Дослідження гідравлічних втрат енергії рідини

1 Тема: Дослідження втрат енергії при різних режимах течії рідини.

2 Мета роботи: Спостереження за характером руху рідини в трубопроводі й дослідження втрат енергії при різних режимах руху рідини.

3 Опис робочого місця: Установка для дослідження втрат енергії при різних режимах руху рідини.

4 Теоретичний матеріал:

При русі реальної (маючої в'язкість) рідини відбувається витрата частини енергії потоку. На прямолінійних ділянках трубопроводів постійного перерізу енергія витрачається на в’язке тертя часток рідини між собою й об стінки трубопроводів. На ділянках, де відбуваються порушення потоку, що встановився на прямолінійних ділянках (вигини, зміни перерізу, відводи, проточні пристрої й т.д. місцеві опори) енергія затрачується також на перемішуванні часток і утворення вихрів.

Втрати енергії проявляються як втрати напору (тиску потоку). Вони незворотні і йдуть на нагрівання трубопроводів і самої рідини. Можна приблизно вважати, що втрати напору на послідовно розташованих опорах підсумовуються арифметично. Для розрахунків втрат напору між двома якими-небудь перерізами одного і того ж трубопроводу може бути застосоване рівняння Бернуллі для випадку усталеного руху потоку.

, (5.1)

де - коефіцієнт тертя в трубопроводі (коефіцієнт втрат по довжині);

- довжина ділянки трубопроводу без місцевих опорів;

- коефіцієнт місцевого опору;

- поправочний коефіцієнт, що приблизно враховує залежність величини втрат на місцевому опорі від числа Рейнольдса при <2000, тобто при ламінарному русі;

- внутрішній діаметр трубопроводу.

Відповідно, втрати тиску будуть наступними:

, (5.2)

де - внутрішній діаметр трубопроводу;

V - швидкість рідини;

g - прискорення вільного падіння;

- питома вага рідини.

На місцевих опорах:

, (5.3)

Втрати тиску по довжині визначають за формулою (5.2).

При ламінарному режимі значення залежить від числа й визначається по формулі Стоксу:

, (5.4)

При турбулентному режимі| руху рідини визначається за формулою Блазіуса:

, (5.5)

Втрати тиску на місцевих опорах визначаються за формулою:

, (5.6)

де - коефіцієнт місцевого опору;

- середня швидкість руху рідини;

- прискорення вільного падіння, дорівнює 9,8 м/с²;

- питома вага рідини, дорівнює 10⁴ Н/м³;

- коефіцієнт кінематичної в'язкості.

1. Раптове розширення трубопроводу

v₁

d₁

d₂

v₂

Рисунок 5.1 – Раптове розширення трубопроводу

, (5.7)

де - діаметри трубопроводів 1, 2.

, (5.8)

де , - швидкість руху рідини в трубопроводі с відповідно.

2. Раптове звуження трубопроводу

v₂

d₂

d₃

v₃

Рисунок 5.2 – Раптове звуження| трубопроводу

(5.9)

5 Хід виконання роботи:

5.1 Знайомство зі схемою експериментальної установки.

Рисунок 5.3 – Схема експериментальної установки

Втрати напору по довжині й місцеві втрати напору визначаються на установці, схема якої показана на рис. 5.3.

Подача води в резервуар 1 здійснюється із центрального водопроводу. Рівень води в напірному баку під час дослідів підтримується на постійній відмітці за допомогою крана 5.

Регулювання витрати води в трубопроводі здійснюється за допомогою| вентиля 7 встановленого наприкінці трубопроводу.

Втрата визначається об'ємним способом, для чого використовується мірна ємкість 8. В баку є термометр 9 для виміру температури води під час дослідів.

5.2 Проведення досліду.

Вимірюють температуру води й визначають кінематичний коефіцієнт в'язкості.

Кран 8 відкривають повністю. Витримують інтервал часу в 1-2 хв, під час якого на досліджуваній ділянці трубопроводу встановлюється стаціонарний рух.

Визначають витрату й швидкість руху рідини в трубопроводах 1, 2, 3. Витрата визначається за формулою:

, (5.10)

де V – обсяг рідини в мірній ємності за час t.

Швидкість визначається за формулою:

, (5.11)

де Q– витрата робочої рідини;

d – діаметр трубопроводу.

Визначаємо число Рейнольдса за формулою:

, (5.12)

де d - внутрішній діаметр труби;

- коефіцієнт кінематичної в'язкості.

Визначаємо в залежності від режиму руху рідини формулу для визначення коефіцієнта втрат для відповідної ланки трубопроводу:

Визначаємо втрати напору по довжині за формулою (5.2) для кожної ланки окремо та для всієї установки:

Визначаємо коефіцієнти місцевих опорів за формулами (5.7), (5.9):

Визначаємо втрати на подолання місцевих опорів за формулою (5.6):

Результати вимірювань та розрахунків заносимо в протокол випробувань (табл. 5.1).

Таблиця 5.1 - Протокол випробувань

№ п/п	Час напов-нення мірно-го бака t, с	Темпе-ратура води	Кінема-тичний коефі-цієнт в'язкості	Витрата рідини	Число Рейно-льдса	Втра-ти напо-ру по довжині	Втрати напору на місце-вих опорах	Спосте-реження режиму руху рідини	Швид-кість руху