Построение эпюр давления и определения сил гидрастатического давления

Название	Построение эпюр давления и определения сил гидрастатического давления
Дата	25.01.2022
Размер	0.62 Mb.
Формат файла
Имя файла	5fan_ru_Laboratornye_raboty.doc
Тип	Лабораторная работа #341810

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ «МОРДОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Н. П. ОГАРЁВА»
Институт механики и энергетики
Кафедра технического сервиса машин

Лабораторные работы
ПОСТРОЕНИЕ ЭПЮР ДАВЛЕНИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ СИЛ ГИДРАСТАТИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ

Автор работы: Мироновский В.В (подпись) (дата)

Обозначение работы: РГР – 02069964 – 35.03.06 – 17 – 21

Направление 35.03.06 - Агроинженерия

Руководитель работы

канд. техн. наук (подпись) (дата) Червяков .С.В

Саранск

2022

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

Изучение физических свойств жидкости.

^{Цель работы:} освоение техники измерения плотности, теплового расширения, вязкости и поверхностного натяжения жидкостей.

Схема устройства.

– термометр;
- ареометр;
– вискозиметр;
- капиллярный вискозиметр; 5 – сталагмометр.

Определение коэффициента теплового расширения жидкости.

Порядок выполнения работы:

Подсчитать общее число градусных делений _Т в шкале термометра измерить расстояние l между крайними штрихами шкалы.
Вычислить приращение объема термометрической жидкости W=r²l, где r- радиус капилляра термометра.
С учетом начального (при 0⁰С) объема термометрической жидкости W - значение коэффициента теплового расширения _Т= (W/W)/T и сравнить его со значением ^*_T. Значение используемых величин занести в таблицу.

Число делений 52
r=0,01 см. W =r ²l = 3,140,01²5 =15,710⁻⁴cм³
_Т= (W /W)/T = 0,573

Жидкость	кг/м³	_рМПа-1	_ЕС-1	10⁶м²/с	Н/м
Вода пресная	998	0,49	0,15	1,01	73
Спирт этиловый	790	,78	1,10	1,52	23
Масло:
Автол М-8В	900	0,60	0,64	300	25
Индустриальное 20	900	0,72	0,73	110	25
Трансформаторное	890850	0,60	0,70	30	25
АМГ-10		0,76	0,83	20	25

Жидкость в термометре – автол.

Вид жидкости	r ,см	W,см³	 T, ⁰С	L, см	 W, см³	Т , 0С-1	0 _ТС-1
Спирт	0,01	0,0274	27,4.10^-3	5	15,7*10^-4	0,573	0,64

Измерение плотности жидкости ареометром.

Порядок выполнения работы: 1) Измерить глубину погружения h ареометра по миллиметровой шкале на нем.

Вычислить плотность жидкости по формуле = 4m/(d²h) где т и d –масса и диаметр ареометра. Эта формула получена путем приравнивания силы тяжести ареометра G=mg и выталкивающей (архимедовой) силы PA=pgw , где объем погруженной части ареометра W= (_d²/4)h.
Сравнить опытные значения плотности р со справочным значением р* . Значение используемых величин свести в таблицу.

Вид жидкости	m, г	d, см	h ,см	,г/см³	,г/см³
Вода	5,5	1,1	6	0,9	0,998

Определение вескости вискозиметром Стокса.

Порядок выполнения работы:

1) Повернуть устройство №1 в вертикальной плоскости на 180⁰ и зафиксировать секундомером время t прохождения шариком расстояния l между двумя метками в приборе 3. Шарик должен падать по оси емкости без соприкосновения со стенками. Опыт выполнить 3 раза, а затем определить среднеарифметическое значение времени t. 2) Вычислить опытное значение кинематического коэффициента вязкости жидкости

= gd²t(_ш/−1)/(18l+ 43.2l(d/ D)) , где g - ускорение свободного падения; d, D - диаметры шарика и цилиндрической емкости; p, p_ш - плотности жидкости и материала шарика;

3)Сравнить опытным путем значение коэффициента вязкости _ с табличным значением _* . Значения используемых величин свести в таблицу.

Вид жидкости	, кг/м³	t,с	l,м	d,м	D,м	_ш, кг/м³	,м²/с	*м²/с
М-8В	900	17	0,07	0,008	0,02	982	300·10 ⁻⁶	300·10⁻⁶

Измерение вязкости капиллярным вискозиметром.

Порядок выполнения работы:

Перевернуть устройство №1 в вертикальной плоскости и определить секундомером время стечения через капилляр объема жидкости между метками из емкости вискозиметра 4 и температуру Т по термометру 1.
Вычислить значение кинематического коэффициента вязкости = Mt (М – постоянная прибора) и сравнить его с табличным значением. Данные свести в таблицу.

Вид жидкости	М,м2/с2	t,с	м²/с	T,⁰С	*м2/с
М-8В	366·10 ⁻⁸	125	457,5·10⁻⁶	27	300·10⁻⁶

Измерение поверхностного натяжения сталагмометром.

Порядок проведения работы:

Повернуть устройство №1 и подсчитать число капель, полученных в сталагмометре 5 из объема высотой S между двумя метками. Опыт повторить три раза и вычислить среднее арифметическое значение числа капель n.
Найти опытное значение коэффициента поверхностного натяжения  = К/n(К – постоянная сталагмометра) и сравнить его с табличным значением. Данные привести в таблицу.

Вид жидкости	К,м³/с	,кг/м³	n	,Н/м	 *H_/м
М-8В	6,1·10 ⁻³	900	190	0,028	0,025

βт=(0,00157/0,0274)/50=1,1·10⁻³ºс ρ=4·5,5/3,14·1,1²·6)=0,9 г/см³;

9,80,0082 17982 −1

ν group 30304

= 900  = 30010−6м²/с;

1,80,07 + 43,20,07^_^0,008^_ 0,02 

ν=3,66·10⁻⁸·125=457,5·10⁻⁶м²/с; σ=6,1·10⁻³·900/190=0,028 Н/м.

Вывод: Входе проведения лабораторной работы ознакомились с методами измерения температуры, плотности, вязкости, поверхностного натяжения. Сверившись со стандартными данными убедились в правильности методов измерения (расчёты по опытным данным совпали с табличными).

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2 Изучение приборов для измерения давления.

Цель работы: Изучение устройства и принципа действия жидкостных приборов для измерения давления.

1.Полость с атмосферным давлением;

2. опытный резервуар; 3-пьезометр; 4-уровнеметр; 5-мановакуметр; 6пьезоиетр; 7-вакуметр

Описание устройства №2 и жидкостных приборов. Ртутный барометр состоит из вертикальной стеклянной трубки с миллиметровой шкалой и закрытым верхним кольцом, которая заполнена ртутью, и чаши с ртутью, в которую опущена трубка нижним концом.

Для демонстрации других приборов служит устр. №2, которое выполнено прозрачным и имеет полость 1, в которой всегда сохраняется атмосферное давление, и резервуар 2, частично заполнен водой (рис. а). Для измерения давления и уровня жидкости в резервуаре 2 служат жидкостные приборы 3,4 и5 .Они представляют собой произвольные вертикальные каналы со шкалами, размеченными в единицах длины.

Однотрубный манометр 3 сообщается верхним концом с атмосферой, а нижний- с резервуаром 2. Им определяется манометрическое давление Рм=ρghм на дне резервуара.

Уровнемер 4 соединен обоими концами с резервуарами и служит для измерения уровня жидкости H в нём.

Мановакууметр представляет собой U- образный канал, частично заполненный жидкостью. Левым коленом он подключён к резервуару 2, а правым к полости 1 и предназначен для определения манометрического Р_мо=ρghм (рис. а) или вакуумметрического Рво=ρghв (рис. б)давлений над свободной поверхностью жидкости в резервуаре 2. Давление в резервуаре можно изменять путём наклона устройства.

При повороте устройства в его плоскости на 180º против часовой стрелки (рис. в) канал 4 остаётся уровнемером, колено мановакууметра 5 преобразуется в пьезометр 6, а пьезометр 3-в вакуумметр 7, служащий для определения вакуума Рво=ρghв над свободной поверхностью жидкости в резервуаре 2.

group 31621

превышения уровня жидкости в пьезометре 3 над уровнем в резервуаре и прямой перепад уровней в мановакуметре (рис. а).Для этого устройство поставить на правую сторону , затем поворотом его против часовой стрелки отлить часть жидкости из левого колена мановакууметра 5 в резервуар 2.

Снять показания пьезометра hп, уровнемера Н и мановакууметра hм.
Вычислить абсолютное давление на дне резервуара через показания пьезометра, а затем через величины, измеренные уровнемером и мановакууметром. Для оценки сопоставимости результатов определения давления на дне резервуара двумя путями найти относительную погрешность δр.
Над свободной поверхностью жидкости в резервуаре 2 создать вакуум (Ро<Ра), когда уровень жидкости в пьезометре 3 становится ниже . чем в резервуаре. А на вакуумметре 5 появляется обратный перепад Hв (рис. б). Для этого устройство поставить на левую сторону, а затем наклоном вправо отлить часть жидкости из резервуара 2 в левое колено мановакууметра 5. Дальше см. п.п.2 и3.
перевернуть устройство против часовой стрелки (рис. в) и определить манометрическое или вакуумметрическое давление в заданной точке С через показания пьезометра 6 , затем с целью проверки найти его через показания обратного пьезометра 7 и уровнемером 4.

№ п/п	Наименование величин	Обозначения, формулы		Условия опыта Р0  Р_А Р0  Р_А
1.	Пьезометрическая высота, м	hn		22,1	5,6
2,	Уровень жидкости в резервуаре, м	H		7,8	10,4
3,	Манометрическая высота, м	hm		14,6	----
4,	Вакуумметрическая высота, м	hB		-----	4,6
5,	Абсолютное давление на дне резервуара по показанию пьезометра, Па	p = p	a +gh_n	103520,2	101873,8
6,	Абсолютное давление в резервуаре над жидкостью, Па	p₀= p₀=	p_a+gh_m p_a−gh_b	102755,8 -------	----- 100874,2
7,	Абсолютное давление на дне резервуара через показания	p* = p₀+gH		103520,2	101,893,4
	мановакууметра и уровнемера, Па
8,	Относительная погрешность результатов определения давления на дне резервуара, %	p =100(p − p*)/ p		0	-0,01

Pa=101325 Па; PH₂o=1000 кг/м³ ; P=Pa+ρgh_п ;

P1=101325+1000·9.8·0.224=103520.2 Па;

P2=101325+1000·9.8·0.056=101873.8 Па;

Po=Pa+ρgh_п;

Po=101325+1000·9.8·0.106=102755.8 Па;

Po=Pa-ρghв;

Po=101325-1000·9.8·0.046=100874.2 Па;

P*=Po+ρgh;

P*=102755.8+1000·9.8·0.078=103520.2 Па; P*=100874.2+1000·9.8·0.104=1011893.4 Па; δp=100(103520.2-103520.2)/103520.2 Па;

δp=100(101873.8-101893.4)/101873.8=-0.01 %

Вывод: Научились определять давление путём измерения разности уровней сообщающихся сосудов и переводить показания приборов в абсолютные давления.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4

Изучение структуры потоков жидкости.

^{Цель работы:} Наблюдение потоков жидкости с различной структурой и выявление факторов, влияющих на структуру.

1,2-баки; 4,5-опытные каналы; 7-решётка;

3-перегордка; 6-щель; 8-уровневая шкала;

Порядок выполнения работы.

Создать в канале 4 ламинарный режим движения жидкости. Для этого при заполненном водой баке 1 поставить устройство баком 2 на стол. (Рис. а) Наблюдать структуру потока.
Повернуть устройство в вертикальной плоскости по часовой стрелке на 180º (рис. б). Наблюдать турбулентный режим течения в канале 5.
При заполнении водой баке 2 поставить устройство так, чтобы канал 5 занял нижнее горизонтальное положение(рис. в). Наблюдать в канале процесс перехода от турбулентного режима к ламинарному.
При заполнении водой баке 2 поставить устройство так, чтобы канал 4 занял нижнее горизонтальное положение (рис.г). Наблюдать за структурой потока в баке при внезапном сужении, внезапном расширении в канале за щелью и при выходе потока из канала в бак 1. Обратить внимание на вальцовые зоны, транзитную струю и связь скоростей с площадями сечений каналов.
При заполненном баке 1 наблюдать структуру течения при обтекании перегородки 3 (рис. д).
Сделать зарисовку структуры потоков.

Ламинарный режим	Турбулентный режим	Расширение потока	Обтекание стенки

^Вывод: : Наблюдали структуру потока ,выявили факторы влияющие на структуру потока, а именно скорость движения жидкости и ее вязкость. Выяснили что на структуру потока влияют следующие факторы: вязкость жидкости, скорость потока и характерный размер канала (в нашем случае диаметр), т.е. составляющие числа Рейнольдса.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5

Определение режима течения.

Цель работы: Освоение расчетного метода определения режима течения.

Порядок выполнения работы.

Создать в канале 4 течение жидкости при произвольном наклоне устройства №3 от себя.
Измерить время t перемещения уровня воды в баке на некоторое расстояние S и снять показания термометра T, находящегося в устройстве №1.
Подсчитать число Рейнольдса по порядку указанному в таблице.
Повернуть устройство в его плоскости на 180º и выполнить операции по н.п. 2,3.
Сравнить полученные значения чисел Рейнольдса между собой, и затем на основе сравнения с критическим значениями, сделать вывод о режиме течения.

№ п/п	Наименование величин	Обозначения, формулы	№ опыта
№ п/п	Наименование величин	Обозначения, формулы	1	2
1	Изменение уровня воды в баке, см	S	6	6,3
2	Время наблюдения за уровнем, с	t	17	7
3	Температура воды, ⁰С	T	24	24
4	Кинематический коэффициент вязкости воды, см²/с	=17,9/(100 + 34Т + 0,22Т ²)	0,0092	0,0092
5	Объем воды, поступающей в бак за время t, см³	W=ABS	504	529,2
6	Расход воды, см³/с	Q=W/t	29,6	75,6
7	Средняя скорость теченя в канале, см/сек	V=Q/	11,84	30,24
8	Число Рейнольдса	Re=Vd/	1801,7	4601,7
9	Название режима течения	Re(<,>)Re_k=2300	Ламин.	Турб.

А=21 см, В=4 см, d=1.4 cm; ω=2.5 cm². υ=17.9/(1000+34·24+0.22·24²)=0.0092 cm²/c; W1=21·4·6=504; W2=21·4·6.3=529.2 cm³;

Q1=504/17=29.6 cm³/c; Q2=529.2/7=75.6 cm³/c

V1=29.6/2.5=11.84 cm/c; V2=75.6/2.5=30.24 cm/c;

Re=11.84·1.4/0.0092=1801.7; Re=30.24·1.4/0.0092=4601.7

Вывод: Освоили расчетные методы определения режима течения жидкости. На основе полученных данных можно сделать вывод, что в первом случае т.к. Re=1807.7кр=2300

режим течения ламинарный, а во втором Re>Reкр=2300 режим течения турбулентный.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №6

Эксперементальное изучение уравнения Бернулли.

^{Цель работы:} Опытное подтверждение уравнения Бернулли, т.е. понижения механической энергии по течению и перехода потенциальной энергии в кинетическую и обратно (связи давления со скоростью).

Порядок выполнения работы.

При заполнении водой бак 2 перевернуть устройство для получения течения в канале переменного сечения 3.
Снять показания пьезометра Hп=P/(ρg) по нижним частям менисков воды в них.
Измерить время t перемещения уровня в баке на произвольно заданную величину S.
По размерам А и В поперечного сечения бака, S, и времени t определить расход воды в канале , а затем скоростные Hk и полные H напоры в сечениях канала по порядку, указанному в таблице.
Вычертить пьезометрическую линию и напорную линию.
Проанализировать изменение полной механической, потенциальной и кинетической энергии.

Обработка опытных данных.

№ п/п	Наименование Величин.	Обозначения, формулы	Сечения канала
№ п/п	Наименование Величин.	Обозначения, формулы	I	II	III	IV	V	VI
1.	Площадь сечения канала, см	ω	0.45	0.45	0.35	0.35	0.7	0.3
2.	Средняя скорость, см/с	V=Q/ω	54.4	54.4	70	70	35	81.6
3.	Пьезометрический напор, см	Hп=P/(ρg)	8	7.5	5	2.5	3	---
4.	Скоростной напор, см	V 2 Нк= 2g	1,5	1,5	2,4	2,4	0,62	3,39
5.	Полный напор, см	H =P/(g) +V ²(2g)	9,5	9	7,4	4,9	3,62	3,39

А=21 см, В=4см, S=7 см, t=24 с, Q=ABC/t=24.5см ³/с

V1=VII=Q/ω=24.5/0.45=54.4 cm/c

VIII=VIV=Q/ω=24.5/0.35=70 cm/c;

VV=24.5/0.7=35 cm/c;

VVI=24.5/0.3=81.6 cm/c;

Hk_I,II=V ²₂_g=54.4 ²/(2·9.81)=1.5 cm;

H group 35159

k_II,IV=V ²₂_g=70 ²/(2·9.81)=2.4 cm;

HV=35 ²/(2·9.81)=0.62 cm;

HVI=81.6 ²/(2·9.81)=3.39 cm;

Вывод: Следуя из уравнения Бернулли можно сделать вывод, что в случае отсутствия теплообмена потока с внешней средой полная удельная энергия постоянна вдоль потока, следовательно, изменения одного вида энергии приводит к изменению другого вида энергии, противоположного по знаку. У нас получилось, что при расширений потоков скорость U и кинетической энергий v/2q уменьшаются, что приводит в силу сохранения баланса вызывает увеличение потенциальной энергий Р (рq),т.е. понижение скорости потоков U по течению приводит к возрастанию давлению Р и наоборот. Наши измерения соответствуют уравнению Бернулли.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7

Определение местных потерь напора.

^{Цель работы:} Определение опытным путем потерь напора на преодоление местных сопротивлений и сравнение их с рассчитанными по инженерным формулам.

Порядок выполнения работы.

Перенести из таблицы л.р. №6 значения площадей сечений и скоростей.
Определить опытные значения местных потерь hm(hbc,hp) из графика.
Найти расчётное значения местных потерь, сравнить их с опытными.

№ пр	Наименование величин	Обозначение формул	Вид сопротивления
			сужение		расширение
			1 (II)	2(III)	1(IV)	2(V)
1.	Площади сечений, см²	ω	0.45	0.35	0.35	0.7
2	Средние скорости за сопротивлением, см	V2	54.4	70	70	35
3	Опытное значение местных потерь, см	hm(hbc,hp)	7,6		3,62
4.	Коэффициенты местных сопротивлений	 BC = 0.51−12     BP =22 −1	0,11 -----		------ 1
5,	Расчетное значение местных потерь, см	h_m=V₂²/(2g)	21,69		140

Вывод: Определили опытным путем потери напора на преодоление местных сопротивлений эти значения менее точны по сравнению с данными рассчитанными по инженерным формулам.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 8

Определение потерь напора по длине.

^{Цель работы:} Освоение экспериментального и расчетного способов определения потерь напора на трение по длине.

Порядок выполнения работы.

При заполненном водой баке поставить устройство на стол баком 2.
Снять показания пьезометров I-V , измерить время t изменения уровня в баке на произвольно заданную величину S и температуру T в помещении.
Построить по показаниям пьезометров пьезометрическую линию. На этой линии выделить участок с постоянным наклоном. Определить его длину e

и опытное значение потерь he по показаниям крайних пьезометров на ней.

Найти число Рейнольдса и расчётное значение потерь напора he* по порядку, и относительное расхождение опытного и расчётного значений потерь напора. D=0.5 см; w=0.25 cm^2; A=21 cm; B=4 cm; T=24 ⁰С ; S=7 cm; t=30 c; Q=ABS/t=19.6 см³/с; V=q/w=19.6/0.25=78.4 cm/c

Абсолютную шероховатость стенок канала принять равной Δ=0,001 мм.

№	Наименование величины	Обозначения, формулы	Значения
1.	Показания пьезометров, см	P1 (g)...P2 (g)	7;5.5;4;3.8;1.5
2.	Длина участка с равномерным движением, см	l	4
3.	Опытное значение потерь напора подлине, см	h_э= P₃/(g) − P₅(g)	2,5
4.	Кинематический коэффициент вязкости воды, см²/с	=17.9/(1000 + 34T + 0.22T ²)	0,0092
5.	Число Рейнольдса.	Re =Vd /	4260,87
6.	Коэффициент трения при Re<2300 2300 Re>10d/Δ	λ=64/Re 0.25 λ=0.316/Re λ=0.11(68/Re+/d)^0.25	0,015 0.04 0.04
7.	Расчетное значение потерь напора по длине, см	h*э = l V 2 d  2g	2,7
8.	Относительное расхождение.	_п= (h_э− h_э*)/h_э	0,08

h_э= P₃/(g) − P₅(g)=4/1000·9,8-1,5/1000·9,8=2,5

=17.9/(1000 + 34T + 0.22T ²)

=17,9/(1000+34*24+0,22*24^2)=0.0092 Re=Vd/v=78.4*0.5/0.0092=4260.87 λ=64/Re=64/4260.87=0.0150 λ=0.316/Re ^0,25=0.316/(4260.87) ^0,25=0.039

λ=0.11(68/Re+Δ/d) ^0,25=0.11(68/4260.87+0.001/0.5) ^0,25=0.04

hэ=0,04 4  78,42 = 2,7

0,5 29,8

σ_п=(2,5·2,7)/2,5=0,08

Вывод: В ходе лабораторной работы научились определять потери напора на трение по длине экспериментальным и расчетным способом.

Потери напора по длине вызваны тормозящим действием стенок, приводящим к вязкостному трению частиц и стружек жидкости друг о друга вдоль трубопровода.