Описание устройства № 2 и жидкостных приборов

⇐ ПредыдущаяСтр 4 из 7Следующая ⇒

Ртутный барометр состоит вертикальной стеклянной трубки с миллиметровой шкалой и закрытым верхним концом, которая заполнена ртутью, и чаши с ртутью, в которую опущена трубка нижним концом. Таким прибором впервые было измерено атмосферное давление итальянским ученым Э. Торричелли в 1642 г.

Для демонстрации других приборов служит устройство № 2, которое выполнено прозрачным и имеет полость 1, в которой всегда сохраняется атмосферное давление, и резервуар 2, частично заполненный водой – рис. 3. Для измерения давления и уровня жидкости в резервуаре 2 служат жидкостные приборы 3, 4 и 5. Они представляют собой прозрачные вертикальные каналы со шкалами, размеченными в единицах длины.

Однотрубный манометр (пьезометр) 3 сообщается верхним концом с атмосферой, а нижним – с резервуаром 2. Им определяется манометрическое давление p_м = r× g× h_п на дне резервуара (см. рис. 3).

Уровнемер 4 соединен обоими концами с резервуаром и служит для измерения уровня жидкости h в нем.

Мановакуумметр 5 представляет собой U-образный канал, частично заполненный жидкостью. Левым коленом он подключен к резервуару 2, а правым – к полости 1 и предназначен для определения манометрического давления p_мо = r× g× h м (см. рис. 3, а) или вакуумметрического давления p_во = r× g× h_в (см. рис. 3, б) над свободной поверхностью жидкости в резервуаре 2. Давление в резервуаре можно изменять путем наклона устройства.

При повороте устройства в его плоскости на 180^о против часовой стрелки (см. рис. 3, в) канал 4 остается уровнемером, колено мановакуумметра 5 преобразуется в пьезометр 6, а пьезометр 3 – в вакуумметр 7 (обратный пьезометр), служащий для определения вакуума p_во = r× g× h_в над свободной поверхностью жидкости в резервуаре 2.

Рис. 3. Схема устройства № 2: 1 – полость с атмосферным давлением;
2 – опытный резервуар; 3 – пьезометр; 4 – уровнемер; 5 – мановакуумметр;
6 – пьезометр; 7 – вакуумметр

Работа 3. Измерение гидростатического давления

Цель работы

Приобретение навыков по измерению гидростатического давления жидкостными приборами

Общие сведения

Абсолютное давление в любой точке покоящейся жидкости определяется по основному закону гидростатики:

p_а = p_о+ r× g× h, (1)

где p_о– абсолютное давление на свободной поверхности, Па; r – плотность жидкости, кг/м³; g – ускорение свободного падения м/с²; h – глубина погружения точки под свободной поверхностью, м.

При выполнении данной лабораторной работы необходимо вычислить давление в заданной точке (например, на дне резервуара) через показания различных приборов, а затем сравнить результаты, полученные двумя путями.

Порядок выполнения работы

1. В резервуаре 2 над жидкостью создать давление выше атмосферного (p_о> p_ат), о чем свидетельствует превышение уровня жидкости в пьезометре 3 над уровнем в резервуаре и прямой перепад уровней в мановакуумметре 5 (см. рис. 3, а). Для этого устройство поставить на правую сторону, а затем, повернув его против часовой стрелки, отлить часть жидкости из левого колена манова-куумметра 5 в резервуар 2.

2. Снять показания пьезометра h_п, уровнемера h и мановакуумметра h_м.

3. Вычислить абсолютное давление на дне резервуара через показания пьезометра, а затем – через величины, измеренные уровнемером и мановакуум-метром. Для оценки сопоставимости результатов определения давления на дне резервуара двумя путями найти относительную погрешность d.

4. Над свободной поверхностью в резервуаре 2 создать вакуум (p _о< p_ат), когда уровень жидкости в пьезометре 3 становится ниже, чем в резервуаре, а на мановакуумметре 5 появляется обратный перепад h_в (см. рис. 3, б). Для этого устройство поставить на левую сторону, а затем наклоном вправо перелить часть жидкости из резервуара 2 в левое колено мановакуумметра 5. Далее выполнить операции по пп. 2 и 3.

5. Перевернуть устройство против часовой стрелки (см. рис. 3, в) и определить манометрическое и вакуумметрическое давление в заданной преподавателем точке С через показания пьезометра 6, а затем с целью проверки найти его через показания обратного пьезометра 7 и уровнемера 4.

6. Данные опытов занести в табл. 6 (см. Приложение).

7. Сделать выводы по данной работе.

Примечание. Принять атмосферное давление p_ат = 101 325 Па, плотность во-ды r = 1000 кг/м³.

Работа 4. Изучение структуры потоков жидкости

Цель работы

Наблюдение потоков жидкости с различной структурой и выявление факторов, влияющих на эту структуру.

Общие сведения

Различают два режима течения жидкости: ламинарный (слоистый) и турбулентный (вихревой).

При ламинарном режиме линии тока вполне определяются формой русла, по которому течет жидкость. Частицы жидкости движутся по параллельным траекториям, поперечные перемещения отсутствуют, поэтому поток имеет слоистую структуру. Ламинарное течение является вполне упорядоченным и при постоянном напоре – строго установившемся течением, хотя его нельзя назвать безвихревым: одновременно с поступательным движением имеет место вращательное движение отдельных частиц жидкости относительно своих мгновенных центров вращения.

При турбулентном режиме движение отдельных частиц жидкости подобно хаотическому, беспорядочному движению молекул газа, поэтому движение жидкости в целом носит также неупорядоченный характер. При турбулентном движении вектор скорости имеет не только осевые, но и нормальные к оси русла составляющие, поэтому наряду с основным продольным перемещением жидкости существуют поперечные перемещения и вращательные движения отдельных объемов жидкости, что приводит к интенсивному вихреобразованию потока в целом. Поперечное перемешивание жидкости обуславливает пульсации давления и скорости, при которых вышеназванные параметры в любой точке потока постоянно меняются во времени.

При резком изменении поперечного сечения или направления канала от его стенки отрывается транзитная струя. В кольцевом пространстве между транзитной струей и стенкой канала формируется зона интенсивного вихреобразования – циркуляционная (вальцовая) зона.

Для визуального наблюдения за характером течения применяют меченые частицы (например, частицы алюминия) или окрашенные (например, чернилами или тушью) струйки. При установившемся (стационарном) течении линия тока совпадает с траекторией частицы и не изменяет своей форме с течением времени, осредненные значения скорости и давления в каждой точке потока также постоянны во времени. В этом случае и расход, то есть количество жидкости, проходящее через заданное сечение в единицу времени, также не изменяется во времени.

Описание устройства № 3

Устройство № 3 имеет прозрачный корпус (рис. 4), баки 1 и 2 с успокоительной стенкой 3 для гашения возмущений в жидкости от падения струй и всплывания пузырей воздуха. Баки между собой соединены каналами 4 и 5 с одинаковыми сечениями. Конец канала 4 снабжен перегородкой со щелью 6, а противоположный конец канала 5 – решеткой (перегородкой с множеством отверстий) 7. Устройство заполнено водой, содержащей микроскопические частицы алюминия для визуализации течения. Уровень воды в баке 2 измеряется по шкале 8.

а) б) в)

Рис. 4. Схема устройства № 3: 1, 2 – баки; 3 – перегородка;

4, 5 – опытные каналы; 6 – щель; 7 – решетка; 8 – уровнемерная шкала

Устройство работает следующим образом. В положениях устройства, изображенных на рис. 4, а, б, поступающая через левый канал в нижний бак вода вытесняет воздух в виде пузырей в верхний бак. Поэтому давление на входе в канал (на дне верхнего бака) и над жидкостью в нижнем баке уравниваются и истечение происходит под действием постоянного напора Н, создаваемого столбом жидкости в левом канале. Так обеспечивается установившееся (с постоянным во времени расходом) движение жидкости. Причем, в канале 4 устанавливается ламинарный режим течения благодаря низким скоростям течения из-за большого сопротивления щели 6. В свою очередь малое гидравлическое сопротивление решетки 7 обеспечивает турбулентный режим течения в канале 5 за счет больших скоростей (см. рис. 4, б). Расход можно уменьшать наклоном устройства от себя.

В случаях, указанных на рис. 4, в, г, д в каналах 4 и 5 возникает неустановившееся (при переменном напоре и расходе) движение жидкости за счет непосредственного соединения воздушных полостей баков. Это позволяет проследить за изменением структуры потоков в процессе уменьшения их скорости до нуля.

Порядок выполнения работы

1. Создать в канале 4 ламинарный режим течения жидкости. Для этого при заполненном водой баке 1 поставить устройство баком 2 на стол (см. рис. 4, а). Провести визуальное наблюдение структуры потока.

2. Повернуть устройство в вертикальной плоскости по часовой стрелке на 180⁰(см. рис. 4, б). Наблюдать турбулентный режим течения в канале 5.

3. При заполненном водой баке 2 поставить устройство так, чтобы канал 5 (с решеткой) занял нижнее горизонтальное положение (см. рис. 4, в). Наблюдать в канале процесс перехода от турбулентного режима движения к ламинарному. Обратить внимание, что решетка приводит к турбулизации потока за ней.

4. При заполненном водой баке 2 поставить устройство так, чтобы канал 4 (со щелью) занял нижнее горизонтальное положение (см. рис. 4, г). Наблюдать за структурой потока в баке 2 при внезапном сужении, внезапном расширении в канале за щелью и при входе потока из канала в бак 1. Обратить внимание на циркуляционные (вальцовые) зоны, транзитную струю и связь скоростей с площадями сечений канала.

5. При заполненном баке 1 наблюдать структуру течения при обтекании перегородки (см. рис. 4, д).

6. Зарисовать структуры потоков для случаев, указанных в табл. 7 (см. Приложение).

7. Сделать выводы по данной работе.

⇐ Предыдущая 1 2 345 6 7 Следующая ⇒