Методические указания к лабораторной работе №1 «измерение давления и расхода, определение режима течения жидкости»


Скачать 147.55 Kb.
НазваниеМетодические указания к лабораторной работе №1 «измерение давления и расхода, определение режима течения жидкости»
Дата публикации03.07.2013
Размер147.55 Kb.
ТипМетодические указания
userdocs.ru > Физика > Методические указания



Кафедра «Безопасность жизнедеятельности»


МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
к лабораторной работе № 1
«ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ И РАСХОДА,

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

РЕЖИМА ТЕЧЕНИЯ ЖИДКОСТИ»

Министерство образования Республики Беларусь

Министерство образования и науки Российской Федерации
ГОСУДАРСТВЕННОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«БЕЛОРУССКО-РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Кафедра «Безопасность жизнедеятельности»

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
к лабораторной работе № 1
^ «ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ И РАСХОДА,

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

РЕЖИМА ТЕЧЕНИЯ ЖИДКОСТИ»

Разработал: канд. техн. наук,

доцент Мрочек В.И.

Рецензент: Белоногова О.П.
Методические указания

утверждены на заседании

кафедры БЖД

« 15 » 05 2007 г.

Протокол № 9

Могилев 2007

^ 1
2
.1 Цель работы:

1) Ознакомление с физической сущностью основных величин гидравлики и пневматики, единицами и средствами, используемыми при их измерениях;

2) Ознакомление с режимами течения жидких и газообразных сред и методикой их определения;

3) Уяснение зависимости потерь энергии от режима течения потока;

4) Экспериментальное исследование режимов течения жидкости.
^ 1.2 Краткие теоретические сведения
Основными величинами гидравлики и пневматики являются давление р и расход Q. Известно, что между системами различной физической природы существуют аналоги, которые показаны в таблице 1. В столбцах записаны величины – аналоги. Например, аналогом давления в электрических сетях является напряжение U, а аналогом расхода – сила тока I. Размерности величин в таблице 1.1 приведены в системе СИ.
Таблица 1.1 – Основные величины систем различной физической природы и их аналоги


Типы систем

Основные величины

Гидравлические и

пневматические системы

р – давление, Па

Q – расход, м3

Электрические системы

U – напряжение, В

I – сила тока, А

Механичес-

ские

системы

поступательного

движения

F – сила, Н

 – скорость, м/с

вращательного

движения

М – момент, Н·м

ω – угловая скорость,

с-1


Произведение основных величин для всех типов систем, приведенных в каждой строке таблицы 1.1, представляет собой не что иное, как мощность (в ваттах).

Таким образом, давление и расход являются важнейшими величинами. Для успешного решения задач проектирования и эксплуатации гидравлических и пневматических систем необходимо хорошо представлять, что такое давление и расход, какими они бывают, в чем и как их измеряют.

1.2.1 Давление. Давление – это напряжение, возникающее в жидкости или газе в результате действия сжимающих сил и сил трения.

Если система находится в состоянии покоя, то силы трения равны нулю. В этом случае давление иногда называют гидростатическим. Гидростатическое давление представляет собой не что иное, как напряжение сжатия. Важнейшим свойством гидростатического давления является его изотропность. Это означает, что давление в данной точке пространства во всех направлениях одинаково. В динамике из-за сил трения давление, строго говоря, изотропностью не обладает. Однако, эта особенность при решении большинства прикладных инженерных задач не учитывается.

Р
3
азличают давление среднее и давление в точке. Чаще всего используют среднее давление, которое равно:

(1)
где ^ F – сила сжатия, приходящаяся на поверхность площадью А.

Давление бывает абсолютным (рабс), избыточным (pизб) и вакуумметрическим (pвак) (рисунок 1.1).

Абсолютное давление рабс отсчитывается от абсолютного нуля, за который принято давление в пустоте. Абсолютное давление может быть только положительным.

^ Избыточное давление pизб отсчитывается от нуля, за который принято атмосферное давление pа .

В технике нормальное атмосферное давление чаще всего считают постоянным, равным 0,1033 МПа (760 мм. рт. ст., 10,33 м. вод. ст.).

Поскольку большинство объектов находится в условиях атмосферного давления, то чаще всего на практике используют избыточное давление.

Связь избыточного и абсолютного давления устанавливается следующим выражением:
(2)
При рабс < pа избыточное давление является отрицательным. Давление в этом случае называют вакуумметрическим (отрицательным избытком над атмосферой, вакуумом).

Вакуумметрическое давление:
(3)
Вакуумметрическое давление отсчитывается от атмосферного в сторону абсолютного нуля.

Предположим, что давление в системе соответствует точке 1 (рисунок 1.1). Это давление можно характеризовать абсолютным давлением – рабс.1 , а также избыточным давлением – ризб.1 .

Рисунок 1.1 – Виды давлений

К
4
ак видно из рисунка 1.1, давление рабс.1 больше ризб.1 на величину атмосферного давления, то есть на 0,1033 МПа. В точке 2 абсолютное давление рабс.2 меньше атмосферного. Поэтому давление в точке 2 можно характеризовать следующими давлениями: абсолютным рабс.2 или вакуумметрическим pвак.2 . Связь между ними устанавливается выражением (3). Как видно из рисунка 1.1, вакуумметрическое давление может изменяться в пределах 0...0,1033 МПа. Абсолютному нулю соответствует давление pвак = 0,1033 МПа.

За единицу давления в международной системе единиц (СИ) принят паскаль – давление, вызываемое силой 1 Н, равномерно распределенной по нормальной к ней поверхности площадью 1 м2. Наряду с этой единицей давления применяют более крупные единицы: килопаскаль (кПа) и мегапаскаль (МПа):
1 Па = 1 Н/м2 = 10-3 кПа = 10-6 МПа.
В технике для измерения давления широко используют также внесистемные единицы – техническую атмосферу и бар:
1 ат = 1 кгс/см2 = 10000 кгс/м2 = 9,81·104 Па;
1 бар = 105 Па = 1,02 ат.
Давление также можно условно выражать высотой столба жидкости над рассматриваемой точкой. При этом высота столба жидкости определяется из выражения:

, (4)
где γ – удельный вес жидкости.

Как следует из (4), одно и то же давление в зависимости от рода жид-кости может быть создано столбом различной высоты. Так, например, давление, равное 1 ат, создается столбом воды высотой 10 м, ртути – 0,735 м, то есть:
1 ат = 10 м вод. ст. = 735 мм рт. ст.
Давление 1ат имеет атмосфера на высоте 200 м над уровнем моря.

Для измерения давления жидкостей и газов используют пьезометры, а также жидкостные, механические и электрические манометры [1, с. 22...24], [2, с. 319...323].

В технике для измерения давления наибольшее применение находят механические и электрические манометры.

Механические манометры бывают двух типов – пружинные и мембранные. Принцип их действия основан на деформации полой пружины или мембраны под действием измеряемого давления. Через преобразующий механизм эта деформация передается стрелке, которая показывает величину измеряемого давления на циферблате.

В электрическом манометре деформация мембраны передается на потенциометр, что приводит к изменению его электрического сопротивления. Потенциометр включен в электрическую измерительную схему.

С
5
помощью манометров измеряют избыточное давление.

Для измерения вакуумметрического давления используют вакуумметры.

Существуют также комбинированные приборы – мановакуумметры, которые позволяют измерять как избыточное, так и вакуумметрическое давление.

Манометры, вакуумметры и мановакуумметры имеют одинаковый принцип действия. Ряд параметров и характеристик этих приборов регламентирован ГОСТ и другими нормативными документами [2, с. 319...323].

Важнейшей характеристикой манометра является класс точности (указывается на циферблате). Манометры бывают следующих классов точности: 0,15; 0,25; 0,4; 0,6; 1; 1,5; 2,5; 4.

Допустимая ошибка измерения давления манометром
(5)
где К – класс точности манометра;

П – верхний предел измерения давления.

Для измерения давления с повышенной точностью используют образцовые манометры. Образцовые манометры имеют класс точности 0,15; 0,25 или 0,4.

1.2.2 Расход. Второй важнейшей величиной гидравлики и пневматики является расход.

Расход – это количество жидкости (газа), проходящей через живое сечение потока в единицу времени.

Различают объемный (Q), весовой (QG) и массовый (Qм) расходы. Единицы измерения этих расходов в системе СИ следующие: Q – м3/с; QG – Н/с; Qм – кг/с.

Чаще всего при выполнении расчетов используют объемный расход. Для измерения объемного расхода в машиностроительной гидравлике широко используется внесистемная единица – л/мин.

Весовой и массовый расходы связаны с объемным следующими зависимостями:
(6)
где ρ – плотность жидкости (газа).

Наиболее простым способом измерения расхода (он используется в данной лабораторной работе) является объемный с помощью мерного бака. Суть его заключается в том, что измеряется время t прохождения через систему определенного объема жидкости W, которая поступает в мерный бак. Зная W и t, затем вычисляют объемный расход, который равен:
Q = W/t. (7)

И
6
змерение расхода может осуществляться различными способами [3, c. 160... 164].

На практике наиболее широкое применение для измерения расхода находят расходомеры, которые бывают двух типов: объемные и скоростные [3, с. 166... 170].

Принцип действия объемных расходомеров основан на попеременном заполнении и опорожнении рабочей (рабочих) камеры (камер). Число заполнений или опорожнений, подсчитываемое с помощью специальных устройств (механических, электрических), характеризует расход через систему. Достоинством объемных расходомеров является высокая точность измерения: максимальная относительная погрешность не превышает 1 %. Недостаток – громоздкость и сложность конструкций, а для некоторых расходомеров – невозможность применения для загрязненных жидкостей.

Объемные расходомеры бывают различных типов: дисковые, поршневые, шестеренные, кольцевые и лопастные.

Принцип действия скоростных расходомеров основан на том, что жидкость, протекающая через прибор, приводит во вращение крыльчатку или вертушку, частота вращения которой пропорциональна скорости потока и, следовательно, расходу. Ось крыльчатки или вертушки посредством передаточных механизмов соединена со счетчиком.

Скоростные расходомеры по конструкции проще объемных, но обладают меньшей точностью измерений. Максимальная относительная погрешность измерений может достигать 2...3 %.

По конструктивному признаку скоростные расходомеры подразделяются на крыльчатые и турбинные.

^ 2.3 Режимы течения жидкости. Исследованиями ученых (Г. Хаген – 1869 г., Д.И. Менделеев – 1880 г., О. Рейнольдс – 1881-1883 г.г.) установлено существование двух режимов течения жидкости: ламинарного и турбулентного.

Ламинарным называется такой режим, при котором поток жидкости движется отдельными струйками или слоями, и траектории отдельных частиц жидкости между собой не пересекаются; линии тока совпадают с траекториями частиц.

Турбулентным называется такой режим, при котором течение является возмущенным, частицы жидкости перемешиваются, а траектории частиц представляют сложные линии, пересекающиеся между собой.

Наличие ламинарного или турбулентного режима зависит от скорости движения, вязкости жидкости и от геометрических размеров живого сечения потока.

При постепенном увеличении средней скорости движение сохраняется ламинарным лишь до определенной скорости, после которой наступает турбулентный режим.

Переход от ламинарного режима к турбулентному происходит при так называемой верхней критической скорости кр.в. . Обратный переход от турбулентного режима к ламинарному происходит при нижней критической скорости кр.н. . Причем кр.н. < кр.в. . Однако, в связи с тем, что движение между кр.н.  и кр.в. неустойчивое, часто считают, что переход от ламинарного режима к турбулентному и от турбулентного режима к ламинарному происходит при одном и том же значении критической скорости кр  = кр.н. .

Д
7
ля определения режима движения жидкости используется безразмерный критерий, который называют числом Рейнольдса и обозначают символом Re.

Для напорного движения в круглых трубах
, (8)
где – средняя скорость движения потока жидкости;

d – диаметр трубы;

ν – кинематическая вязкость жидкости.

Для потоков некруглого сечения в формулу (8) вместо d представляют так называемый гидравлический диаметр D.

Смене режимов движения соответствует численное значение числа Рейнольдса, которое называют критическим: Reкр = 2320.

При Re < 2320 режим движения ламинарный, а при Re > 2320 – турбулентный.

Интересуются режимом движения из энергетических соображений. На рисунке 1.2 показана зависимость потерь напора (удельной энергии) на трение hт от числа Рейнольдса.

Рисунок 1.2 – Зависимость потерь напора (удельной энергии) на трение hт от числа Рейнольдса Re
Таким образом, как видно из рисунка 1.2, при ламинарном режиме течения потери энергии на трение меньше, чем при турбулентном режиме. При расчетах гидравлических систем приходится постоянно контролировать режим течения (определять Re), с тем, чтобы определить потери энергии на трение

Режим течения газа определяется также на основе использования критерия (8).
^ 1.3 Экспериментальная установка
Схема экспериментальной установки приведена на рисунке 1.3. установка содержит стеклянную трубу 1 с установленной в ней трубкой 2. Трубка 2 с помощью гибкого шланга соединена с сосудом 3, в котором находится подкрашенная жидкость. На гибком шланге установлен зажим 4.

С
8
теклянная труба через вентиль 5 соединена с водопроводной сетью.

Вода, пройдя через стеклянную трубу 1, поступает в мерный бак 6, который соединен с прозрачной трубкой 7. Для определения уровня жидкости в мерном баке используется шкала 8. С помощью вентиля 9 мерный бак связан с дренажом. Для измерения времени используется электрический секундомер 10.



Рисунок 1.3 – Схема экспериментальной установки
^ 1.4 Проведение испытаний
Приоткрыть вентиль 5 и ослабить зажим 4. Воздействуя на вентиль 5, установить такой режим течения, при котором струйка подкрашенной жидкости не размывается. Закрыть вентиль 9. С помощью секундомера 10 замерить время t, в течение которого в мерный бак поступит объем жидкости W (принять W = 1,5 – 2 л). После этого закрыть вентиль 5 и измерить температуру воды Т в мерном баке. Далее необходимо открыть вентиль 9 и слить воду из мерного бака, подготовив тем самым установку к проведению следующего опыта.

Изменяя степень открытия вентиля 5, провести 6 опытов. В первых двух опытах струйка подкрашенной жидкости не должна размываться. В третьем и четвертом опытах струйка должна иметь волнообразный характер. В пятом и шестом – интенсивное размывание струйки.

Результаты измерений и вычислений заносятся в таблицу 1.2.

Т
9
аблица 1.2 – Результаты исследований


№ опыта

Объем мерного

бака W, м3

Время наполнения

t, c

Расход

Q, м3

Средняя скорость , м/с

Температура воды, Т, ºС

Кинематическая

вязкость

ν, м2

Число Рейнольдса, Re

Режим

течения

наблюдаемый

расчетный

1



6






















^ 1.5 Обработка результатов
Расход жидкости в стеклянной трубе равен:
Q = W/t.
Для определения средней скорости течения жидкости в стеклянной трубе необходимо вначале вычислить площадь сечения этой трубы А (внутренний диаметр трубы равен 20 мм). Тогда = Q / А .

Используя значение температуры воды Т, по таблице [3, с. 14] определяют кинематическую вязкость ν.

Число Рейнольдса вычисляется по формуле (8).

Расчетный режим течения определяется путем сравнения полученных численных значений Re с критическим числом Рейнольдса Reкр.. Наблюдаемый режим оценивают по характеру течения струйки подкрашенной жидкости. Затем оценивается совпадение расчетного и наблюдаемого режимов.

Все необходимые расчеты следует выполнять в системе СИ.
^ 1.6 Контрольные вопросы
1) Давление: физическая сущность; абсолютное, избыточное, вакуумметрическое давление, способы, приборы и единицы измерения;

2) Расход: физическая сущность; объемный, весовой и массовый расходы, способы, приборы и единицы измерения;

3) Режимы течения жидкости и газов, необходимость и методика их определения.
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
1 Гидравлика, гидромашины и гидроприводы: Учебник для машиностроительных вузов / Т.М. Башта, С.С. Руднев, Б.Б. Некрасов и др. – 2-е изд., перераб. – М.: Машиностроение, 1982. – 512 с.

2 Свешников В.К., Усов А.А. Станочные гидроприводы: Справочник: – 2-е изд., перераб. и доп. – М.:Машиностроение, 1988. – 512 с.

3 Справочное пособие по гидравлике, гидромашинам и гидроприводам / Я.М. Вильнер, Я.Т. Ковалев, Б.Б. Некрасов и др. – 2-е изд., перераб. и доп. – Мн.: Выш.шк., 1985. – 382с.


Похожие:

Методические указания к лабораторной работе №1 «измерение давления и расхода, определение режима течения жидкости» iconМетодические указания к лабораторная работа №5
Лустгартен Т. Ю., Видзон Е. З., РумянцевС. Н. Измерение сопротивлений изоляции и защитного заземления: методические указания к лабораторной...
Методические указания к лабораторной работе №1 «измерение давления и расхода, определение режима течения жидкости» iconМетодические указания к лабораторной работе №4
Экспериментальное определение коэффициентов местных гидравлических сопротивлений
Методические указания к лабораторной работе №1 «измерение давления и расхода, определение режима течения жидкости» iconМетодические указания к лабораторной работе №7 «Определение гидравлических...
Изучение методики и экспериментальное определение гидравличес-ких характеристик гидрораспределителя и фильтра
Методические указания к лабораторной работе №1 «измерение давления и расхода, определение режима течения жидкости» iconМетодические указания к лабораторной работе №2 «физические свойства жидкостей и газов»
Плотностью  (кг/м3) называется масса m жидкости, содержащаяся в единице объема V. Для однородных жидкостей
Методические указания к лабораторной работе №1 «измерение давления и расхода, определение режима течения жидкости» iconМетодические указания к лабораторной работе №5 «Определение коэффициента гидравлического трения»
Разработал:  канд техн наук,                                                                                        доцент Мрочек...
Методические указания к лабораторной работе №1 «измерение давления и расхода, определение режима течения жидкости» iconПроектирование внутреннего водопровода
Целью курсовой работы является: определение расчетного расхода воды, гидравлический расчет внутренней водопроводной сети, подбор...
Методические указания к лабораторной работе №1 «измерение давления и расхода, определение режима течения жидкости» iconМетодические указания к лабораторной работе по курсу: «Финансовый менеджмент»
Менеджер предпринимательского предприятия: Методические указания к лабораторной работе по курсу «Финансовый менеджмент» для студентов...
Методические указания к лабораторной работе №1 «измерение давления и расхода, определение режима течения жидкости» iconМетодические указания к лабораторной работе №6 «определение рабочих...
Разработал:  канд техн наук,                                                                                        доцент Мрочек...
Методические указания к лабораторной работе №1 «измерение давления и расхода, определение режима течения жидкости» iconМетодические указания к лабораторной работе по дисциплине «Методы программирования»
Целью лабораторной работы является знакомство с основными алгоритмами внутренней сортировки линейных массивов данных
Методические указания к лабораторной работе №1 «измерение давления и расхода, определение режима течения жидкости» iconМетодические указания и задания к лабораторной работе для студентов...
Методические указания предназначены для самостоятельной подготовки и выполнения лабораторной работы с топографической картой студентами...
Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2020
контакты
userdocs.ru
Главная страница