Указания к выполнению лабораторных работ

III. Лабораторные работы

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.

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.

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 Р_M и вакуумом Р_V (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= 10⁴кгс/м²= 9, 81× 10⁴ 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).

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 Δ h₆ и Δ h₇) 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.

Лабораторная работа №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 2рукой.

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

2. 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).

3. Между манжетой и цилиндром существует трение.

4. Не учитывается вес поршня и приспособлений.

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
d_м	d_б	Плечи рычага	P_ман	F_б	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

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 Н_о 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

Таблица.4.1.

d=…cм, t_воды =…⁰ С, n_воды=…см²/сек
Опытные данные	Расчетные данные
№	W	t	h₁	h₂	Режим	Q	V	h_l	lgV	lgh_l	Rе=
п/п	см³	сек	см	см	течения	cм³/сек	см/сек	см	-	-	-
					наблюдаемый
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
1
2
…
8

Изменяя расход в трубопроводе, а следовательно, и скорость движения жидкости V, можно найти зависимость h_l= f(V). Если на логарифмической сетке (рис. 4.2) по оси абсцисс отложить значения lgV, а по оси ординат - соответствующие значения lgh_l, то, соединив опытные точки, получим две прямые линии аb и cd. Линия аb соответствует ламинарному режиму, а cd - турбулентному. Точка пересечения прямых е определяет критическую скорость течения жидкости в круглой трубе V_кр, что дает возможность определить критическое число Рейнольдса Re_кр.оп:

(4.2)

Рис. 4.2. ● - ламинарный, ▲ - турбулентный режимы

Таблица 5.1

№ сече-ний	Диа-метр	Пло-щадь	Объем воды	Вре-мя	Гидроста-тический напор	Расход	Ско-рость	Скоро-стной напор	Полн. уд. энерг.
	d	w	W	t	Z + P/(rg)	Q	V	V²/2g	e
	см	см²	см³	сек	см	см³/сек	см/сек	см	см
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
1
2
…
9

По результатам таблицы 5.1 в масштабе на миллиметровой бумаге строится пьезометрическая (Р-Р) и напорная (Н-Н) линии (рис. 5.1).

Контрольные вопросы

1. Как меняется удельная потенциальная энергия: при сужении потока; при расширении потока?

2. Как ведет себя напорная линия в тех же условиях?

3. Изменится ли положение пьезометрической линии, если в опыте реальную жидкость заменить идеальной?

4. Может липьезометрическая линия опускаться нижеоси трубопровода, о чем это говорит?

5. Что характеризует расстояние по вертикали от пьезометрической линии до напорной; от пьезометрическойлинии до плоскости сравнения; от пьезометрической линии до центра тяжести живого сечения трубопровода?

6. Может ли напорная линия располагаться ниже пьезометрической? Почему?

Лабораторная работа №6

Порядок выполнения работы

1. Открыть вентиль 2 и установить некоторый постоянный расход.

2. Снять показания пьезометров и замерить объем воды в мерном баке за время t.

3. Измерить температуру воды.

4. Изменить расход в системе при помощи запорного вентиля и все измерения повторить; необходимое количество опытов 6¸ 8.

Таблица 6.1.

d = … см t = … °C n = … см²/сек
Опытные данные
№ п/п	W	t	h₁	h₂
	см³	сек	см	см



…

Продолжение таблицы.6.1

l = … см g = 981 см/сек² D_Э = 0, 01 мм
Результаты обработки данных
Q	V	h_l	l_оп	lg(100× l_оп)	Re	lg Re	l_расч	lg(100× l_расч)
см³/с	см/сек	см	–	–	–	–	–	–



…

8. Построить график зависимости (lg 100l) от lg Re (рис. 6.2).

9. Сделать выводы о проделанной работе, оценив степень совпадения расчетных и опытных значений коэффициентов Дарси по среднеквадратическому отклонению опытного коэффициента l_оп от расчитанного по формулам l_расч.

Рис.6.2 Зависимость lg 100λ от lgRe:

▲ – опытные точки, ● – расчетные точки; 1 – прямая Стокса, 2 – прямая Блазиуса

Контрольные вопросы

1. Какие причины вызывают возникновение потерь напора по длине?

2. Каков физический смысл коэффициента Дарси и его связь с напряжением трения на стенке трубы?

3. Как определяются потери напора по длине? Запишите формулу Дарси – Вейсбаха.

4. Чем определяется величина коэффициента Дарси?

5. Что называется абсолютной, относительной и эквивалентной шероховатостью? Что такое искусственная шероховатость?

6. Какие зоны трения Вы знаете? Чем они отличаются?

7. Какие трубы называются гидравлически гладкими, гидравлически шероховатыми? Может ли быть таковой одна и та же труба?

8. От каких факторов зависит толщина вязкого подслоя? Как она изменяется с изменением скорости течения жидкости, вязкости?

9. Какая зона называется квадратичной? Почему?

10. Объясните появление " седла" на графике Никурадзе (в зоне смешанного трения).

11. Влияет ли изменение диаметра трубы на потери напора при постоянном расходе жидкости:

а) в ламинарном режиме;

б) в зоне гидравлически гладких труб.

Лабораторная работа №7

Порядок проведения работы

1. Установка приводится в рабочее состояние, для чего запорными вентилями устанавливается какой-либо постоянный расход в системе.

2. Снимаются показания пьезометров при установившемся движении жидкости и замеряется объем воды за время t.

3. Замеряется температура воды в мерном баке.

4. Повторить опыт при расходах, близких к первоначальному.

Таблица 7.1.

Рис. 8.4. Схема экспериментальной установки

Порядок проведения работы

1. Открыть кран трубопровода 11 и заполнить напорный бак водой, пока уровень жидкости не достигнет точки присоединения обводной трубы, через которую будут сливатьсяизлишки жидкости, а уровень воды в баке будет поддерживаться постоянным.

2. Открыть отверстие (насадок), приподнимая соответствующий стержень на высоту 120-150мм и удерживая его в таком положении, произвести замер расхода жидкости при истечении из отверстия (насадка) объемным способом.

3. Закрывая отверстие (насадок) пробкой, произвести последовательно замеры при истечении жидкости из двух насадков. Результаты измерений занести в табл. 8.1.

4. После окончания опытов закрыть кран трубопровода 11 и открыть кран 9 для слива воды из мерного бака.

Продолжение таблицы 8.1.

№	Коэффициенты истечения	Погреш-ность экс-перимента
опытные	табличные
m_оп	j_оп	z_оп	m_m	e_т	j_m	z_т
	9	10	11	12	13	14	15	16
				0, 94	0, 98	0, 96	0, 09
				0, 82	1, 00	0, 82	0, 50
				0.62	0, 64	0, 97	0.06
				0, 45	1, 00	0, 45	4, 00
				0.98	1, 00	0, 98	0, 04

Контрольные вопросы

1. Какие отверстия считаются малыми?

2. Какие коэффициенты истечения Вы знаете?

3. Каков физический смысл коэффициентов истечения?

4. Как связаны между собой коэффициенты истечения j, e, z, m?

5. Зависит ли теоретическая скорость истечения через отверстие от физических свойств жидкости?

6. Изменяется ли с увеличением числа Рейнольдса коэффициент сжатия струи и почему?

7. Что называется насадком? Какие типы насадков Вы знаете?

8. Каково практическое применение насадков?

9. Какие имеются отличия в явлении истечения жидкости через малое отверстие и насадка?

10. В каком режиме и почему расход жидкости через насадок увеличивается?

11. Может ли проявиться кавитация при истечении через насадок?

III. Лабораторные работы

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;

Отчет по лабораторной работе оформляется в соответствии с ЕСКД.

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

12 3 4 Следующая ⇒