Порядок проведения расчета

 

Определить объемный расход воздуха в трубе для всех опытов по уравнению расхода:

 

 (1.18)

 

где: V_c - секундный расход воздуха в трубе, м³/с;

a - коэффициент расхода диафрагмы, a = 0,62;

f - площадь поперечного сечения диафрагмы, м²;

d - диаметр диафрагмы, d = 0,006 м;

Δ h_м - показания диафрагмового диф. манометра, м;

r_м - плотность манометрической жидкости, кг/м³;

r _r - плотность воздуха при этих условиях, кг/м³

Определить среднюю скорость в сечениях до и после сопротивления:

 

 (1.19)

F - площадь поперечного сечения трубы, м².

Определить перепад давления на линейном участке:

 

 (1.20)

 

где: Δh_м - показание диф. манометра на прямом участке, м.

Определить опытный коэффициент трения по формуле:

 

 (1.21)

 

где: d_э - эквивалентный диаметр живого потока, м; для круглой трубы d_э= d_вн, м

Определить числовое значение числа Рейнольдса:

 

 (1.22)

 

Установить режим движения воздуха, выбрать формулу для расчета коэффициента трения, вычислить его.

Сравнить опытное значение коэффициента трения с расчетным по формуле:

 

 (1.23)

 

Определить перепад давления на участке с местным сопротивлением:

 

 (1.24)

 

где: Δ h_мс - показание соответствующего дифференциального манометра, м;

r_ж - плотность манометрической жидкости, кг/м³

r_г - плотность воздуха, кг/м³.

Рассчитать значение коэффициента местного сопротивления по формуле:

 

 (1.25)

 

где: w - средняя скорость потока в трубе на участке местного сопротивления, м/с.

Опытное значение коэффициента сравнить со справочным (2, стр.520) по формуле:

 

 (1.26)

 

где:  - справочное значение коэффициента, из (2, стр.503)

Сделать выводы из проделанной работы.

1.5 Контрольные вопросы

 

1. Дать определение гидравлических сопротивлений и привести примеры.

2. Объяснить потерю энергии в местных сопротивлениях.

3. Чем отличается коэффициент трения от коэффициента сопротивления?

4. Влияет ли режим движения потока на числовое значение коэффициента

трения?

5. Объясните понятие "гидравлическая гладкая труба".

6. Записать и объяснить уравнение Бернулли для двух сечений трубопровода, по которому движется реальная жидкость и идеальная.

7. Чем отличается потерянная энергия и потерянный напор?

8. Как рассчитывается энергия, теряемая на трение?

Лабораторная работа № 2

 

Определение режима течения жидкости

Цель работы: Изучение изменений, проходящих в потоке при различных режимах течения.

Теоретическая часть

 

Большинство процессов химической технологии связаны с движением газа или жидкости, причем характер этого движения существенно сказывается на ходе процесса. При расчете таких процессов необходимо учитывать характер движения потоков, жидкости или газа.

Исследуя течение капельных жидкостей в трубах, английский ученый Рейнольдс (1883 г.) обнаружил существование двух различных режимов ее течения.

Обычно при малых скоростях и малых диаметрах трубопровода, элементарные струйки жидкости движутся параллельно, как бы скользя друг по другу, не перемешиваясь. Такое течение называют вязким или ламинарным. Распределение скоростей поперечному сочетанию трубопровода при ламинарном течении происходит по параболе, причем средняя скорость потока составляет 0,5 от максимальной

w_ср= 0,5 w _{max (}2.1)

 

При больших скоростях наблюдается поперечное перемешивание струек жидкости за счет образованных вихрей и движение частиц жидкости хаотическое, этот вид течения называется турбулентным. При таких скоростях характер течения различен поперечному сечению потока. У стенки течет тонкий ламинарный слой толщиной d. В центральной части потока находится сфера вихревого движения с радикальным перемешиванием. Ламинарный слой отделяется от вихревого так называемым буферным слоем. Распределение скоростей при этом режиме пологой кривой и средняя скорость потока составляет 0,8 - 0,9 от максимальной.

w_ср = (0,8 ¸ 0,9) w_{max (}2.2)

 

Характер движения жидкости (газа) зависит, как показали опыты, не только от скорости потока, но и от геометрических размеров потока, вязкости и плотности жидкости (газа). Влияние перечисленных физических параметров потока на характер движения определяется величиной безразмерного комплекса - критерия, названного в честь ученого, открывшего это явление, числом Рейнольдса:

 

 (2.3)

 

где: w - средняя скорость потока, м/с;

d_э - эквивалентный диаметр трубопровода, м;

r - плотность жидкости (газа), кг/ м³;

 - динамический коэффициент вязкости, Па. с;

n =  - кинематический коэффициент вязкости, м²/с.

Число Рейнольдса показывает соотношение сил инерции, характеризующихся скоростью потока и его размерами, и сил внутреннего трения, характеризующихся вязкостью потока. Отсюда следует, что турбулентное течение свойственно потокам, обладающим развитыми силами инерции, а ламинарное течение характерно для потоков, в которых силы внутреннего течения преобладает над силами инерции. Установлено, что для ламинарного режима численное значение числа Рейнольдса всегда меньше некоторого определенного "критического" значения, для прямых труб критическое значение Re_кр = 2300.

Необходимо отметить, что приведенное критическое значение является в известной степени условным, так как трудно обнаружить резкий переход от ламинарного режима к турбулентному. В действительности обычно наблюдается так называемая "переходная" область исчезновения ламинарного режима и установления турбулентного состояния потока. Численные значения числа Рейнольдса для потоков, проходящих по прямым трубам, характерны следующие значения числа Рейнольдса:

Ламинарное течение - Re < 2300

Переходная область - 2300 £ Re £ 10000

Развитое турбулентное течение - Re ³ 10000

Для потоков, проходящих по изогнутым трубам (змеевикам), критическое значение Re_кр выше, чем в прямых трубах, и зависит от отношения диаметра трубы dзмеевика к диаметруD витков змеевика (d / D) /1, стр.18/.

При движении жидкости через сечение любой формы, отличной от круглой, в качестве расчетного линейного размера принимают гидравлический радиус или эквивалентный диаметр.

Под гидравлическим радиусом r_г понимают отношение площади затопленного сечения потока к смоченному периметру:

 

 (2.4)

 

Для круглой трубы с внутренним диаметром d и, значит, площадью свободного сечения S = πd^2/4 при сплошном заполнении его жидкостью П = π d, откуда гидравлический радиус:

 

r_r =  (2.4 а)

 

Следовательно, для потоков некруглого сечения вместо диаметра можно применить эквивалентный диаметр:

 

d _э =  = 4 r_u = d (2.5)

 

Для круглой трубы: d_э = d_вн.

Для канала прямоугольного сечения со сторонами полностью заполненного жидкостью, гидравлический радиус:

 

r_г=  (2.6)

 

а эквивалентный диаметр:

 

d _э = 4 r_г = r_г =  (2.6а)

Описание установки

 

Схема установки приведена на рис 2.1 Воду из городского водопровода подают в бак 1 по трубе 3, регулируя подачу вентилем 4. Для предупреждения переполнения бака установлена переливная труба 5. Для слива воды из бака установлена воронка 6 на трубе (линия канализации).

Во время работы установки вода из бака 1 по питательной трубе 10 через вентиль 11 поступает в расходный бак 12. Излишек воды через трубу сливается в канализацию. Из расходного бака 12 вода по стеклянной трубе 14 поступает в буферный бак 15 и сливается из него через регулировочный вентиль 16 и ротаметр 12 в канализацию. Из бака с краской 18 через кран 19 по тонкой трубе 20 подкрашенная струйка воды поступает в стеклянную трубу 14.

По окончании работы для опорожнения баков 15 и 12 пользуется соответственно вентилями 21 и 22.

Для успешного проведения опытов весьма важными условиями являются стабилизация потока в стеклянной трубе 14 и согласование скоростей истечения краски со скоростью самого потока. В этих целях приняты следующие меры. Так как в городском водопроводе наблюдается временами колебания напора и пульсаций потока, то воду из водопровода подают сначала в запасный бак 1 достаточно большой вместимости. Затем вода поступает в расходный бак 12 по питательный трубе 10. Постоянный уровень воды в баке 12 поддерживается с помощью переливной трубы 13. Для согласования скорости истечения краски со скоростью воды в стеклянной трубе 14 бак с краской 18 закреплен на наружной высоте для создания необходимого напора при истечении краски. Расход краски регулируется краном 19.