлению на выходе из узкой части трубы, т. е. р1.

По уравнению Бернулли потери напора между сечениями 1 и 2 равны (если положить α1 = α2 1):

Из теоремы импульсов для тех же двух сечений можно полу­чить

(5.2)

Из теоремы импульсов для тех же двух сечений можно получить

(5.3)

(учитывая, что участок растекания потока 1-2 имеет малую длину, силами трения в этом уравнении можно пренебречь).

Разделив обе части уравнения (5.3) на , получим

или

(5.4)

Подставляя (5.4) в уравнение (5.2), найдем

или

(5.5)

Отсюда следует, что потери напора при внезапном расширении равны скоростному напору от потерянной скорости. Этот результат называется теоремой или формулой Борда.

Формулу (5.5) можно привести к виду

Таким образом, в рассматриваемом случае

( 5 . 6 )

Если отнести коэффициент местного сопротивления к скорости в широкой трубе, то

где

Формула (5.6) хорошо подтверждается опытами в случае турбулентного движения, если сечение 2 берется достаточно далеко за местом расширения, т.е. там, где устанавливается нормальное распределение скоростей по сечению.

 

5.2 Проведение лабораторной работы

Цель: экспериментальное изучение закономерностей потерь напора и распределения давлений в местных сопротивлениях.

Лабораторная работа проводится на модуле М2 «Потери напора на внезапном расширении» (приложение А).

Порядок выполнения измерений:

  1. Перейти от показаний ротаметров к расходу жидкости (смотри градуировочную характеристику ротаметров приложение Б);
  2. Включить насос Н1 на панели управления (смотри рисунок 1.1);
  3. Установить необходимый расход с помощью вентиля В2, В1 и выходного вентиля модуля В4 (смотри рисунок 1.2);
  4. При достижении установившегося режима снять показания по ротаметрам Р1 и Р2 (приложение Б);

 

  1. Произвести замеры по показаниям пьезометров (смотри рисунок 1.1).

Обработка опытных данных:

Расчетными соотношениями для определения коэффициента местного сопротивления по экспериментальным данным являются следующие. Применительно к рисунку, из уравнения Бернулли для сечения 1 и 2 следует:

,

где hвн.р – искомые потери на внезапном расширении.

Здесь сечение 2 выбирается на расстоянии достаточном для расширения потока на все сечение S2. Отнеся потери к скоростному напору , получим:

.

Разности пьезометрических напоров определяется по пьезометрам 1 и 2, а скорость υ1 по расходу, измеренному ротаметром. Тогда последняя формула позволяет вычислить экспериментальное значение ξвн.р.

Измерив пьезометрами давления во всех точках их подключения, можно построить пьезометрическую линию вдоль трубы, а также линию энергии.

Результаты измерений и вычислений свести в таблицу 5.1.

Таблица 5.1 – Лабораторная работа № 4

№ режима Показания ротаметров Расход, Q, м3 Показания пьезометров Скорость, υ, м/с Коэффициент внезапного расширения, ξвн.р
Р1 Р2 h1, м h2, м
               

 

 

Контрольные вопросы

1. Виды местных сопротивлений.

2. Вывод формулы Борда.

 

Список используемой литературы

  1. Раинкина Л.Н., Санина Г.И. Определение коэффициента гидравлического трения: Методические указания. –Ухта: УГТУ, 2000, - 25с.:, ил.
  2. Раинкина Л.Н. Демонстрация уравнения Бернулли и его практическое применение: Методические указания. – Ухта: УГТУ, 2002, - 36с., ил.
  3. Альтшуль А.Д., Киселев П.Г. Гидравлика и аэродинамика (Основы механики жидкости). Учебное пособие для вузов. Изд. 2-е, перераб. и доп. М., Стройиздат, 1975. 323 с.

 

ПРИЛОЖЕНИЕ А

(справочное)

Геометрические характеристики модулей

М1 «Потери напора по длине в круглой трубе»

М2 «Потери напора на внезапном расширении»

М3«Диаграмма Бернулли»

М4 «Режимы течения»

 

ПРИЛОЖЕНИЕ Б




<== предыдущая лекция | следующая лекция ==>
 | Рук. № 1).

Дата добавления: 2015-08-17; просмотров: 1120. Нарушение авторских прав

codlug.info - Студопедия - 2014-2017 год . (0.028 сек.) русская версия | украинская версия