МУ по выполнению лабораторных работ по дисциплине Гидравлические и пневматические системы

Министерство образования и науки Самарской области

государственное бюджетное образовательное учреждение

среднего профессионального образования

ТОЛЬЯТТИНСКИЙ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫЙ КОЛЛЕДЖ

СБОРНИК МЕТОДИЧЕСКИХ УКАЗАНИЙ

ДЛЯ СТУДЕНТОВ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ

ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

ДИСЦИПЛИНА «ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ И ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ»

Профессиональный цикл

основной профессиональной образовательной программы

Специальность 151031 Монтаж и техническая эксплуатация промышленного оборудования (по отраслям)

ДЛЯ СТУДЕНТОВ ОЧНОЙ ФОРМЫ ОБУЧЕНИЯ

Тольятти, 2014г.

Составитель: Панык В.В.., преподаватель ГБОУ СПО ТМК

Методические указания для выполнения лабораторных работ являются частью основной профессиональной образовательной программы дисциплины «Гидравлические и пневматические системы», по специальности СПО 151031 «Монтаж и техническая эксплуатация промышленного оборудования (по отраслям)» в соответствии с требованиями ФГОС СПО третьего поколения.

Методические указания по выполнению лабораторных работ адресованы студентам очной формы обучения.

Методические указания включают в себя учебную цель, перечень образовательных результатов, заявленных во ФГОС СПО третьего поколения, задачи, обеспеченность занятия, краткие теоретические и учебно-методические материалы по теме, вопросы для закрепления теоретического материала, задания для лабораторной работы студентов и инструкцию по ее выполнению, методику анализа полученных результатов, порядок и образец отчета о проделанной работе.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

4

1 Изучение физических свойств жидкости

5

2 Измерение гидростатического давления

10

3 Определение режима течения

13

4 Иллюстрация уравнения Бернулли

16

5 Определение местных потерь напора

19

6 Определение потерь напора по длине

21

Приложения

23

Введение

УВАЖАЕМЫЙ СТУДЕНТ!

Методические указания по дисциплине «Техническая механика» для выполнения лабораторных работ созданы Вам в помощь для работы на занятиях, подготовки к лабораторным работам, правильного составления отчетов.

Приступая к выполнению лабораторной работы, Вы должны внимательно прочитать цель и задачи занятия, ознакомиться с требованиями к уровню Вашей подготовки в соответствии с федеральными государственными стандартами третьего поколения (ФГОС-3), краткими теоретическими и учебно-методическими материалами по теме лабораторной работы, ответить на вопросы для закрепления теоретического материала.

Все задания к лабораторной работе Вы должны выполнять в соответствии с инструкцией, анализировать полученные в ходе занятия результаты по приведенной методике.

Отчет о лабораторной работе Вы должны выполнить по приведенному алгоритму, опираясь на образец.

Наличие положительной оценки по лабораторным работам необходимо для получения зачета по дисциплине и допуска к экзамену, поэтому в случае отсутствия на уроке по любой причине или получения неудовлетворительной оценки за лабораторную Вы должны найти время для ее выполнения или пересдачи.

Внимание! Если в процессе подготовки к лабораторным работам или при решении задач у Вас возникают вопросы, разрешить которые самостоятельно не удается, необходимо обратиться к преподавателю для получения разъяснений или указаний в дни проведения дополнительных занятий.

Время проведения дополнительных занятий можно узнать у преподавателя или посмотреть на двери его кабинета.

Желаем Вам успехов!!!

Раздел 1 «Физические основы функционирования систем»

Тема 1.1 «Рабочие жидкости гидроприводов»

Лабораторная работа 1 «Изучение физических свойств жидкости»

Учебная цель:

-приобрести практические навыки по освоению техники измерения плотности, теплового расширения, вязкости и поверхностного натяжения жидкостей.

Образовательные результаты:

Студент должен

- производить расчёт основных параметров гидро - и пневмопривода;

- пользоваться нормативными документами, справочной литературой и другими информационными источниками при выборе и расчете основных видов гидравлического и пневматического оборудования.

Знать:

- физические основы функционирования гидравлических и пневматических систем

Задачи лабораторной работы:

1. Определить основные механические характеристики жидкости.

2. Оформить отчёт по лабораторной работе

Средства обучения:

1. Учебно-методическая литература:

- Брюханов О.Н. Основы гидравлики, теплотехники и аэродинамики. - М.: ИНФРА-М, 2007-254с. иллюстрации.

2. Технические средства обучения:

- компьютер с лицензионным программным обеспечением

3. Лабораторное оборудование и инструменты:

- портативная лаборатория «Капелька»

4. Лист формата А4.

5. Калькулятор инженерный.

6. Ручка, карандаш простой, линейка.

Краткие теоретические и учебно-методические материалы по теме лабораторной работы

Жидкостью называют малосжимаемое тело, изменяю­щее свою форму под действием весьма малых сил.

Плотность ρ - отношение массы жидкости к её объему, (кг/м) .

При изучении гидропривода пользуются таким понятием, как давление жидкости, которое характеризует интенсивность сил, действующих со стороны жидкости на поверхность сосуда.

При повышении давления плотность жидкости увеличивается, при повышении температуры уменьшается.

Сжимаемость - свойство жидкости уменьшать объем под действием давления.

Она оценивается коэффициентом сжимаемости, коэффициентом тепло­вого расширения.

Тепловое расширение - свойство жидкости изменять объ­ем при нагревании.- характеризуется коэффициентом тепло­вого расширения, равным относительному приращению объема ∆V с изменением температуры ∆T на один градус при постоянном давлении, ( К).

Вязкость - свойство жидкости сопротивляться относи­тельному скольжению ее слоев. Различают динамическую и кинематическую вязкость жидкости.

Динамической вязкостью жидкости μ называется величина равная отношению касательного напряжения между слоями жидкости к градиенту скорости их сдвига, (Па∙с)

Кинематическая вязкость жидкости ν называется величина равная отношению

динамической вязкости к её плотности при той же температуре, (м/с).

Таблица 1.1- Справочные значения для определения коэффициентов,, ν и

при температуре 20 ° С

Поверхностное натяжение - свойство жидкости обра­зовывать поверхностный слой взаимно притягивающихся молекул - характеризуется коэффициентом поверхностного натяжения σ, равным силе на единице длины контура сво­бодной поверхности, (Н/м).

Жидкость

ρ ∙10 ^-6 ,

кг/м³

β∙10 ^-3,

МПа¹

β∙10 ^-3, С

ν∙10 ^-,

м²/с

∙10 ^-3,

Н/м

Вода пресная

998

0,49

0,15

1,01

73

Спирт этиловый

790

0,78

1,10

1,52

23

Масло:

Моторное М-10

индустриальное 20 трансформаторное

АМГ- 10

900

900

890

850

0,60

0,72 0,60

0,76

0,64

0,73

0,70

0,83

800

110

30

20

25

25

25

25

Вопросы для закрепления теоретического материала к лабораторной работе

1. Сформулируйте определение жидкости и назовите её основные свойства?

2. Какие параметры жидкости определяют плотность и вязкость?

3. Какими приборами, и в каких единицах измеряется кинематическая вязкость жидкости?

Задания для лабораторной работы:

1. Определить коэффициент теплового расширения жидкости.

2. Измерить плотность жидкости ареометром.

3. Определить вязкость жидкости вискозиметром Стокса.

4. Измерить вязкость жидкости капиллярным вискозиметром.

5. Определить поверхностное натяжение сталагмометром.

6. Сравнить результаты со справочной таблицей 1.1.

7. Оформить отчёт по лабораторной работе

Инструкция по выполнению лабораторной работы

Устройство для изучения физических свойств жидкости содержит 5 приборов, выполненных в общем прозрачном кор­пусе, в соответствии с рисунком 1.1, на котором указаны параметры для обработки опытных данных. Приборы 3-5 начинают действовать при пе­ревертывании устройства. Термометр 1 показывает тем­пературу окружающей среды и, следовательно, температуру жидкостей во всех устройствах.

Термометр 1 имеет стеклянный баллон с капилляром, заполненные термометрической жидкостью, и шкалу. Прин­цип его действия основан на тепловом расширении жидко­стей. Варьирование температуры окружающей среды приво­дит к соответствующему изменению объема термометриче­ской жидкости и ее уровня в капилляре. Уровень указывает на шкале значение температуры.

Рисунок 1.1 - Устройство для изучения физических свойств жидкости

1 - термометр; 2 - ареометр; 3 - вискозиметр Стокса; 4 - капиллярный вискозиметр;

5- сталагмометр.

Ареометр 2 служит для определения плотности жидко­сти поплавковым методом. Он представляет собой пустоте­лый цилиндр с миллиметровой шкалой и грузом в нижней части. Благодаря грузу ареометр плавает в исследуемой жид­кости в вертикальном положении.

Вискозиметр Стокса 3 достаточно прост, содержит ци­линдрическую емкость, заполненную исследуемой жидко­стью, и шарик. Прибор позволяет определить вязкость жидко­сти по времени падения шарика в ней.

Капиллярный вискозиметр 4 включает емкость с капил­ляром. Вязкость определяется по времени истечения жидко­сти из емкости через капилляр.

Сталагмометр 5 служит для определения поверхност­ного натяжения жидкости методом отрыва капель и содержит емкость с капилляром, расширенным на конце для накопления жидкости в виде капли. Сила поверхностного натяжения в момент отрыва капли равна ее весу (силе тяжести) и поэтому определяется по плотности жидкости и числу капель, полу­ченному при опорожнении емкости с заданным объемом.

Порядок выполнения отчета по лабораторной работе

1. Определить коэффициент теплового расширения жидкости.

1. Ознакомиться с устройством для измерения теплового расширения жидкости.

2. Подсчитать общее число градусных делений ∆T в шкале термометра и измерить расстояние L между крайними штрихами шкалы.

3. Вычислить приращение объема термометрической жидкости по формуле: ∆V = rL (1.1)

где r- радиус капилляра термометра.

4. С учетом начального объема термометри­ческой жидкости (при 0°С) найти значение коэффициента теплового расширения по формуле:

β= (∆V/ V) / ∆T (1.2)

и сравнить его со справочным значением по таблице 1.1. Данные используемых величин за­нести в таблицу 1.2.

Таблица 1.2 Результаты опыта

Вид жидкости

r,

см

V..,

см³

∆T,

°С

L,

см

∆V,

см³

C

C

Спирт

0,01

2. Измерить плотность жидкости ареометром.

1. Измерить глубину погружения h ареометра по мил­лиметровой шкале на нем.

2.Вычислить плотность жидкости по формуле: ρ = 4 m / (π d² ·h) (1.3)

3. Сравнить опытное значение плотности ρ со справоч­ным значением ρпо таблице 1.1. Данные используемых ве­личин за­нести в таблицу 1.3

Таблица 1.3 Результаты опыта

Вид жидкости

m,

г

d,

см

h,

см

ρ,

г/см³

ρ,

г/см³

Вода

5,6

1,1

3. Определить вязкость жидкости вискозиметром Стокса

1.Повернуть устройство 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 по формуле: ν = g d² t (ρ / ρ -1) / (18 L + 43,2 L/ (d/D)), (1.4)

где g - ускорение свободного падения; d, D - диаметры шарика и цилиндрической емкости; ρ, ρш - плотности жидкости и материала шарика;

3.Сравнить опытным путем значение коэффициента вязкости со справочным значением вязкости * по таблице 1.1 . Данные используемых величин занести в таблицу 1.4.

Таблица 1.4- Результаты опыта

Вид жидкости

ρ ,

кг /м³

ţ ,

с

L,

м

d,

м

D,

м

ρш,

кг /м³

ν,

м² /с

ν,

м² /с

М-10

900

0,008

0,02

1118

4. Измерить вязкость жидкости капиллярным вискозиметром

1. Перевернуть устройство в соответствии с рисунком 1.1 в верти­кальной плоскости и определить секундомером время t исте­чения через капилляр объема жидкости между метками (высо­той S) из емкости вискозиметра 4 и температуру Т по термо­метру 1.

2. Вычислить значение кинематического коэффициента вязкости по формуле:

ν = M ∙ t (1.5)

(М - постоянная прибора) и сравнить его с табличным значением v по таблице 1.1. Данные занести в таблицу 1.5.

Таблица 1.5 - Результаты опыта

Вид жидкости

М,

м/с

ţ ,

с

ν,

м²/с

Т,

°С

ν,

м²/с

М-10

6,4∙10

5. Измерить поверхностного натяжения сталагмометром

1. Повернуть устройство 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.

2. Найти опытное значение коэффициента поверхностного натяжения по формуле: (1.6)

(К - постоянная сталагмометра) и сравнить его с табличным значением по таблице 1.1. Данные занести в таблицу 1.6.

Таблица 1.6 - Результаты опыта

Вид жидкости

К,

м³/с

ρ,

кг /м

n

σ,

Н/м

σ,

Н/м

М-10

6,11∙10

3 .Пример оформления лабораторной работы смотреть в Приложении А

Раздел 1 «Физические основы функционирования систем»

Тема 1.2 «Основы гидростатики»

Лабораторная работа 2 «Измерение гидростатического давления»

Учебная цель:

- приобрести практические навыки по измерению гидростатического давления жидкостными приборами.

Образовательные результаты:

Студент должен

уметь:

- производить расчёт основных параметров гидро - и пневмопривода

- пользоваться нормативными документами, справочной литературой и другими информационными источниками при выборе и расчете основных видов гидравлического и пневматического оборудования.

знать:

- физические основы функционирования гидравлических и пневматических систем;

Задачи лабораторной работы:

1. Научиться производить опытное исследование гидростатического давления.

2. Оформить отчёт по лабораторной работе

Средства обучения:

1. Учебно-методическая литература:

- Брюханов О.Н. Основы гидравлики, теплотехники и аэродинамики. - М.: ИНФРА-М, 2007-254с. иллюстрации.

2. Технические средства обучения:

- компьютер с лицензионным программным обеспечением

3. Лабораторное оборудование и инструменты:

- портативная лаборатория «Капелька»

4. Раздаточные материалы: устройство для измерения гидростатического давления (по количеству студентов)

5. Лист формата А4.

6. Калькулятор инженерный.

7. Ручка, карандаш простой, линейка.

Краткие теоретические и учебно-методические материалы по теме лабораторной работы

Гидростатическим давлением называют нормальное сжимающее напряжение в неподвижной жидкости, т. е. силу, действующую на единицу площади поверхности. За единицу измерения давления в международной системе принят паскаль Па = Н/м².

Различают абсолютное, атмосферное, манометрическое и вакуумметрическое давления.

Абсолютное (полное) давление р отчитывается от аб­солютного вакуума.

Атмосферное давление р_а создается си­лой тяжести воздуха атмосферы и принимается в обычных условиях равным 101325 Па или 760 мм рт. ст.

Избыток дав­ления над атмосферным называют манометрическим (избы­точным) давлением:

Недостаток до атмосферного давления называют вакуумметрическим давлением.

Приборы для измерения атмосферного давления назвали барометрами, манометрического - манометрами, вакуума - вакуумметрами. По принципу действия и типу рабочего эле­мента приборы подразделяются на жидкостные, механические и электрические.

Жидкостные приборы исторически стали применяться первыми. Их действие основано на принципе уравновешива­ния измеряемого давления р силой тяжести столба жидкости высотой h в приборе.

Вопросы для закрепления теоретического материала к лабораторной работе

1. По какому принципу основано действие жидкостных приборов?

2. Гидростатическим давлением называют?

3. Запишите формулу основного уравнения гидростатики.

Задания для лабораторной работы:

1. Ознакомиться с устройством для измерения гидростатического давления.

2. Измерить гидростатическое давление пьезометром.

3. Измерить гидростатическое давление мановакууметром

4. Измерить уровень жидкости в резервуаре уровнемером

5. Снять показания приборов и занести в таблицу.

Инструкция по выполнению лабораторной работы

Устройство для измерения гидростатического давления выполнено прозрачным и имеет полость 1, в ко­торой всегда сохраняется атмосферное давление, и резервуар 2, частично заполненный водой рисунок 2.1 (а). Для измерения давления и уровня жидкости в резервуаре 2 служат жидкост­ные приборы 3, 4 и 5. Они представляют собой прозрачные вертикальные каналы со шкалами, размеченными в единицах длины.

Однотрубный манометр (пьезометр) 3 сообщается верхним концом с атмосферой, а нижним - с резервуаром 2. Им определяется манометрическое давление на дне резервуара

Уровнемер 4 соединен обоими концами с резервуаром и служит для измерения уровня жидкости Н в нем.

Мановакуумметр 5 представляет собой U - образный канал, частично заполненный жидкостью. Левым коленом он подключен к резервуару 2, а правым - к полости 1 и предна­значен для определения манометрического давления над свободной поверхностью жидкости в резервуаре 2 рисунок 2.1(а) или вакуумметрического давления над свободной поверхностью жидкости в резервуаре 2 рисунок 2.1(б). Давление в резервуаре можно изменять путем накло­на устройства.

При повороте устройства в его плоскости на 180° против часовой стрелки рисунок 2.1(в) канал 4 остается уровнемером, колено мановакууметра 5 преобразуется в пьезометр 6, а пьезометр 3 - в вакумуметр (обратный пьезометр) 7, служа­щий для определения вакуума над свободной по­верхностью жидкости в резервуаре 2.

Рисунок 2.1- Устройство для измерения гидростатического давления

Порядок выполнения отчета по лабораторной работе

1. Ознакомится с устройством для измерения гидростатического давления.

2. В резервуаре 2 над жидкостью создать давление выше атмосферного (Ро>Ра), о чём свидетельствует превышения уровня жидкости в пьезометре 3 над уровнем в резервуаре и прямой перепад уровней в мановакуметре (рис. 2.1 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.

3. Снять показания пьезометра hп, уровнемера Н и мановакууметра hм. Данные значения занести в таблицу 2.1;

4.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.

5.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.2.1 б). Для этого устройство поставить на левую сторону, а затем наклоном вправо отлить часть жидкости из резервуара 2 в левое колено мановакууметра 5. Далее выполнить операции. п.п.2 и 3.

6.Перевернуть устройство против часовой стрелки (рис.2.1 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.

Примечание: Принять атмосферное давление р_а = 101325Па, плотность воды

ρ =1000 кг/м³

Таблица 2.1 - Результаты опыта

№

п/п

Наименование

величин

Обозначения,

формулы

Условия опыта

Pо > Ра

Ро < Ра

1

Пьезометрическая высота, м

hn

2

Уровень жидкости в резервуаре, м

H

3

Манометрическая высота, м

hм

________

4

Вакуумметрическая высота, м

hв

__________

5

Абсолютное давление на дне

резервуара по показанию

пьезометра, Па

Р = Рa+ρghn

________

6

Абсолютное давление в резервуаре над жидкостью, Па

Ро=Ра+ ρgh_M

Ро= Рa- ρghв

______

________

7

Абсолютное давление

на дне резервуара через показания мановакууметра и уровнемера, Па

Р*=Р_o+ρgH

8

Относительная погрешность

результатов определения

давления на дне резервуара, %

δр=100(Р-Р')/Р

7.Пример оформления лабораторной работы смотреть в Приложении Б

Раздел 1 «Физические основы функционирования систем»

Тема 1.3 «Основы гидродинамики»

Лабораторная работа 3 «Определение режима течения»

Учебная цель:

- освоение расчетного метода определения режима течения

Образовательные результаты:

Студент должен

уметь:

- производить расчёт основных параметров гидро - и пневмопривода

- пользоваться нормативными документами, справочной литературой и другими информационными источниками при выборе и расчете основных видов гидравлического и пневматического оборудования.

знать:

- физические основы функционирования гидравлических и пневматических систем;

Задачи лабораторной работы:

1. Наблюдать структуры потоков жидкости и выявить факторы влияющих на структуру

2. Оформить отчёт по лабораторной работе

Средства обучения:

1. Учебно-методическая литература:

- Брюханов О.Н. Основы гидравлики, теплотехники и аэродинамики. - М.: ИНФРА-М, 2007-254с. иллюстрации.

2. Технические средства обучения:

- компьютер с лицензионным программным обеспечением

3. Лабораторное оборудование и инструменты:

- портативная лаборатория «Капелька»

4. Лист формата А4.

5. Ручка, карандаш простой, линейка.

Краткие теоретические и учебно-методические материалы по теме лабораторной работы

Различают два основных режима течения жидкости: ла­минарный (слоистый) и турбулентный (вихревой). При лами­нарном режиме частицы жидкости движутся по параллельным траекториям без перемешивания, поэтому поток имеет слои­стую структуру, т.е. жидкость движется отдельными слоями. Турбулентное движение характеризуется пульсацией давле­ния и скоростей частиц, что вызывает интенсивное перемеши­вание жидкости в потоке, т.е. вихревое движение.

При резком изменении поперечного сечения или на­правления канала от его стенки отрывается транзитная струя, а у стенки жидкость начинает двигаться в обратном направлении, приводя к вращению жидкости между транзит­ной струей и стенкой. Эта область называется циркуляционной (вальцовой) зоной.

Для визуализации течений применяют меченые частицы (например, частицы алюминия) или окрашенные (например, чернилами или тушью) струйки, которые показывают траек­тории движения множества частиц жидкости. Они еще назы­ваются линиями тока, если течение установившееся. При ус­тановившемся (стационарном) течении осредненные значе­ния скорости и давления в каждой точке потока постоянны во времени. В этом случае расход, т.е. количество жидкости, проходящее через заданное сечение в единицу времени, также не изменяется во времени.

Критерием режима течения является число Рейнольдса. Re = υd/ν, (3.1)

В инженерной практике режим определяют путем срав­нения числа Рейнольдса Re с его критическим значением Re_K, соответствующим смене режимов движения жидкости. Для равномерных потоков жидкости в трубах (каналах) круглого сечения принимают Re _K = 2300. Режим считается ламинар­ным, если Re <Re_K, и турбулентным при Re Re_K

Из выражения (1) следует, что числа Рейнольдса малы и, следовательно, режим ламинарный, при низких скоростях течения в каналах незначительного поперечного сечения (в порах грунта, капиллярах) или при движении жидкостей с большой вязкостью (нефть, масло, битумы).

Турбулентный режим в природе и технике встречается чаще. Его закономерностям подчиняется движение воды в ре­ках, ручьях, каналах, системах водоснабжения и водоотведения, а также течение бензина, керосина и других маловязких жидкостей в трубах.

Вопросы для закрепления теоретического материала к лабораторной работе

1. Какое движение жидкости называют ламинарным?

2. Какое движение жидкости называют турбулентным?

3. Какое движение жидкости называют установившемся?

4. Какая область называется циркуляционной зоной?

Задания для лабораторной работы:

1. Создать ламинарный режим движения жидкости.

2. Создать турбулентный режим движения жидкости.

3. Создать процесс перехода от турбулентного режима движения к ламинарному.

4. Сделать зарисовку структуры потоков.

5. Подсчитать число Рейнольдса и сравнить с критическим значением

Инструкция по выполнению лабораторной работы

Устройство для наблюдения за потоком жидкости имеет прозрачный корпус рисунок 3.1а, баки 1 и 2 с успокоительной стенкой 3 для гашения возмущений в жидкости от падения струй и всплывания пузырей воз­духа. Баки между собой соединены каналами 4 и 5 с одинако­выми сечениями. Конец канала 4 снабжен перегородкой с ще­лью 6, а противоположный конец канала 5 - решеткой (пере­городкой со множеством отверстий) 7. Устройство заполнено водой, содержащей микроскопические частицы алюминия для визуализации течения. Уровень воды в баке 2 измеряется по шкале 8.

Устройство работает следующим образом. В положени­ях устройства рисунок 3.1а, б поступающая через левый канал в нижний бак вода вытесняет воздух в виде пузырей в верхний бак. Поэтому давления на входе в канал (на дне верхнего бака) и над жидкостью в нижнем баке уравниваются и истечение происходит под действием постоянного напора Н, создавае­мого столбом жидкости в левом канале. Так обеспечивается установившееся (с постоянным во времени расходом) движе­ние жидкости. Причем в канале 4 устанавливается ламинар­ный режим благодаря низким скоростям течения из-за боль­шого сопротивления щели 6. В свою очередь малое гидравли­ческое сопротивление решетки 7 обеспечивает получение турбулентного течения в канале 5 за счет больших скоростей рисунок 3.1б. Расход можно уменьшать наклоном устройства от себя.

В случаях, указанных на рисунок 3.1в, г, д в каналах 4 и 5 возникает неустановившееся (при переменном напоре и рас­ходе) движение жидкости за счет непосредственного соедине­ния воздушных полостей баков. Это позволяет проследить за изменением структуры потоков в процессе уменьшения их скорости до нуля.

Рисунок 3.1 - Устройство для наблюдения за потоком жидкости

1, 2- баки; 3 - перегородка; 4, 5 - опытные каналы; 6 - щель; 7 - решетка; 8 - уровнемерная шкала

Порядок выполнения отчета по лабораторной работе

1. Создать в канале 4 течение жидкости при произвольном наклоне устройства от себя. 2. Измерить время t перемещения уровня воды в баке на некоторое расстояние S и снять показания термометра T.

3. Подсчитать число Рейнольдса по порядку указанному в таблице 3.1.

4. Повернуть устройство в его плоскости на 180º и выполнить операции по п.п. 2,3.

5. Сравнить полученные значения чисел Рейнольдса между собой, и затем на основе сравнения с критическим значениями, сделать вывод о режиме течения.

6. Пример оформления лабораторной работы смотреть в Приложении В

Примечание: A =21см; В = 4см; d =1,4см; ω =2,5см²

Таблица 3.1 - Результаты опытов

№ п/п

Наименование величин

Обозначения, формулы

№ опыта

1

2

1

Изменение уровня воды в ба­ке, см

S

2

Время наблюдения за уров­нем, с

t

3

Температура воды, ° С

Т

4

Кинематический коэффициент вязкости воды, см² /с

ν = 17.9/(1000 + 34Т

+ 0.22 Т )

5

Объем воды, поступившей в бак за время t, см³

V = ABS

6

Расход воды, см³ /с

Q = V / t

7

Средняя скорость течения в канале, см/с

υ = Q / ω

8

Число Рейнольдса

Re = υ d / v

9

Название режима течения

Re (<, >) Re _K= 2300

Раздел 1 «Физические основы функционирования систем»

Тема 1.3 «Основы гидродинамики»

Лабораторная работа 4 «Иллюстрация уравнения Бернулли»

Учебная цель:

- приобрести умения анализировать произведенные расчеты

Образовательные результаты:

Студент должен

уметь:

- читать и составлять простые принципиальные схемы гидравлических и пневматических систем;

- производить расчёт основных параметров гидро - и пневмопривода

знать:

- физические основы функционирования гидравлических и пневматических систем;

- устройство и принцип действия гидравлических и пневматических устройств и аппаратов.

Задачи лабораторной работы:

1. Ознакомиться с устройством для понижения механической энергии по течению и перехода потенциальной энергии в кинетическую и обратно.

2. Оформить отчёт по лабораторной работе

Средства обучения:

1. Учебно-методическая литература:

- Брюханов О.Н. Основы гидравлики, теплотехники и аэродинамики. - М.: ИНФРА-М, 2007-254с. иллюстрации.

2. Технические средства обучения:

- компьютер с лицензионным программным обеспечением

3. Лабораторное оборудование и инструменты:

- портативная лаборатория «Капелька»

4. Лист формата А4.

5. Ручка, карандаш простой, линейка.

Краткие теоретические и учебно-методические материалы по теме лабораторной работы

Уравнение Д.Бернулли выражает закон сохранения энергии и для двух сечений потока реальной капельной жидкости в упрощённом виде записывается так:

P₁/(ρg) + υ/(2g) = P₂(ρg) + υ₂²/(2g) + h_ТР, (4.1)

где Р - давление; υ - средняя скорость потока в сечении; ρ - плотность жидкости; g - ускорение свободного падения; h_тр - суммарные потери напора на преодоление гидравлических сил трения между сечениями 1-1 и 2-2; индексы «1» и «2» указывают номер сечения, к которому относится величина.

Рисунок 4.1 Иллюстрация уравнения Бернулли

Слагаемые уравнения выражают энергии, приходящиеся на единицу веса (силы тяжести) жидкости, которые в гидравлике принято называть напорами:

Р/(ρg) = Н_п - пьезометрический напор (потенциальная энергия); (4.2)

υ/(2g) = Hк - скоростной напор (кинетическая энергия); (4.3)

Р/(ρg) + υ/(2g) = Н - полный напор (полная механическая энергия); (4.4)

hТР - потери напора (механической энергии за счет ее преобразования в те­пловую энергию). Такие энергии измеряются в единицах дли­ны, т.к. Дж/Н = Нм/Н = м.

Из уравнения следует, что в случае отсутствия теплообмена потока с внешней средой полная удельная энергия (включая тепловую) неизменна вдоль потока, и поэтому изменение одного вида энергии приводит к противоположному по знаку изменению другого. Таков энергетический смысл уравнения Бернулли. Например, при расширении потока скорость υ и, следовательно, кинетическая энергия υ /(2g) уменьшаются, что в силу сохранения баланса вызывает увеличение потенциальной энергии Р/(ρg). Другими словами, понижение скорости потока по течению приводит к возрастанию давления, и наоборот

.

В

опросы для закрепления теоретического материала к лабораторной работе

1. Каков энергетический смысл уравнения Бернулли?

2. Какой физический закон выражает уравнение Бернулли?

Задания для лабораторной работы:

1. Вычертить в масштабе канал с пьезометрами рисунок 4.1. Соединив уровни жидкости в пьезометрах и центром вы­ходного сечения VI, получить пьезометрическую линию 1, показывающую изменение потенциальной энергии (давления) вдоль потока. Для получения напорной линии 2 (линии полной механической энергии) отложить от оси канала полные напо­ры Н и соединить полученные точки.

2. Проанализировать изменение полной механической Н, потенциальной Р/(ρg) и кинетической υ /(2g) энергий жид­кости вдоль потока, выяснить соответствие этих изменений уравнению Бернулли.

Инструкция по выполнению лабораторной работы

Устройство 4 содержит баки 1 и 2, сообщаемые через опытные каналы переменного 3 и постоянного 4 сечений рисунок 4.2. Каналы соединены между собой равномерно располо­женными пьезометрами I-V, служащими для измерения пье­зометрических напоров в характерных сечениях. Устройство заполнено подкрашенной водой. В одном из баков предусмот­рена шкала 5 для измерения уровня воды. При перевертывании устройства благодаря постоянству напо­ра истечения Но во времени, обеспечивается установившееся движение воды в нижнем канале. Другой канал в это время пропускает воздух, вытесняемый жидкостью из нижнего бака в верхний.

Р

исунок 4.2 - Устройство для понижения механической энергии по течению и перехода потенциальной энергии в кинетическую и обратно

Порядок выполнения отчета по лабораторной работе

1. При заполненном водой баке 2 рисунок 4.2 перевернуть устройство для получения течения в канале переменного се­чения 3.

2. Снять показания пьезометров по нижним частям менисков воды в них.

3. Измерить время t перемещения уровня в баке на произвольно заданную величину S.

4. По размерам А и В поперечного сечения бака, пере­мещению уровня S и времени t определить расход Q воды в канале, а затем скоростные Нк и полные H напоры в сечениях канала по порядку, указанному в таблице 4.1.

Примечание: A = 21cм; В = 4cм; S = … см; t = …с; Q = =… cм/с.

Таблица 4.1 Результаты опытов

№

п/п

Наименование

величин

Обозначения,

формулы

Сечения канала

I

II

III

IV

V

VI

1

Площадь сечения канала, см

ω

2

Средняя скорость, см/с

υ = Q / ω

3

Пьезометриче­ский напор, см

H_n= P / (ρg)

4

Скоростной напор, см

Нк = υ /(2g )

5

Полный напор, см

H=P/(ρg)+ υ /(2g )

5. Пример оформления лабораторной работы смотреть в Приложении Г

Раздел 1 «Физические основы функционирования систем»

Тема 1.3 «Основы гидродинамики»

Лабораторная работа 5 «Определение местных потерь напора»

Учебная цель:

- приобрести практические навыки по определению опытным путем потерь напора на преодоление местных сопротивлений.

Образовательные результаты:

Студент должен

уметь:

-производить расчёт основных параметров гидро - и пневмопривода;

-пользоваться нормативными документами, справочной литературой и другими информационными источниками при выборе и расчете основных видов гидравлического и пневматического оборудования.

знать:

-физические основы функционирования гидравлических и пневматических систем;

-устройство и принцип действия гидравлических и пневматических устройств и аппаратов.

Задачи практической лабораторной работы:

1. Ознакомиться с видами гидравлических сопротивлений и потерями напор

2. Оформить отчёт по лабораторной работе

Средства обучения:

1. Учебно-методическая литература:

- Брюханов О.Н. Основы гидравлики, теплотехники и аэродинамики. - М.: ИНФРА-М, 2007-254с. иллюстрации.

Технические средства обучения:

- компьютер с лицензионным программным обеспечением

2. Лабораторное оборудование и инструменты:

- портативная лаборатория «Капелька»

3. Лист формата А4.

4. Калькулятор инженерный.

5. Ручка, карандаш простой, линейка.

Краткие теоретические и учебно-методические материалы по теме лабораторной работы

Местные потери напора (энергии) жидкости возникают на коротких участках трубопровода с препятствиями для по­тока, называемыми местными сопротивлениями (внезапное расширение и сужение труб, вентили, задвижки, клапаны, ко­лена). В таких местах образуются циркуляционные зоны, на вращение жидкости в которых затрачивается часть механиче­ской энергии потока, называемая местными потерями напора. Величина местных потерь напора экспериментально опреде­ляется разностью полных напоров жидкости до и после мест­ного сопротивления.

В инженерных расчетах для определения местных потерь напора, м используется формула: hм = ζ υ /(2g), (5)

Вопросы для закрепления теоретического материала к лабораторной работе

1. На какие виды делят гидравлические сопротивления, возникающие при движении жидкости?

2. Какие потери напора определяют формулой Вейсбаха?

Задания для лабораторной работы:

1. Найти расчетные значения местных потерь.

2. Сравнить их с опытными и объяснить расхождения.

Порядок выполнения отчета по лабораторной работе

1. Перенести из таблицы 4.1 значения площадей сечений и скоростей в таблицу 5.1;

2. Определить опытные значения местных потерь hм ( h_BC, hв_P,) из графика смотри рисунок 5.1

Примечание: ζ_ВС, ζ_ВР - коэффициенты для внезапных сужения и расширения

№

п/п

Наименования

величин

Обозначения,

формулы

Вид сопротивления

Сужение

Расширение

1(II)

2(III)

1(IV)

2(V)

1

2

3

4

5

6

7

1

Площади сечений, см

ω

2

Средние скорости за сопротивлением, см/с

υ₂

3

Опытные значения местных потерь, см

hм ( hв_C, hв_P)

4

Коэффициенты местных сопротивлений

ζ_ВС =0,5(1-ω₂/ ω₁)

ζ_ВР=(ω₂/ω₁-1)

_________

___________

5

Расчетные значения местных потерь, см

hм=ζυ₂ /(2g)

Таблица 5.1 Результаты опытов

3.Пример оформления лабораторной работы смотреть в Приложении Д

Раздел 1 «Физические основы функционирования систем»

Тема 1.3 «Основы гидродинамики»

Лабораторная работа 6 «Определение потерь напора по длине»

Учебная цель:

- Освоение экспериментального и расчетного способов определения потерь напора на трение по длине.

Образовательные результаты:

Студент должен

уметь:

-пользоваться нормативными документами, справочной литературой и другими информационными источниками при выборе и расчете основных видов гидравлического и пневматического оборудования.

-производить расчёт основных параметров гидро - и пневмопривода

знать:

-физические основы функционирования гидравлических и пневматических систем;

-устройство и принцип действия гидравлических и пневматических устройств и аппаратов.

Задачи лабораторной работы:

1. Ознакомиться с видами гидравлических сопротивлений и потерями напора

2. Оформить отчёт по лабораторной работе

Средства обучения:

1. Учебно-методическая литература:

- Брюханов О.Н. Основы гидравлики, теплотехники и аэродинамики. - М.: ИНФРА-М, 2007-254с. иллюстрации.

2. Технические средства обучения:

- компьютер с лицензионным программным обеспечением

3. Лабораторное оборудование и инструменты:

- портативная лаборатория «Капелька»

4. Лист формата А4.

5. Ручка, карандаш простой, линейка

Краткие теоретические и учебно-методические материалы по теме лабораторной работы

Потери напора по длине вызваны тормозящим действи­ем стенок, приводящим к вязкостному трению частиц и струек жидкости друг о друга вдоль трубопровода. Они определяют­ся по формуле:

h_d = λ (L/d) υ² / (2g), (6.1)

где λ- коэффициент гидравлического трения; L - длина; d- внутренний диаметр трубы (канала); υ- сред­няя скорость.

В опытах потери напора по длине определяются разностью показаний пьезометров, установленных на концах опытного участка канала, т.к. скоростной напор не изменяется по пути.

Вопросы для закрепления теоретического материала к лабораторной работе

1. Чем вызваны потери напора по длине?

2. Как определяются потери напора по длине опытным путём?

Задания для лабораторной работы:

1. Снять показания пьезометров I-V.

2. Построить по показаниям пьезометров пьезометрическую линию.

3. Найти число Рейнольдса и расчётное значение потерь напора.

4. Объяснить расхождения.

Порядок выполнения отчета по лабораторной работе

1. при заполненном водой баке 1 поставить устройство на стол баком 2 рисунок 6.1

2. снять показания пьезометров I-V, измерить время t изменения уровня в баке на произвольно заданную величину S и температуру Т в помещении;

3. построить по показаниям пьезометров пьезометри­ческую линию. На этой линии выделить участок с постоянным уклоном (обычно участок III-V), соответствующий рав­номерному течению. Определить его длину L и опытное зна­чение потерь h_д по показаниям крайних пьезометров на нем рисунок. 6.1;

4. найти число Рейнольдса и расчетное значение по­терь напора h*_д по порядку, указанному в таблице 6.1, и относительное расхождение опытного и расчетного значений потерь напора. Объяснить это расхождение.

Примечание: d = 0,5см; ω = 0,25 см²; A =21см; В = 4см; Т = … С; S = … см;

t = … с; Q = =… cм/с; υ ==… см/с; Абсолютную шероховатость стенок канала принять ∆= 0,001 мм.

Таблица 6.1 Результаты опытов

№

п/ п

Наименование величин

Обозначения, формулы

Значения величин

1

2

3

4

1

Показания пьезометров, см

P1/(ρg),…., P5 / (ρg)

2

Длина участка с равномерным движением,

см

L

3

Опытное значение потерь напора по длине,

см

hд = Р3 /(ρg) - P5/ (ρg)

4

Кинематический коэффициент вязкости

воды, см²/с

ν = 17,9/(1000+34T+0,22Т)

5

Число Рейнольдса

Re=υd/ν

6

Коэффициент трения

при Re < 2300

2300

Re > 10d/∆

λ = 64/Re

λ = 0,316/Re^0,25

λ = 0,.11(68/Re+∆/d)^0,25

7

Расчетное значение

потерь напора по длине, см

h*д = λ(L/d) υ/(2g)

8

Относительное расхождение опытного и расчетного значений потерь

δh = (hд - h*д) / hд

5. Пример оформления лабораторной работы смотреть в Приложении Е

22