Лабораторные работы гидромеханика. Методические указания. 2020 sunspire
 Скачать 5.64 Mb.
|
2020 2020 ©SUNSPIRE | www.sunspire.site 43 Виртуальная лабораторная работа из курса гидромеханики Экспериментальное изучение прямого гидравлического удара в напорном трубопроводе ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ Симуляционная модель лабораторной установки (рисунок 7.1) включает питающий резервуар (1), подача воды в который регулируется краном (2), а уровень воды поддерживается на постоянной отметке вовремя эксперимента. К резервуару присоединен горизонтальный стальной трубопровод (3). В конце трубопровода имеется пружинный манометр (4), с помощью которого измеряется давление в жидкости дои в момент закрытия клапанного затвора (5), позволяющего практически мгновенно перекрывать трубопровод. Скорость движения воды регулируется вентилем (6). Для измерения расхода воды служит мерный бак (7), снабженный водомерной трубкой со шкалой, и секундомер. Основные характеристики лабораторной установки представлены на схеме рисунок 7.2). Рисунок 7.1 – Внешний вид симуляционной лабораторной установки 2 3 7 4 5 6 2020 ©SUNSPIRE | www.sunspire.site 44 Рисунок 7.2 – Основные характеристики лабораторной установки ОПИСАНИЕ ФИЗИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА Гидравлическим ударом называется изменение (повышение или понижение) давления в напорном трубопроводе прирезком изменении скорости движения жидкости (например, в результате резкого закрытия или открытия затвора. Повышение давления при гидравлическом ударе может быть настолько большим, что способно привести к разрыву трубопровода. При быстром закрытии затвора сначала остановится не вся масса жидкости, заключенная в трубопроводе, а лишь часть ее, находящаяся непосредственно перед затвором. Это происходит благодаря инерции и упругим свойствам жидкости и материала трубы (остановившаяся масса жидкости несколько сжимается, труба расширяется, а давление в жидкости резко возрастает. Затем повышение давления весьма быстро распространяется по трубопроводу от затвора к резервуару. Скорость распространения повышения давления называют скоростью распространения ударной волны C. После того как во всем трубопроводе давление повысится, жидкость начнет выходить из зоны повышенного давления обратно в резервуар, давление в трубопроводе начнет понижаться. Затем в зону пониженного давления снова пойдет жидкость из резервуара, и давление снова повысится. Благодаря упругим свойствам жидкости и стенок трубопровода этот процесс довольно быстро затухает. Наиболее опасным является первое повышение давления. Ударная волна пройдет по всему трубопроводу (от затвора до резервуара) за время t=L/C (здесь L – длина трубопровода. Время одного цикла, включающего повышение и понижение давления, называется фазой удара С. Если время закрытия t close затвора меньше или равно фазе удара Т (t Т, удар называется прямым. Удар может возникнуть, например, при внезапном выключении насоса, подающего воду по нагнетательному трубопроводу в резервуар. Жидкость после выключения насоса по инерции некоторое время будет двигаться, ив трубопроводе возникнет пониженное давление. Затем начнется обратное движение жидкости из 20 м Модуль упр. воды E w =1.96·10 9 Па Модуль упр. трубы E st =1.96·10 11 Па Диаметр трубы d=50 мм Толщина стенки трубы s=5 мм 2020 ©SUNSPIRE | www.sunspire.site 45 резервуара в область пониженного давления в трубопроводе, и давление здесь повысится подобно тому, как это наблюдалось при прямом ударе. Из изложенного ясно, что параметры движения жидкости при гидравлическом ударе изменяются стечением времени. Следовательно, при гидравлическом ударе движение жидкости является неустановившимся. Для определения повышения давления р при прямом гидравлическом ударе используется формула C p , (1) где ρ – плотность жидкости С – скорость распространения ударной волны ʋ – средняя скорость движения жидкости в трубопроводе до закрытия затвора (при установившемся движении. Величину С вычисляют по формуле s E d E E C st w w 1 , (2) где Е и Е – модули упругости жидкости и материала трубопровода соответственно ρ – плотность жидкости d – внутренний диаметр трубопровода s – толщина стенки трубопровода. Величины модуля упругости жидкости и ее плотность определяют скорость распространения звука в жидкой среде С w snd E C , (3) С учетом (3): СВ воде скорость распространения звука C snd 1425 мс. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ Цели лабораторной работы Определить опытным путем величину повышения давления р exp при прямом гидравлическом ударе в напорном трубопроводе, сравнить ее с величиной р, вычисленной по формуле (1), и подсчитать относительное отклонение между ними. Порядок действий и обработка экспериментальных данных 1. Измерить по манометру давление в трубопроводе до удара (при закрытом регулировочном вентиле) и результаты измерения записать в табл. 1. 2. Открыв (не полностью) регулировочный вентиль, обеспечить пропуск по трубопроводу некоторого расхода воды. 2020 ©SUNSPIRE | www.sunspire.site 46 3. Измерить расход воды Q с помощью мерного бака и секундомера. При этом измеряемый объем воды должен быть не менее 50 литров. 4. Перекрыть клапанным затвором трубопровод и измерить по манометру величину максимального давления при ударе. 5. Записать в таблицу полученные при измерениях данные. 6. Сделать еще два аналогичных опыта при других расходах воды. 7. Обработать опытные данные согласно пунктам табл. 1. 8. Дать заключение по результатам работы. Таблица 1 – Результаты измерений и вычислений п/п Наименования измеряемых и вычисляемых величин Ед. изм. Результаты измерений и вычислений Опыт 1 Опыт 2 Опыт 3 1 Внутренний диаметр трубопроводам Толщина стенки трубопроводам Площадь поперечного сечения трубопроводам Объем воды в мерном баке W i м 5 Время наполнения объема t i с 6 Расход воды в трубопроводе Q i = W i /t мс 7 Средняя скорость движения воды в трубопроводе (до удара) ʋ i = Q i /S i мс 8 Скорость распространения ударной волны мс 9 Повышение давления при ударе p i = Па 10 Давление в трубопроводе до удара по манометру) р 1 Па 11 Наибольшее давление в трубопроводе при ударе (по манометру) р Па 12 Повышение давления при ударе (по опытам) р exp = р – р 1 Па 13 Относительное отклонение E p = (| Δp – p exp | / Δp) · 100 % 2020 ©SUNSPIRE | www.sunspire.site 47 Виртуальная лабораторная работа из курса гидромеханики Изучение фильтрации в песчаном грунте на установке Дарси» ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ Симуляционная модель лабораторной установки (рисунок 8.1) включает питающий резервуар (1), из которого вода поступает вертикальную колонну (2) квадратного сечения с внутренними размерами 10×10 см, заполненную пятью слоями песчаного грунта различной крупности. Толщина каждого слоя однородного грунта – 10 см. На границах слоев имеются штуцеры, к которым через резиновые шланги подсоединены стеклянные пьезометры (3) для измерения напоров. Подача воды в колонну регулируется вентилем (4). Для поддержания постоянного уровня воды над поверхностью грунта в установке (с целью обеспечения установившегося движения фильтрационного потока) имеется переливная трубка. Рисунок 8.1 – Внешний вид симуляционной лабораторной установки 1 4 5 6 7 2 2020 ©SUNSPIRE | www.sunspire.site 48 Изменение в опытах величины градиента напора J (а следовательно, и фильтрационного расхода Q) достигается изменением высотного положения сливного устройства (5), соединенного гофрированным резиновым шлангом с нижней частью колонны. Измерение фильтрационного расхода воды Q осуществляется мерным сосудом (6) с нанесенной на стенке шкалой (в см) и перекрывающим краном (7) в нижней части. Время t заполнения профильтрованной водой нужного объема W отмеряется секундомером. Температура воды τ, °C, измеряется термометром. ОПИСАНИЕ ФИЗИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА Под фильтрацией понимают движение воды в порах водонасыщенного грунта. Знание законов фильтрации необходимо при проектировании, строительстве и эксплуатации производственных, жилых и общественных зданий, гидротехнических сооружений, входящих в системы природопользования и инженерной экологии. В частности, знание закономерностей фильтрации необходимо для определения притока грунтовой воды к котлованам строящихся зданий, дренажными водозаборным устройствам, для расчетов осадки фундаментов и вычисления потерь воды через земляные плотины и дамбы. Движение грунтовых вод также, как и потоков в напорных трубопроводах и открытых каналах, может быть установившимся и неустановившимся, равномерными неравномерным, напорными безнапорным. Режим движения грунтовых вод может быть ламинарными турбулентным. В данной работе изучается установившаяся напорная фильтрация при ламинарном режиме, описываемая законом Дарси. Аналитическое выражение этого закона обычно записывают в двух видах J k (1) и J k S Q , (2) где ʋ – скорость фильтрации, те. адаптивная скорость S Q , (3) Q – действительный (фактический) фильтрационный расход S – площадь поверхностного сечения фильтрационного потока, складывающаяся из суммарной площади сечения пори частиц скелета грунта S grain , те коэффициент фильтрации – скалярная величина, обычно имеющая размерность см/с или м/сут и характеризующая водопроницаемость грунта J – градиент напора – отношение разности полных напоров H 1 – H 2 = h 1–2 в двух точках грунтового потока, лежащих на одной линии тока, к расстоянию между ними l 1–2 , измеряемому по этой линии, те Виртуальная лаборатория гидромеханики 2020 ©SUNSPIRE | www.sunspire.site 49 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 l h l H H J (5) Величину k определяют для каждого вида грунта опытным путем (при постоянной температуре фильтрующей жидкости. В справочной литературе величины коэффициента фильтрации грунтов обычно даются при температуре τ=10 °C. Для перехода от величины коэффициента k τ , полученной при температуре τ, отличной от 10 °C, к величине его при 10 °C ( k 10 ) применяется формула k k 10 , (6) где Δ τ – температурная поправка, °C, вычисляемая по эмпирической формуле 03 0 7 0 , (7) В случае фильтрации скоростным напором пренебрегают, поэтому полный напор считают равным гидростатическому, те) Закон Дарси показывает, что скорость фильтрации пропорциональна градиенту напора, или, другими словами, потери напора линейно зависят от скорости фильтрации. Заметим, что реальная скорость движения жидкости в порах грунта pore d S Q (9) Скорости ʋ d и ʋ связаны между собой отношением n d (10) где n – пористость грунта S S n pore (11) Выражение (10) получено в результате совместного решения зависимостей (3) и (9). На рисунке 8.2 представлена зависимость скорости фильтрации ʋ от градиента напора J, а на рисунке 8.3 – эпюра напоров. 2020 ©SUNSPIRE | www.sunspire.site 50 Рисунок 8.2 – Зависимость скорости фильтрации ʋ от градиента напора Рисунок 8.3 – Эпюра напоров ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ Цели лабораторной работы 1. Убедиться в справедливости закона Дарси путем построения в масштабе (поданным пяти опытов) графиков зависимости скорости фильтрации ʋ от градиента напора J для пяти видов песчаного грунта, отличающегося крупностью частиц рисунок 3). 2. Определить по графику ʋ=f(J) для одного вида песчаного грунта указанного преподавателем) среднюю величину коэффициента фильтрации k τ и указать ее на графике (рисунок 3). H=f(z) z, см 60 40 20 0 20 40 60 80 H=z+p/ρg, см Линия атмосферного давления 0 ʋ, см/с J ʋ=f(J 5-6 ) ʋ=f(J 4-5 ) ʋ=f(J 3-4 ) ʋ=f(J 2-3 ) ʋ=f(J 1-2 ) 4.0 3.0 2.0 1.0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 α tg k J 2020 ©SUNSPIRE | www.sunspire.site 51 3. Построить в масштабе поданным одного опыта, указанного преподавателем, эпюру напоров, те. график H=f(z) изменения напора H по пути фильтрации (рисунок Порядок действий и обработка экспериментальных данных 1. При наиболее высоком положении сливного устройства провести опыт №1: определить отметки уровней воды в пьезометрах, те. напоры H в точках 1…6 фильтрационного потока измерить превышения z этих точек над плоскостью сравнения измерить в мерном сосуде объем W воды, профильтровавшей через грунт, продолжительность наполнения объема и температуру воды τ °C. Полученные данные записать в табл. 1. 2. Опустить сливное устройство на 5…10 см и, выждав некоторое время, чтобы режим фильтрации установился, выполнить опыт №2, измерив и записав в табл. 1 те же величины, что ив опыте №1. 3. Всего необходимо сделать пять опытов, опуская сливное устройство в каждом последующем опыте на 5…10 см. 4. Поднять сливное устройство в наиболее высокое положение и перекрыть кран на трубке питающего бака. 5. Обработать опытные данные и результаты обработки представить в табл. 1 поз. 6–12). 6. Построить в масштабе поданным табл. 1 график ʋ=f(J) для всех пяти видов исследуемого грунта (рисунок 8.2) и эпюру напоров H=f(z) для одного из опытов, указанного преподавателем (рисунок 8.3). 7. Дать заключения по лабораторной работе. Таблица 1 – Результаты измерений и вычислений п/п Наименование и обозначение измеряемых величин Ед. изм. Численные значения Номера опытов 1 2 3 4 5 1 Напоры (отметки уровней воды в пьезометрах, подключенных в точках 1…6) H i = z i + p i / g см H 2 см см см см см 2 Объем профильтровавшей воды W см 3 Продолжительность фильтрации t c 4 Превышение точек 1…6 подключения пьезометров над плоскостью сравнения геометрические высоты) см см см см см см 5 Температура воды t C 6 Фильтрационный расход Q=W/t см 3 /с 7 Скорость фильтрации ʋ = Q/S см/с 8 Потери напора см 2020 ©SUNSPIRE | www.sunspire.site 52 h i – i+1 = H i – см см см см 9 Градиент напора J i– i+1 = h i – i+1 /l J 1-2 – J 2-3 – J 3-4 – J 4-5 – J 5-6 – 10 Коэффициент фильтрации 𝑘 t i−i+1 = 𝑣 𝐽 i−i+1 k t1-2 см/с k t2-3 см/с k t3-4 см/с k t4-5 см/с k t5-6 см/с 11 Температурная поправка = 0,7+0,03 t C – 12 Коэффициент фильтрации при температуре С 𝑘 10 i−i+1 = 𝑘 t i−i+1 𝜏 k 101-2 см/с k 102-3 см/с k 103-4 см/с k 104-5 см/с k 105-6 см/с Виртуальная лабораторная работа из курса гидромеханики Построение диаграммы Д. Бернулли на напорном трубопроводе переменного сечения по семи мерным сечениям трубопровода » ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ Симуляционная модель лабораторной установки (рисунок 9.1) включает питающий резервуар (1), в который подается вода по трубопроводу (2). Подача воды регулируется краном (3). Питающий резервуар снабжен переливной системой (4) для поддержания уровня воды на постоянной отметке, чтобы обеспечить в трубопроводе переменного сечения установившееся движение жидкости. Вода из питающего резервуара подается в трубопровод переменного сечения (5). К сечениям I‒I, II–II, III‒III, IV–IV, V–V, VI–VI, VII–VII трубопровода подключены пьезометры и скоростные трубки (для измерения величин g p z и g g p z 2 Изменение угла наклона трубопровода осуществляется с помощью специального устройства-транспортира, снабженного шкалой (7). Величина расхода воды в трубопроводе регулируется краном изменения расхода воды (8). Для измерения расхода воды имеются мерный бак (9), вода в который направляется переливным устройством, и секундомер. |