Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  


Загрузка...

Лекции по гидравлике - файл 1.doc


Лекции по гидравлике
скачать (6080 kb.)

Доступные файлы (1):

1.doc6080kb.24.11.2011 10:37скачать

содержание
Загрузка...

1.doc

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11
Реклама MarketGid:
Загрузка...
^

III. Лабораторные работы

3.1 Указания к выполнению лабораторных работ



Лабораторные работы выполняются в лаборатории кафедры в часы занятий по расписанию.

К лабораторным работам допускаются подготовленные студенты, прошедшие инструктаж по технике безопасности.

Подготовка к лабораторным работам производится во внеаудиторное время и включает:

а) подготовку по теории к теме лабораторного занятия;

б) подготовку к проведению непосредственно лабораторной работы– в лабораторной тетради должна быть зарисована схема экспериментальной установки, записаны необходимые расчетные формулы и заготовлены таблицы для записи и обработки опытных данных.

Отчет по лабораторной работе оформляется в соответствии с ЕСКД.
^

3.2 Содержание отчета





  1. Название лабораторной работы.

  2. Цель работы.

  3. Схема лабораторной установки.

  4. Основные расчетные уравнения и формулы.

  5. Таблица наблюдений и вычислений.

  6. Графики, эпюры, построенные по результатам вычислений и обработки опытных данных.

  7. Оценка погрешности эксперимента.

  8. Выводы о проделанной работе.

Отчет защищается путем личного собеседования с преподавателем.
^

Лабораторная работа №1

Методы измерения гидростатического давления



Цель работы: Изучение конструкций приборов и способов измерения гидростатического давления.
^ 1. Основные положения и общие зависимости

Приборы для измерения давления по характеру измеряемой

величины подразделяются на:

1) барометры, измеряющие атмосферное давление;

2) манометры, измеряющие разность абсолютного и атмосферного давлений, т.е. избыточного (манометрического) давления;

3) вакуумметры, служащие для измерения отрицательного избыточного давления – вакуума;

4) мановакуумметры, измеряющие как избыточное давление, так и вакуумметрическое;

5) дифференциальные манометры, которые измеряют разность давлений. По принципу действия различают приборы жидкостные и механические.

К жидкостным приборам относятся: пьезометр, манометр, дифференциальный манометр. Жидкостные приборы (рис. 1.1.) основаны на уравновешивании измеряемого давления высотой столба рабочей жидкости определенного объемного веса.




Рис. 1.1. Жидкостные приборы для измерения давления:

пьезометры открытого (а) и закрытого (б) типа; дифманометр (в);

U-образные (г) манометр и вакуумметр (д); простой вакуумметр (е)
К механическим приборам (рис. 1.2.) относятся: пружинно-трубчатые и мембранные манометры, мановакуумметры, барометры. Действие механических манометров основано на применении закона Гука. Сила давления деформирует упругий элемент прибора (пружину, мембрану), а возникшая деформация, после тарирования, является мерой давления.


Рис. 1.2. Механические приборы для измерения давления:

пружинный трубочный (а); мембранный (б)
При определении гидростатического давления, как правило, оперируют абсолютным (полным) давлением Р, манометрическим (избыточным) давлением РM и вакуумом РV (отрицательным избыточным давлением). Между этими величинами существуют следующие зависимости:

(1.1.)
(1.2)

Из рис. 1.3 видно, что величина вакуума не может быть больше атмосферного давления. Отсюда же можно сформулировать понятия манометрического давления и вакуума.

Манометрическое давление - это избыток абсолютного давления над атмосферным.

Вакуум - отрицательное избыточное давление (недостаток абсолютного давления до атмосферного).

Полное или абсолютное гидростатическое давление Р в любой точке покоящейся жидкости складывается из давления на свободной поверхности жидкости Р0 и веса столба жидкости с основанием, равным единице площади, и высотой равной глубине h расположения рассматриваемой точки под уровнем свободной поверхности:
. (1.3)

В гидротехнической практике применяются следующие единицы измерения давления: кгс/см2, ат, кгс/м2, Н/м2 (Па), м или мм ст. жидкости. Между ними существует связь:
1 ат = 1 кгс/см2 = 104 кгс/м2 = 9,81104 Н/м2 = 10 м. вод. ст. = 736 мм.рт.ст.
В международной системе единиц СИ давление измеряется в
Па = 1 Н/м2; 1 ат = 0,1 MПa (мегапаскали); 1 ат = 100 кПа (килопаскали).
^ 2. Описание экспериментальной установки
Изучая способы измерения гидростатического давления, рассматриваем некоторую замкнутую область, заполненную воздухом, для чего используется экспериментальная установка (рис.1.4).

Установка состоит из вакуум-насоса I, трехходового крана II, группы механических приборов III, группы жидкостных приборов IV.

В группу механических приборов III входят: пружинно-трубчатый манометр открытого типа (1), пружинно-трубчатый манометр закрытого типа (2), пружинно-трубчатый манометр закрытого типа (3), включенные в линию нагнетания вакуум-насоса (I) при помощи резиновых трубок Т; мановакуумметр закрытого типа (4), пружинно-трубчатый вакуумметр закрытого типа (5), включенные в линию всасывания вакуум-насоса (I) при помощи резиновых трубок Т.

Группа жидкостных приборов IV смонтирована на щите III. Она состоит из двух U-образных манометров (одно колено сообщается с атмосферой) и двух пьезометров:

U-образный манометр, заполненный водой (6);

U-образный манометр, заполненный веретенным маслом (7), включены в линию нагнетания вакуум-насоса I при помощи металлических трубок М и тройников ТР; пьезометр (8) с открытым верхним концом, сообщенным с атмосферой и нижним концом, опущенным в закрытый резервуар А, заполненный водой, сообщается с линией нагнетания вакуум-насоса I при помощи металлических трубок М и тройников ТР; вакуумметр (9), верхний конец которого связан с линией всасывания вакуум-насоса I при помощи металлических трубок М, а нижний конец опущен в открытый резервуар Б, заполненный водой.

^ 3. Порядок проведения опытов
На экспериментальной установке (рис. 1.4.) устанавливаем трехходовой кран П в позицию О и включаем электродвигатель вакуум-насоса I. В нагнетательной линии вакуум-насоса I устанавливается давление больше атмосферного, во всасывающей линии вакуум-насоса I устанавливается давление меньше атмосферного. После стабилизации давления в системе, что определяется по устойчивым показаниям приборов (уровни жидкости в коленах U-образных манометров 6 и 7 и в пьезометре 8 установились без колебаний), приступаем к проведению опытов.

Рис. 1.4. Схема экспериментальной установки
Опыт 1.

Переключаем трехходовой кран П в позицию 1. После стабилизации давления снимаем показания приборов.

Показания группы механических приборов III: механических манометров 1,2,3, которые измеряют избыточное давление воздуха в нагнетательной линии вакуум-насоса I, механических мановакуумметра 4 и вакуумметра 5, которые измеряют вакуум (разряжение) воздуха во всасывающей линии вакуум-насоса I. ( Механические приборы работают одновременно при открытых кранах К. При необходимости можно отключить любой из них, перекрывая соответствующий кран К).



Рис. 1.3. Пределы измерения давлений.
Показания приборов группы IV, которые измеряют избыточное давление в нагнетательной линии вакуум-насоса i: U-образных манометров 6 и 7 (отсчеты снимаем по шкале прибора как перепад уровней Δh6 и Δh7) и пьезометра 8, показание которого h р8 снимаем как высоту подъема воды из открытого резервуара А (отсчет производится от условного нуля шкалы прибора до мениска воды, находящейся в пьезометре). Среднее значение трехразовых измерений заносим в таблицу 1.1.
Опыт 2.
Для измерения вакуума во всасывающей линии вакуум-насоса I при помощи жидкостного вакуумметра (9) производим переключение трехходового крана II в позицию 2. После стабилизации давления в системе снимаем показание вакуумметра как высоту подъема жидкости (воды) из открытого резервуара Б (отсчет производится от условного нуля прибора по шкале до уровня меникса жидкости, находящейся в вакуумметре 9). Измеренные значения давления заносим в таблицу 1.1.
^ 3.1 Обработка результатов измерений


  1. Вычисление избыточного давления по показаниям пьезометра производится по формуле (1.4.)

(1.4.)

где hp8 - показание пьезометра, м. вод. ст.; ρ – плотность воды (1000кг/м3).


  1. Вычисление вакуума по показанию масляного вакуумметра производится по формуле (1.5)


(1.5)
где hв9 - показание вакуумметра, м. масл. ст.; ρ= 800 кг/м3


  1. Вычисление избыточного давления по показаниям U-образных манометров

(1.6)

где Δh6, Δh7 - показания U-образных манометров 6 и 7, соответственно, м. жид. столба.


  1. Используя рассчитанные значения избыточного и вакуумметрического давлений и показания механических приборов, определяем абсолютные давления (формулы 1.1, 1.2, 1.3). Атмосферное давление

Р ат= 1 = 1кгс/см2 = 104кгс/м2 = 9,8 104Н/м2
Результаты вычислений необходимо представить в двух системах единиц измерений: технической (МКГСС) и международной (СИ).
Таблица 1.1.




п/п


Наимено-

вание

прибора



Единицы

измере-ния

давления


Отсчет

по

прибору



Избыточное

давление



Абсолютное

давление



МКГСС


СИ


МКГСС


СИ


кгс/м2

Па

кгс/м2

Па

1


Пьезо-метр



















2



Жидкост-ный

вакуум-метр



















3

U-образный водный манометр



















4


U-образный

масляный

манометр



















5



Механический пружин-ный

манометр



















6

Механический вакуум-метр



















7


Барометр






















^

Контрольные вопросы





  1. Как классифицируются приборы для измерения гидростатического давления?

  2. Каково устройство и принцип действия жидкостных и механических приборов?

  3. Укажите достоинства и недостатки приборов для измерения гидростатического давления.

  4. Назовите существующие виды давления, как они определяются?

  5. Абсолютное давление Рабс = 3105 кгс/м2. Определите избыточное давление и выразите в СИ.

  6. Какой из приборов позволяет отсчитывать избыточное давление с большей точностью и почему?

  7. Назовите наибольшую величину вакуума.


^ Лабораторная работа №2

Определение выигрыша в силе при работе на гидравлическом прессе
Цель работы: Знакомство с устройством, принципом работы гидропресса и использование закона Паскаля для определения выигрыша в силе. Изучение влияния различных факторов на выигрыш в силе.


  1. ^ Основные положения и расчетные зависимости


Основой для определения выигрыша в силе при работе на гидравлическом прессе является закон Паскаля: гидростатическое давление, действующее на пограничную область жидкости, находящейся в замкнутом сосуде, передается внутрь жидкости одинаково всем частицам.

Определим гидростатическое давление, действующее на пограничную поверхность СД (рис. 2.1) малый поршень–жидкость, где ωм - площадь поперечного сечения малого поршня диаметром dм и на пограничную поверхность МК – большой поршень-жидкость; ωб - площадь поперечного сечения большого поршня диаметром dб.

Рис. 2.1. Принципиальная схема гидропресса


Тогда из уравнения (2.3):



Рассмотрим равновесие рычага ОВ, для этого отбросим все связи и действие их заменим реакциями R1, R2, R3 (см. рис. 2.2).

Запишем уравнение моментов сил, действующих на рычаг относительно точки О:



откуда


По третьему закону Ньютона сила действия равна силе противодействия. Следовательно, имеем


Из (2.3) определим


Окончательно имеем, учитывая (2.7) и (2.8):


Выигрыш в силе определяется отношением:
(2.10)

^ 2. Описание установки
Гидравлический пресс (рис. 2.2) состоит из масляного насоса I и непосредственно пресса II с приспособлением для сжатия образцов III.

Насос имеет прозрачный корпус с предохранительным клапаном 3, цилиндр 4 с малым поршнем 5, всасывающий 6 и нагнетательный 7 клапаны, перепускной клапан 8, резервуар для масла 9 и манометр 10, показывающий избыточное давление масла при работе пресса. Ручное усилие передается в систему с помощью рычага 11. Пресс II имеет цилиндр, в котором перемещается большой поршень 2. При движении поршня вверх в цилиндре насоса создается разряжение, и масло под действием давления атмосферного воздуха приподнимает шариковый всасывающий клапан, заполняя цилиндр. При движении поршня 5 вниз под действием избыточного давления всасывающий клапан закрывается, масло давит на нагнетательный клапан и, открыв его, поступает в большой цилиндр.

При работе гидропресса перепускной клапан должен быть закрыт. При необходимости опустить большой поршень нужно отвернуть винт перепускного клапана и надавить на поршень 2 рукой.

При выполнении лабораторной работы не учитывается:

1. Манометр и поршни могут находиться на разных геометрических уровнях, следовательно, не учитывается гидростатическое давление возникающего столба жидкости.




Рис.2.2. Гидравлический пресс


  1. При действии деформации образцов большие поршни несколько передвигаются вверх, а следовательно, существуют неучитываемые потери напора в системе насос-цилиндр (т.е. возникает задача не статики, а динамики).

  2. Между манжетой и цилиндром существует трение.

  3. Не учитывается вес поршня и приспособлений.


^ 3. Порядок проведения работы


  1. Закрыть перепускной клапан.

  2. Установить на пресс образец для сжатия.

  3. Энергично качать рукоятку насоса до тех пор, пока манометр не начнет показывать давление.

  4. Измерить диаметры большого и малого поршней и плечи рукоятки насоса.

  5. Возвратить поршень насоса в исходное положение, открыв перепускной клапан.

  6. Данные измерений занести в табл. 2.1.

  1. Определить выигрыш в силе при следующих изменениях параметров;

а) уменьшить диаметр малого поршня в два раза;

б) увеличить диаметр большого поршня в два раза;

в) увеличить длину плеча ОВ рукоятки рычага в 4 раза;

г) уменьшить длину плеча ОА рукоятки рычага в 4 раза;

д) увеличить развиваемое давление в два раза;

е) удалить рычаг, ручное усилие F приложить в центре малого поршня.
8. Записать подробный вывод о влиянии вышеперечисленных параметров на выигрыш в силе.

Таблица 2.1.





№№ п/п


Исходные данные


Расчетные данные


dм


dб


Плечи рычага


Pман


Fб


F м


F


n


ОА
ОВ

см

см

см

см

кгс/см2

кгс

кгс

кгс



1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

1




























2

























































7





























^

Контрольные вопросы




  1. Изменится ли выигрыш в силе, если уменьшить (увеличить) диаметр малого (большого) поршней? Докажите.

  2. Как влияет соотношение плеч рычага на выигрыш в силе?

  3. От каких параметров зависит выигрыш в силе при работе на гидропрессе?

  4. Какой вид давления будет под малым поршнем, если рычаг пойдет вверх (вниз)? Почему?

  5. Каково практическое применение гидропресса в Вашей будущей специальности?


Лабораторная работа №3

Относительный покой жидкости
^ Цель работы: Визуальное наблюдение формы свободной поверхности жидкости во вращающемся сосуде; опытная проверка аналитического выражения (3.3); построение эпюр гидростатического давления для абсолютного и относительного покоя; определение сил действия жидкости на боковые стенки и дно резервуара.

^ 1. Основные положения и расчетные зависимости
Из уравнения гидростатики, определяющего равновесие покоящейся жидкости , запишем:

. (3.1)

Для поверхности равного давления (dp=0) имеем

(3.2)

При вращении сосуда с жидкостью с постоянной скоростью вокруг вертикальной оси на каждую частицу жидкости действуют массовые силы–сила тяжести и центробежная сила инерции.

Проекции ускорения массовых сил ах, ау, az на оси координат в данном случае будут (рис. 3.1):

С учетом этого выражение (3.2) примет вид
(3.3)
Интегрирование последнего выражения дает уравнение параболоида вращения:

(3.4)

где ; х, у, z - текущие координаты точек на свободной поверхности жидкости; z0 - координата пересечения параболоида с осью вращения; - угловая скорость вращения; ρ - плотность жидкости.

Закон распределения давления в жидкости при относительном покое имеет вид

(3.5)

где Рабс - абсолютное давление в любой точке жидкости с текущими координатами r и z (рис. 3.1).



Рис. 3.1. Схема установки для изучения относительного покоя жидкости во вращающемся относительно вертикальной оси цилиндре
Например: если точка А находится на дне резервуара, совпадая с началом координат, тогда r = 0, z = 0, по уравнению (3.5) имеем

(3.6)

Если точка В находится на дне резервуара у его боковой стенки (рис. 3.1), имеем r = R, z = 0, тогда по уравнению (3.5)

(3.7)

(3.7)*

Изменение давления по вертикали такое же, как и в неподвижном сосуде.
^ 2. Порядок выполнения работы
Опыт проводится на специальной установке, состоящей из цилиндра 1 с прозрачными стенками из органического стекла, вставленного в обойму 2. Осевой валик 3 обоймы с помощью редуктора соединен с электродвигателем. Число оборотов электродвигателя регулируется реостатом по тахометру. Над цилиндром установлена горизонтальная линейка с передвижной мерной иглой 4. В цилиндр наливается глицерин (ρ = 1240 кг/м3) (примерно до половины цилиндра). Замеряется уровень жидкости Но и внутренний радиус сосуда R. Установка включается в сеть. Затем цилиндр приводится во вращение с постоянным числом оборотов n, которое замеряется по тахометру. Когда поверхность жидкости примет установившуюся форму, мерной иглой измеряются координаты нескольких точек на свободной поверхности (CDN, рис. 3.1).

Данные замеров и расчетов помещаются в таблицу 3.1

Таблица 3.1





Первоначальн.

уровень

жидкости


Скорость

вращения

цилиндра


Внутр.

радиус

цилиндра


Отметки свободной поверхности

жидкости при

y = 0; x = r; n = const

H0

n

оп

R

z0

r0

z1

r1

z2

r2

z3

r3

мм

об/мин

c-1

мм

мм

мм

мм

мм

мм

мм

мм

мм






































^ 3. Обработка экспериментальных данных
1. Вычисляют угловую скорость вращения жидкости по показанию тахометра:

(3.8)
2. Рассчитывают по (3.3) угловую скорость вращения ωрасч, используя измеренное значение высоты параболоида, равное H = Zri Z0

3.Определяют относительную погрешность угловой скорости
(3.9)

4. Строят в масштабе эпюру избыточного гидростатического давления для боковой стенки и дна резервуара в случае:

а) абсолютного покоя;

б) относительного покоя.

Для этого используют данные табл. 3.1 и формулы (3.5), ( 3.7.) и (3.7.)*

5. Определяют силы действия жидкости на боковую стенку и дно резервуара в случае абсолютного и относительного покоя.
^

Контрольные вопросы



1. Какие силы действуют на жидкость в случаях абсолютного и относительного покоя?

2. Какую форму принимают поверхности равного давления в следующих случаях:

а) когда на жидкость из массовых сил действует лишь сила тяжести (случай абсолютного покоя);

б) при вращении жидкости вместе с сосудом вокруг вертикальной оси с постоянной угловой скоростью;

в) при прямолинейном движении сосуда с жидкостью: равномерно, с положительным ускорением, с отрицательным ускорением?

3. Что называется единичной массовой силой?

4. Как определить давление в любой точке жидкости под свободной поверхностью при вращении цилиндра вокруг вертикальной оси?

5. Где в технике применяются закономерности относительного покоя? Какие примеры Вы знаете? Какие параметры можно рассчитать по этим закономерностям?
Лабораторная работа №4

^ Изучение режимов течения жидкости (опыт Рейнольдса)
Цель работы: Визуально изучить качественную картину движения жидкости при ламинарном и турбулентном режимах; по опытным данным вычислить критическую скорость и критическое число Рейнольдса.
^ 1 .Основные положения и расчетные зависимости
При изучении движения вязкой жидкости различают два режима – ламинарный и турбулентный.

Ламинарным режимом называется слоистое движение жидкости. Силы внутреннего трения или вязкости, возникающие между слоями при ламинарном движении, не дают проявиться пульсации скорости отдельных частиц и их переходу в соседние слои.

Турбулентным называется режим, при котором слоистость движения жидкости нарушена, появляется пульсация скорости, вызывающая перемешивание жидких частиц в потоке.

Характеристикой режимов движения служит безразмерное число Рейнольдса
(4.1)
где ^ V - средняя скорость; d - характерный линейный размер; -коэффициент кинематической вязкости.

Число Рейнольдса Rе, при котором происходит переход ламинарного режима в турбулентный, называется критическим - Rекр.

Ламинарный режим потока будет устойчивым при числах Рейнольлса меньших критического: для круглых труб при Reкрd = 2320; для потоков некруглой формы или открытых ReкрRг = 580.

Экспериментально установлено, что существует два критических числа Рейнольдса: нижнее критические число Рейнольдса - ReкрН и верхнее критическое число Рейнольлса - ReкрВ.

Если число Рейнольдса, подсчитанное по формуле (4.1), окажется меньше значения нижнего критического числа, т.е. Re < ReкрН , то режим будет всегда ламинарным, если же Re > ReкрВ, то режим движения будет всегда турбулентным.

При числах Rе, удовлетворяющих неравенству

ReкрН < Re < ReкрВ,

режим может быть либо ламинарным, либо турбулентным, в зависимости от предыстории движения жидкости. Однако при указанных числах Rе ламинарный режим движения неустойчивый, малейшие возмущения, вносимые в ламинарный поток жидкости (например, сотрясение трубы), не затухают и приводят к смене режима на турбулентный.

Потери напора hl по длине трубы при ламинарном движении пропорциональны скорости в первой степени hl = k1V1, где k1 - коэффициент пропорциональности, зависящий от размеров трубы и свойств жидкости.

При развитом турбулентном режиме потери hl пропорциональны квадрату скорости: hl = k1V2. В переходной области сопротивления (от доквадратичной к квадратичной), когда касательные напряжения в потоке от сил вязкости соизмеримы с напряжениями от пульсаций скорости, вызывающей перемешивание, потери напора hl пропорциональны скорости в степени выше первой, но ниже второй.

^ 2. Описание экспериментальной установки и порядок проведения опыта
Существование ламинарного и турбулентного режимов движения можно проиллюстрировать опытом (вошедшим в историю как классический опыт Рейнольдса) на лабораторной установке (рис.4.1).



Рис. 4.1. Установка для изучения режимов движения жидкости
Для визуального наблюдения режимов течения в стеклянной трубе 1, по которой движется вода, в основной поток вводится подкрашенная струйка жидкости из сосуда 3. В качестве подкрашенной жидкости используется слабый раствор марганца (нигрозина), подбирая его плотность приблизительно равной плотности воды во избежание гравитационного перемешивания.

Установившееся движение осуществляется поддержанием в сосуде 2 постоянного напора путем излива лишней воды. Скорость течения воды в трубе регулируется краном 4. Подкрашенная жидкость вытекает по капиллярной трубке и вводится в основной поток через иглу. Подача подкрашенной жидкости регулируется таким образом, чтобы скорости цветной струйки и воды в трубе были примерно одинаковыми.

При очень малых скоростях течения цветная струйка на всем протяжении трубы 1 не перемешивается с основным потоком. Плавным увеличением скорости от нуля до максимального значения можно уловить момент, когда подкрашенная струйка размывается и жидкость по всему сечению трубы оказывается окрашенной. Это и есть переход от ламинарного режима к турбулентному.

Опыт О.Рейнольдса является классическим примером диалектического закона перехода количества в качество. Здесь количественные изменения скорости (увеличение или уменьшение) приводят в новое качество движение (смена ламинарного режима турбулентным или турбулентного ламинарным).

Установка Рейнольдса может быть использована не только для визуального наблюдения режимов движения, но и для определения количественных зависимостей. Разность показаний пьезометров, установленных в начале и конце стеклянной трубы, определяет потерю напора на рассматриваемом участке.

Для качественной оценки режимов движения жидкости необходимо провести замеры пьезометрических напоров P1/(g), P2/(g) по пьезометрам, установленным в начале и конце стеклянного трубопровода, объем протекающей жидкости W за время с визуальным фиксированием состояния подкрашенной струйки. Измерить температуру воды в опыте для расчета кинематической вязкости воды. Данные измерений занести в табл. 4.1.


1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11



Скачать файл (6080 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации
Рейтинг@Mail.ru