Методические указания к лабораторным работам. Методические указания к лабораторным работам 2003 Министерство образования Российской Федерации
 Скачать 0.65 Mb.
|
|
Министерство образования Российской Федерации Казанский государственный технологический университет Газодинамика. Компрессорные и расширительные машины Методические указания к лабораторным работам 2003 Министерство образования Российской Федерации Казанский государственный технологический университет Газодинамика. Компрессорные и расширительные машины Методические указания к лабораторным работам Казань 2003 УДК 621.43.031.3: 533.6.011 Составители: доц. А.А. Никитин асс. С.В. Визгалов Газодинамика. Компрессорные и расширительные машины: Метод. указания к лаб. работами / Казан. гос. технол. ун-т; Сост.: А.А. Никитин, С.В. Визгалов. Казань, 2003. 44 с. Дано описание экспериментальных стендов и изложена методика выполнения лабораторных работ по дисциплинам «Газодинамика», «Холодильные турбомашины» и «Машины низкотемпературной техники». Предназначены для студентов специальностей 070200 – «Техника и физика низких температур» и 101700 – «Холодильная, криогенная техника и системы кондиционирования». Методические указания подготовлены на кафедре Холодильной техники и технологии. Печатаются по решению методической комиссии по циклу специальных дисциплин. Рецензенты: доц. А.В. Палладий доц. Д.И. Сагдеев Работа 1. ТАРИРОВАНИЕ ПНЕВМОМЕТРИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ В АЭРОДИНАМИЧЕСКОЙ ТРУБЕ Цель работы: ознакомление с принципом действия, устройством и методикой тарирования пневмометрических приборов в аэродинамических трубах. И  Рис. 1. Распределение давления по поверхности обтекаемого цилиндра (шара) змерение полного и статического давления в потоке основано на учете закономерностей обтекания тел различной формы. Например, при обтекании цилиндра (шара) дозвуковым потоком распределение давления на его поверхности имеет характер, представленный на рис. 1. Величина  есть коэффициент давления в произвольной точке поверхности цилиндра, о, ро и со - соответственно, плотность, статическое давление и скорость в натекающем потоке. В точке А, обращенной навстречу потоку, так называемой критической точке, в которой происходит полное торможение потока, коэффициент давления  = +1, так как давлен  Рис.2. Схема пневмометрических приборов: а - цилиндрический одноточечный зонд; б - цилиндрический трехточечный зонд ие в этой точке практически равно полному давлению р*о невозмущенного потока. В точках В1 и В2 давление на поверхности цилиндра равно статическому давлению в невозмущенном потоке, поэтому величина = 0. Следовательно, для измерения полного давления в потоке в точке А необходимо сделать отверстие, ось которого должна быть направлена параллельно потоку, и соединить его с помощью расположенного внутри прибора канала с дифманометром или манометром (рис.2а). Для измерения статического давления в потоке приемное отверстие необходимо выполнить в точке В1 или В2 (рис. 2б). Если сделать отверстия в точках А, В1 и В2, то с помощью такого прибора в плоском потоке можно одновременно определить полное, статическое давление, величину и направление скорости. В этом случае измерения выполняют следующим образом. Прибор вращают относительно оси цилиндра и добиваются равенства давлений в отверстиях В1 и В2. При равенстве давлений в этих отверстиях ось отверстия А будет направлена навстречу потоку и давление в нем будет равно полному давлению потока. Давления в отверстиях В1 и В2 будут равны статическому давлению. Разность давлений в отверстиях А и, например, В2 равна динамическому давлению, по величине которого вычисляют скорость потока.И  Рис. 3.Распределение давления по поверхности цилиндра, обтекаемого потоком вдоль его оси змерения полного и статического давлений в потоке производят также на основе учета закономерностей продольного обтекания цилиндра с полусферической головкой (рис. 3). Если направление потока совпадает с осью цилиндра, то приемное отверстие полного давления делают в точке А, а для статического давления - на некотором удалении от головки цилиндра (точка В), где начальные возмущения уже затухли и линии тока практически параллельны направлению натекающего потока. По разности давлений в точках А и В находят величину скорости потока (в этом случае пневмометрический прибор называют трубкой Прандтля). Наилучшие условия измерения статического давления потока имеют место при течении вдоль поверхности с параллельными образующими (рис.4а), где линии тока прямые. В  Рис. 4. Схемы обтекания плоской (а) и криволинейной (б) стенки Рис. 5. Дисковый зонд для измерения статического давления этом случае давление на стенке равно статическому давлению в потоке, т.е. рст = р. При обтекании поверхности с криволинейной образующей (рис.4б) давление в приемном отверстии будет равно местному давлению вблизи поверхности, но отличается от давления в точках, удаленных от нее. Для измерения статического давления в таких точках потока можно использовать установку вблизи них специальной поверхности, т.е. специального датчика. Например, в плоском потоке для измерения статического давления используются дисковые пневмометрические приборы (рис. 5). Приемные отверстия сверлятся в центре торцевой поверхности насадки, которая при измерениях должна быть ориентирована параллельно вектору скорости потока. Одним из основных недостатков всех рассмотренных выше пневмометрических приборов является их высокая чувствительность к изменению направления потока. Увеличение нечувствительности пневмометрических приборов к направлению потока можно обеспечить, например, применением специальных цилиндрических насадок. Увеличение нечувствительности в этом случае достигается тем, что перед приемным отверстием трубки полного давления (ТПД) линии тока становятся параллельными его оси, а в трубке статического давления (ТСД) – параллельными образующим внутренней поверхности насадки. На рис. 6 даны схемы ТПД и ТСД, имеющие соответственно угол нечувствительности примерно до  = 40° и 25°.В  Рис. 6. Трубка полного давления (а) и трубка статического давления (б) следствие неточности изготовления пневмометрических приборов и влияния их конструктивных элементов на характеристики потока показания приборов отличаются от действительных величин давления в потоке. В связи с этим необходимо их тарирование, т.е. экспериментальное определение поправок между действительным давлением в потоке и показанием прибора. При тарировании определяются также углы нечувствительности прибора к направлению потока при различных значениях коэффициента скорости потока = с /акр, где с – скорость потока, а акр, - критическая скорость потока. Результаты тарирования представляются, например, в виде зависимостей коэффициента от угла натекания потока (рис. 7), где = 2(рп – р)/(с2), рп- давление, измеренное прибором, р – истинное давление. Т  Рис. 7. Зависимость поправочного коэффициента для трубки полного давления от угла натекания потока  Рис. 8. Схема аэродинамической трубы 1 – аэродинамическая труба; 2 – штуцер отбора статического давления; 3 – тарируемый пневмометрический прибор; 4- координатник арирование аэродинамических приборов производят в аэродинамических трубах. Схема простейшей аэродинамической трубы дана на рис. 8. Воздух из окружающей среды засасывается компрессором. При входе в аэродинамическую трубу имеется коллектор, после которого воздух поступает в рабочую часть (поперечное сечение постоянное). Испытуемые приборы устанавливают в рабочей части трубы, где они обтекаются равномерным потоком, параметры которого (полное, статическое давление и др.) известны. В итоге определяют поправочные коэффициенты приборов. Описание экспериментальной установки Аэродинамическая труба имеет диаметр рабочей части 50 мм. Для обеспечения равномерного поля скоростей и давлений в рабочей части образующая коллектора аэродинамической трубы выполнена по лемнискате. Шероховатость поверхности трубы выбрана из условия отсутствия влияния шероховатости на характеристики потока, т.е. стенки трубы являются гидравлически гладкими. Поток воздуха через аэродинамическую трубу обеспечивается центробежным компрессором стенда статических продувок ЦТК-56. Скорость потока в трубе регулируется путем изменения частоты вращения ротора компрессора ЦТК-56 и дросселированием потока на линии нагнетания компрессора. Полное давление в рабочей зоне трубы практически равно барометрическому давлению, так как потери давления на входном участке незначительны. Статическое давление потока в аэродинамической трубе измеряется в четырех точках контрольного сечения. В качестве регистрирующих приборов применяются вертикальные U-образные дифманометры, заполнение дистиллированной водой. При тарировании ТПД измерение разности полного и барометрического давления производится с помощью микроманометра с наклонной или вертикальной трубкой. Температура воздуха перед входом в трубу измеряется ртутным термометром. В работе предусмотрено тарирование ТПД и ТСД, схемы, которых представлены на рис. 6. Аэродинамические приборы устанавливаются в аэродинамической трубе с помощью координатника, позволяющего зафиксировать приборы в необходимом положении. Порядок проведения эксперимента 1. Установить ТПД в аэродинамической трубе. Приемное отверстие датчика должно быть расположено на оси аэродинамической трубы и направлено навстречу потоку. 2. С помощью уровня установить горизонтальное положение координатника и нулевое показание на шкале отсчета углов поворота ТПД. 3.Полностью открыть задвижку на нагнетательном трубопроводе стенда ЦТК-56. 4. Подать воду в маслоохладитель стенда. 5. С помощью ручного маслонасоса поднять давление в маслосистеме стенда ЦТК-56 до 0,4…0,5 ати и поддерживать его на данном уровне до начала работы главного маслонасоса (после начала работы главного маслонасоса давление в системе повышается до 0,8…1,2 ати). 6. Произвести запуск центробежного компрессора и установить заданную частоту вращения его ротора. 7. Задвижкой на линии нагнетания компрессора установить необходимый режим работы аэродинамической трубы. 8. Произвести запись показаний дифманометра h, микроманометра hп и термометра t (рис.8) в протокол испытаний (табл.1). Т а б л и ц а 1
9. Устанавливая ось приемного отверстия ТПД под углами, указанными в табл.1, произвести запись показаний указанных в п.8 приборов при каждом значении угла установки. 10. Установить в аэродинамической трубе ТСД и провести ее испытание в соответствии с пунктами 8 и 9. Форма протокола испытаний в этом случае также соответствует табл.1. 11. Выключить установку. 12. Записать величину барометрического давления В (в мм рт. ст.) во время проведения эксперимента. Обработка результатов 1. Выполнить пересчет барометрического давления: В’ =133,332 В, Па. 2. Вычислить разность между барометрическим давлением и статическим давлением в контрольном сечении аэродинамической трубы (этот и последующие пункты расчета выполняются для каждого угла установки оси приемного отверстия): р = 9,81h, Па. 3. Определить газодинамическую функцию давления в контрольном сечении аэродинамической трубы:  ,где р - статическое давление и р* - полное давление в контрольном сечении аэродинамической трубы. 4. Вычислить коэффициент скорости потока в аэродинамической трубе:  ,где к = 1,4 - показатель адиабаты воздуха. 5. Найти полную температуру потока: Т* = 273 + t , К. 6. Рассчитать критическую скорость потока в аэродинамической трубе:  , м/с ,где R - 287 Дж/(кгК) - газовая постоянная для сухого воздуха. 7. Определить скорость потока в контрольном сечении аэродинамической трубы: с = кр , м/с . 8. Вычислить плотность воздуха в аэродинамической трубе по полным параметрам:  , кг/м3.9. Найти плотность воздуха в аэродинамической трубе по статическим параметрам:  , кг/м3.10. Рассчитать разность между барометрическим давлением и давлением в приемном отверстии аэродинамического прибора (ТПД, ТСД): рп = hп К 9,81, Па, где К - коэффициент, учитывающий плотность используемой в микроманометре жидкости и наклон его трубки (указывается на микроманометре). При использовании вертикального дифманометра, заполненного водой, К = 1. 11. Определить поправочный коэффициент для ТСД  и для ТПД  .Результаты вычислений целесообразно свести в протокол обработки экспериментальных данных (табл.2, заполняется отдельно для каждого прибора). Таблица 2
12. Построить графики зависимости * (или ) от угла натекания потока для ТПД (или ТСД). 13. Сделать анализ полученных результатов, оформить отчет по работе и сдать зачет преподавателю. При выполнении работы необходимо строго соблюдать правила техники безопасности при работе на стенде ЦТК - 56 и правила по электробезопасным методам работы. Требования к структуре и оформлению отчета по лабораторным работам Титульный лист отчета должен быть оформлен в соответствии с представленным на стенде кафедры образцом. Структура, содержание и оформление отчета должны отвечать требованиям СТП 2069635 – 23 – 88 [11]. В том числе отчет должен содержать следующие разделы:
Работа 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОТОКА В НЕПОДВИЖНОМ КРИВОЛИНЕЙНОМ КАНАЛЕ Цель работы: ознакомление с методами экспериментального исследования потока в неподвижных каналах; определение потерь механической энергии при движении потока в неподвижных каналах. На поток в криволинейном канале действует центробежная сила, направленная в противоположную от центра кривизны линий тока сторону. Вследствие этого давление у вогнутой стенки канала возрастает, а у выпуклой – падает. Скорость потока у вогнутой стенки, напротив, становится меньше, а у выпуклой - больше (рис. 9а). Последнее является следствием уменьшения продольного градиента давления у вогнутой стенки в первой половине поворота и увеличением его у выпуклой стенки канала.
Разность давлений и скоростей между вогнутой и выпуклой стенками увеличивается от входа примерно до середины поворота (сечение Ш), а к выходу из канала уменьшается и на достаточно большом расстоянии от поворота становится равной нулю. Вся область течения в криволинейном канале разбивается на четыре зоны, в двух из которых (зоны К1 и К2) характер потока конфузорный, а в двух других - диффузорный (Д1 и Д2). Чтобы получить примерное представление о размерах этих зон, проведем линию через точки а1; а2; а3; а4; а5, в которых местные скорости равны средним скоростям в рассматриваемых сечениях (рис. 9а). Вдоль этой линии скорость изменяется так, как она изменялась бы в канале с прямолинейной осью, имеющем одинаковый с криволинейным каналом закон изменения площади проходных сечений по своей длине, т.е. на течение вдоль линии а1 – а5 кривизна канала как бы не сказывается. В первом приближении линия а1 – а5 и сечение III могут быть приняты за условные границы указанных местных конфузорных и диффузорных зон в криволинейном канале. Диффузорные зоны Д1 и особенно Д2 являются зонами повышенных потерь механической энергии потока в криволинейном канале. При определенных условиях, например, при малых величинах радиусов выпуклой и вогнутой стенок, в зонах Д1 и Д2 возможно появление отрыва пограничного слоя, сопровождающееся возникновением обратных течений и интенсивным вихреобразованием в криволинейном канале (рис. 9б). При этом потери энергии потока в канале резко возрастают. Наличие в криволинейном канале разности давлений между вогнутой и выпуклой стенками обусловливает появление течений в плоскости, нормальной к потоку. Эти течения называются вторичными. Рассмотрим механизм возникновения вторичных течений. Центробежная сила р’, действующая на ядро потока, приводит к появлению разности давления на вогнутой и выпуклой стенках канала. При этом величина разности остается практически одинаковой по всей высоте канала. В то же время центробежные силы, действующие на пограничные слои верхней и нижней стенок канала р”, вследствие торможения потока в пограничном слое, меньше, чем действующие на него силы давления рр. В результате этого пограничные слои на верхней и нижней стенках криволинейного канала перетекают от вогнутой к выпуклой стенке. В свою очередь в ядре потока возникают компенсирующие течения направленные от выпуклой к вогнутой стенке. Таким образом, в канале образуются вторичные течения в виде парного вихря (рис.9в). Вторичные течения обусловливают движение частиц потока по винтовым траекториям. На рис. 9а показаны траектории движения частиц в пограничном слое на верхней и нижней стенках канала. Из этой схемы видно, что вторичные течения способствуют утонению пограничного слоя на вогнутой стенке канала и увеличивают толщину пограничного слоя на выпуклой стенке канала в зоне Д2 . Это приводит к росту потерь энергии в местной диффузорной зоне Д2. Сложный пространственный характер течения, наличие местных диффузорных зон и вторичных течений обусловливают более высокий уровень потерь механической энергии потока в криволинейных каналах по сравнению с каналами, в которых отсутствует поворот потока. Указанные потери энергии в криволинейном канале складываются из потерь на трение, потерь в местных диффузорных зонах и потерь, вызываемых вторичными течениями. Как показывают исследования, наибольшую долю от общих потерь составляют потери энергии в местной диффузорной зоне (Д2) на выходе из канала (особенно в случае отрыва пограничного слоя) и потери энергии, связанные с вторичными течениями. Теоретическое определение потерь энергии в криволинейных каналах затруднено из-за сложности учета влияния всех особенностей течения. Поэтому в настоящее время оценка потерь энергии в криволинейных каналах производится на основании опытных данных с использованием методов теории подобия. Чаще всего для количественной оценки потерь энергии в криволинейных каналах используют коэффициент потерь энергии, равный  ,где р* = р*вх – р*вых – разность полных давлений на входе и на выходе из канала; (с2) 2 - динамическое давление в наиболее узком сечении канала (если f1< f2, то выбирается динамическое давление потока на входе; при f1 >f2 – на выходе из канала); - плотность рабочего тела; f – площадь сечения. Использование для оценки экономичности каналов коэффициента потерь энергии удобно тем, что для геометрически подобных каналов при установившемся течении и соблюдении равенства других критериев подобия (чисел Рейнольдса, Маха и показателя адиабаты) величина , остается одинаковой. В области чисел Re >Reкр 2 105 и М < 0,5 – 0,6 коэффициент потерь энергии практически не зависит от чисел Rе и М. Экспериментальная установка Экспериментальная модель представляет собой плоский криволинейный канал квадратного поперечного сечения с углом изогнутости оси 90° (рис. 10а). Для возможности визуального исследования потока верхняя стенка модели выполнена из прозрачного материала.  Рис. 10. Схема исследуемого канала (а, б) и аэродинамических зондов (в) С помощью фланца модель криволинейного канала крепится к всасывающему патрубку вентилятора. Для предотвращения всасывания в вентилятор посторонних предметов в выходном сечении канала, установлена металлическая сетка. Визуальное исследование потока в канале производится с помощью шелковых нитей, закрепленных на конце металлического прутка. Ввод нитей в исследуемую зону потока осуществляется через входное отверстие криволинейного канала. В работе предусмотрено определение скоростей и полных давлений в точках 1-7 сечений I и II. Координаты точек даны на рис. 10б. Измерение полного давления производится с помощью трубки полного давления (ТПД) с протоком, а измерение статического давления – с помощью трубки статического давления (ТСД), см. рис. 10в. Для этих трубок характерна большая нечувствительность к направление потока: для ТПД нч 35°, а для ТСД нч 20°, что в значительной мере облегчает производство измерений, поскольку отпадает необходимость в их точной ориентации в потоке. Соединение аэродинамческих зондов (ТПД и ТСД) с регистрирующими приборами выполнено резиновыми шлангами. В качестве регистрирующих приборов применены вертикальные дифманометры, заполненные дистиллированной водой (см. рис. 10в, дифманометры h* и h). Порядок проведения эксперимента 1. Проверить герметичность соединения аэродинамических зондов с дифманометрами. 2. Включить вентилятор. 3. Выполнить визуальное исследование потока в зонах А, Б, В, Г, Д, Е и Ж (рис. 10а). 4. Установить зонды в первых точках сечений I и II (например, в сечении I – ТПД, в сечении II - ТСД). 5. Занести в протокол испытаний (табл.3) значения перепадов уровней в дифманометрах - h* и h в точках 1. Таблица 3
6. Последовательно перемещая зонды в точки 2…7 сечений I и II, измерить h* и h в указанных точках и занести в табл.3. 7. Переставить ТПД в сечение II, а ТСД в сечение I. 8. Произвести измерения, указанные в пунктах 5 и 6. 9. Занести в протокол значения температуры (°С) потока на входе в криволинейный канал и значение барометрического давления во время проведения эксперимента В (мм рт. ст.). 10. Выключить вентилятор. Обработка результатов 1. Учитывая небольшое различие в величинах статических давлений в точках 1-7 сечений I и II и барометрического давления, принимаем одинаковое значение плотности воздуха во всех исследованных точках:  , кг/м3,где R = 287 Дж/(кгК) - газовая постоянная для сухого воздуха; Т = (273 + t) - температура потока, К; В’ = В 133,332 Па. 2. Занести в протокол обработки результатов (табл.4) значения измеренных перепадов между полным и барометрическим давлением (для точек i=1…7):  Па.3. Вычислить действительное значение разности между статическим и барометрическим давлениями:  Па,где к - поправочный коэффициент ТСД, использованной в эксперименте. Для ТПД поправочный коэффициент равен единице. 4. Определить динамическое давление в точках сечений I и II:  Па,где  и  в Па.Та б л и ц а 4
5. Полагая поток несжимаемым (число Маха М<0,2), найти величину скорости во всех исследованных точках потока по формуле:  , м/с.6. Построить графики распределения скорости в сечениях I и II. 7. Найти среднее значение скорости в сечении I, применяя формулу трапеций для нахождения площади под эпюрой скорости:  Значения bi и b даны на рис. 10б. 8. Вычислить среднее значение динамического давления на входе в канал  Па .9. Принимая статическое давление на выпуклой стенке канала в сечениях I-I и II-II равным статическому давлению в точке 1 (рвыпр1), а на вогнутой - равным давлению в точке 7 (рвогн р7) и учитывая равенство полного и статического давлений на стенках канала, определить для этих сечений среднее значение разностей:    , Па.Полученные значения  и  являются приближенными. Для нахождения более точных значений необходимо произвести измерения в нескольких сечениях по высоте канала.10. Найти потери полного давления в канале:  ,Па.11. Вычислить коэффициент потерь энергии криволинейного канала:  .12. Сделать анализ полученных данных, оформить отчет по лабораторной работе и сдать зачет преподавателю. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
