Гидравлика инструкционные карты к практическим работам

ЛОБКО И.Н.

ПРАКТИЧЕСКИЕ И ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ ПО ГИДРАВЛИКЕ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

2018

ҚАЗАҚСТАН РЕСПУБЛИКАСЫНЫҢ БІЛІМ ЖӘНЕ ҒЫЛЫМ МИНИСТРЛІГІ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

«ПАВЛОДАР МҰНАЙГАЗ КОЛЛЕДЖІ» МЕКЕМЕСІ

УЧРЕЖДЕНИЕ «ПАВЛОДАРСКИЙ НЕФТЕГАЗОВЫЙ КОЛЛЕДЖ»

0802000 «МҰНАЙ-газ құбырлары мен МҰНАЙ-газ қоймаларын салу және пайдалану»,

0805000 «МҰНАЙ МЕН ГАЗДЫ ТАСЫМАЛДАУ ЖӘНЕ САҚТАУ»

МАМАНДЫҒЫНЫҢ ОҚУШЫЛАРЫНА АРНАЛҒАН

«ГИДРАВЛИКА» пәнінен

ТӘЖІРИБЕЛІК және ЗЕРТХАНАЛЫҚ ЖҰМЫСТАРДЫ орындау бойынша

ӘДІСТЕМЕЛІК нұсқаулАР

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К ВЫПОЛНЕНИЮ ПРАКТИЧЕСКИХ И ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ГИДРАВЛИКА»

ДЛЯ СТУДЕНТОВ СПЕЦИАЛЬНОСТЕЙ 0802000«СООРУЖЕНИЕ И ЭКСПЛУАТАЦИЯ ГАЗОНЕФТЕПРОВОДОВ И ГАЗОНЕФТЕХРАНИЛИЩ»,0805000«ТРАНСПОРТИРОВКА И ХРАНЕНИЕ НЕФТИ И ГАЗА»

Павлодар к.

г. Павлодар

ҚАЗАҚСТАН РЕСПУБЛИКАСЫНЫҢ БІЛІМ ЖӘНЕ ҒЫЛЫМ МИНИСТРЛІГІ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

«ПАВЛОДАР МҰНАЙГАЗ КОЛЛЕДЖІ» МЕКЕМЕСІ

УЧРЕЖДЕНИЕ «ПАВЛОДАРСКИЙ НЕФТЕГАЗОВЫЙ КОЛЛЕДЖ»

Келісіді Согласовано Әдіскер Методист ______________ Лобко И.Н. «__» ____________ 201_ ж./г.

Бекiтемiн Утверждаю ПМГК директоры Директор колледжа _________ Кайдарова С.К. «__» ____________201_ ж./г.

0802000 «МҰНАЙ-газ құбырлары мен МҰНАЙ-газ қоймаларын салу және пайдалану»,

0805000 «МҰНАЙ МЕН ГАЗДЫ ТАСЫМАЛДАУ ЖӘНЕ САҚТАУ»

МАМАНДЫҒЫНЫҢ ОҚУШЫЛАРЫНА АРНАЛҒАН

«ГИДРАВЛИКА» пәнінен

ТӘЖІРИБЕЛІК және ЗЕРТХАНАЛЫҚ ЖҰМЫСТАРДЫ орындау бойынша

ӘДІСТЕМЕЛІК нұсқаулАР

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К ВЫПОЛНЕНИЮ ПРАКТИЧЕСКИХ И ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ГИДРАВЛИКА»

ДЛЯ СТУДЕНТОВ СПЕЦИАЛЬНОСТЕЙ 0802000«СООРУЖЕНИЕ И ЭКСПЛУАТАЦИЯ ГАЗОНЕФТЕПРОВОДОВ И ГАЗОНЕФТЕХРАНИЛИЩ»,0805000«ТРАНСПОРТИРОВКА И ХРАНЕНИЕ НЕФТИ И ГАЗА»

Оқытушы құрастырды: И.Н. Лобко

Разработала преподаватель: Лобко И.Н.

Пәндiк(циклдiк) комиссиясындамақұлданды Одобрено предметной (цикловой) комиссией «____»_____________________ 201__ ж./г. Хаттама № / Протокол №_______ Комисия төрағасы / Председатель комиссии________________ Самойлова Н.А.

Содержание

Аннотация	5
Тема 1.2 Основные физические свойства жидкости. Инструкционная карта №1 к практической работе №1 на тему «Расчет физических свойств жидкости»	6
Тема 2.2 Давление жидкости на плоскую стенку, криволинейную поверхность. Инструкционная карта №2 к практической работе №2 на тему «Расчет сил давления на дно и стенки сосуда, решение задач с применением закона Архимеда»	10
Тема 3.2 Уравнение Бернулли для идеальной и реальной жидкости Инструкционная карта №3 к практической работе №3 на тему «Расчет гидравлических элементов потока. Применение уравнения Бернулли при решении задач»	14
Тема 4.1 Режимы движения жидкости. Инструкционная карта №4 к практической работе №4 на тему «Определение числа Рейнольдса, расчет потери напора в трубопроводах по длине»	18
Тема 5.2 Основные формулы для гидравлического расчета простых и сложных трубопроводов Инструкционная карта №5 к практической работе №5 на тему «Гидравлический расчет простых и сложных трубопроводов»	23
Тема 5.3 Гидравлический расчет стальных и чугунных труб. Инструкционная карта №6 к практической работе №6 на тему «Определить расход через трубопровод при условии, что трубы стальные или чугунные»	29
Тема 5.5 Гидравлический удар в трубах. Инструкционная карта №7 к практической работе №7 на тему «Расчет скорости распространения ударной волны»	33
Тема 6.1 Истечение жидкости из отверстий.Тема 6.2 Истечение жидкости из насадков. Инструкционная карта №8 к практической работе №8 на тему «Определение коэффициентов скорости и расхода при истечении жидкости из отверстия и насадков»	38
Тема 1.2 Основные физические свойства жидкости. Инструкционная карта №9 к лабораторной работе №1 на тему «Определение плотности и вязкости жидкости»	43
Тема 4.1 Режимы движения жидкости.Инструкционная карта №10 к лабораторной работе №2 на тему «Определение режимов движения жидкости»	48
Список использованной литературы	51

АННОТАЦИЯ

Методическое пособие по выполнению практических и лабораторных работ по дисциплине «Гидравлика» разработано в соответствии с учебной программой и государственными требованиями к минимуму содержания и уровню подготовки выпускников ТиПО и включает в себя 8 инструкционных карт для выполнения практических работ и 2 инструкционные карты для выполнения лабораторных работ. Каждая инструкционная карта содержит необходимый теоретический материал, расчетные формулы, задания, разбитые по вариантам, примеры решения задач, необходимые справочные таблицы и контрольные вопросы.

Методическое пособие позволит студентам самостоятельно выполнить обязательный объем практических и лабораторных работ по изучаемой дисциплине. Рекомендуется использовать данное методическое пособие с методическим пособием «Гидравлика, краткий курс лекций».

Отчет по практической работе оформляется на листах формата А4.

Структура отчета:

1. Фамилия, имя студента

2. Вариант (по списочному номеру в журнале), если работа содержит 15 вариантов, то 16 вариант по списку выполняет 1 вариант и т.д.

3. Тема работы

4. Цель работы

5. Литература

6. Задание

7. Решение

8. Ответ

9. Ответы на контрольные вопросы

10. Выводы по работе

ИНСТРУКЦИОННАЯ КАРТА №1

по дисциплине «Гидравлика»

Тема 1.2 «Основные физические свойства жидкости»

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №1

Тема: «Расчет физических свойств жидкости»

Цели:

1. Изучить основные физические свойства жидкости.

2. Приобрести практические навыки расчета физических свойств жидкости.

Литература: В.Г. Ерохин, М.Г. Маханько «Сборник задач по основам гидравлики и теплотехники», М.: «Энергия», 1979, стр. 24 - 33.

Оборудование и принадлежности: инструкционная карта, калькулятор, справочные таблицы.

1 Общие сведения

Плотность жидкостей. Плотностью жидкости ρ называется ее масса, заключенная в единице объема. Плотность можно определить по формуле (1.1):



где М - масса жидкости в объеме V.

Плотность воды при 4° С ρ_в⁴=1000 кг/м³ (102 кгс∙с²/м⁴).

Удельный объем жидкости  – это величина, обратная плотности  = 1/ , т.е. объём, занимаемый единицей массы, определяется по формуле (1.2):

В практических приложениях о массе жидкости судят по ее весу. Вес жидкости, приходящийся на единицу объема, называется удельным весом и определяется по формуле (1.3):

где G - вес жидкости в объеме V, Н.

Удельный вес воды при 4°С Н/м³ (1000 кгс/м^з).

Плотность и удельный вес связаны между собой соотношением (1.4):

, (1.4)

где g - ускорение свободного падения, 9,81 м/с².

Относительным удельным весом жидкости (или относительным весом) δ называется отношение удельного веса данной жидкости к удельному весу воды при 4°С. Относительный вес определяется по формуле (1.5):

(1.5)

В отличие от удельного, относительный удельный вес представляет собой безразмерную величину, численное значение которой не зависит от выбранной системы единиц измерения. Так, для пресной воды при 4°С имеем: .

Сжимаемость капельных жидкостей под действием давления характеризуется коэффициентом объемного сжатия β_w, который представляет собой относительное изменение объема жидкости на единицу изменения давления и определяется по формуле (1.6):

, (1.6)

где V - первоначальный объем жидкости, м³;

ΔV - изменение этого объема при увеличении давления на величину Δр, м³.

Коэффициент объемного сжатия в системе СИ имеет размерность Па^-1.Знак минус в формуле (1.6) oбусловлен тем, что положительному приращению давления р соответствует отрицательное приращение (т.е. уменьшение) объема Vжидкости.

Величина, обратная коэффициенту объемного сжатия, называется модулем упругости жидкости, который определяется по формуле (1.7):

(1.7)

Температурное расширение капельных жидкостей характеризуется коэффициентом температурного расширения β_t, выражающим относительное увеличение объема жидкости при увеличении температуры на 1 град, т. e. по формуле (1.8) можно определить:

, (1.8)

где V — первоначальный объем жидкости;

ΔV — изменение этого объема при повышении температуры на величину Δt.

Наиболее простыми свойствами обладает газ, разреженный настолько, что взаимодействие между его молекулами может не учитываться — так называемый совершенный (идеальный) газ.

Для совершенных газов справедливо уравнение Клапейрона, пoзволяющее определять плотность газа при известных давлении и температуре по формуле (1.9):

, (1.9)

где р — абсолютное давление, МПа;

R — удельная газовая постоянная, различная для разных газов, но не зависящая от температуры и давления [для воздуха R=287 Дж/ (кг∙К) ] ;

Т — абсолютная температура, К.

Поведение реальных газов в условиях, далеких от сжижения, лишь незначительно отличается от поведения совершенных газов, и для них в широких пределах можно пользоваться уравнениями состояния совершенных газов.

В технических расчетах плотность газа обычно приводят к нормальным физическим условиям (t=0°; р=101 325 Па) или к стандартным условиям (t=20° С; р= 101325 Па).

Плотность воздуха при R=287 Дж/ (кг∙К) в стандартных условиях по формуле (1.9) будет равна ρ₀=101325/287/(273+20)=1,2 кг/м³.

2 Задания для выполнения работы

По варианту, равному порядковому номеру в журнале, решите следующие задачи, оформив их по стандартной форме.

	На оценку «3»	На оценку «4»	На оценку «5»
Номера задач	1,2,3	1,2,3,4	1,2,3,4,5

1. Сосуд заполнен водой, занимающей объем V = (2+0,1× вариант) м³. На сколько уменьшится и чему будет равен этот объем при увеличении давления p на (200+ вариант) кгс/см². Коэффициент объемного изотермического сжатия воды принять равным 0,510^-9Па.

Для решения задачи необходимо p перевести в систему СИ. По приложению 1[1] 1кгс/см² = 98066,5 Па. V₁ =V + V.Формулу для определения V выводим из формулы (1.6) данного методического пособия.

1. Уровень мазута в вертикальном цилиндрическом резервуаре диаметромd =(2 +0,1×вариант) м за некоторое время понизился на h = (0,5 + 0,1×вариант) м. Определить количество m израсходованного мазута, если плотность его равна ρ = (900 + вариант) кг/м³.

Для решения задачи необходимо первоначально определить объем израсходованного мазута, который определяется как объём цилиндра диаметром d и высотой h: площадь основания F = πd²/4, умноженная на высоту V = πd²h / 4. Масса М определится из формулы (1.1) как произведение плотности ρ на объем V.

1. Определить удельный объем и удельный вес нефтепродукта, если известна его плотность ρ= (910+вариант), кг/м³, ускорение свободного падения принять равным 9,81 м/с².

Решать задачу с использованием формул (1.2),(1.4) данного методического пособия.

1. Стальной барабан подвергается гидравлическому испытанию под избыточным давлением р = (2,0 +0,1× вариант) МПа. Определить, какое количество воды дополнительно к первоначальному объему при атмосферном давлении необходимо подать насосом в барабан, если его геометрическая емкость равна V = (10 +0,1× вариант) м³. Деформацией барабана пренебречь, коэффициент объемного изотермического сжатия воды принять равным 0,5*10^-9 Па.

Решать задачу с использованием формулы (1.6) данного пособия.

1. По условиям гидравлического испытания водопровода диаметром d = (200 +0,1× вариант) мм и длиной l = (1000 + 10 вариант) м давление р должно быть поднято от атмосферного до р = (2+0,1× вариант) МПа. Определить объем воды, который потребуется дополнительно подать в водопровод. Деформацией труб пренебречь.

Решать задачу аналогично задаче 1-4, стр.6 [1].

1. Пример решения и оформления задачи

1. Сосуд заполнен водой, занимающей объем 2м³. На сколько уменьшится и чему будет равен этот объем при увеличении давления на 200 кгс/см².

Дано: V= 2 м3, Р= 200 кгс/см2 _____________ DV, V1 = ?

СИ 200×98066,5 Па (приложение 1)

Решение: Для решения задачи воспользуемся формулой для определения коэффициента объемного расширения (1.6): ; Для воды коэффициент объемного расширения примем 0,5×10-9 Па. Из формулы (1.6) определим значение DV: DV = bV×V×Dp = 0,5×10-9× 2× 200 × 98066,5 = 0,019 м3 Для определения величины объема V1 от первоначального объема V отнимем величину DV: V1 = V - DV = 2 – 0,019 = 1,981 м3 Ответ: DV = 0,019 м3, V1 =1,981 м3

1. Контрольные вопросы

1. Что называют плотностью жидкости?

2. Что называют удельным весом жидкости?

3. Что называют относительным удельным весом жидкости?

4. Каким соотношением связаны плотность и удельный вес?

5. Как определить коэффициент объемного сжатия?

6. Как определить коэффициент температурного расширения?

7. Какую величину называют модулем упругости?

8. Какие условия считают нормальными?

9. Какие условия считают стандартными?

10. Уравнение Клапейрона.

Вывод: В ходе выполнения практической работы изучили …., приобрели практические навыки ….

ИНСТРУКЦИОННАЯ КАРТА №2

по дисциплине «Гидравлика»

Тема 2.2 Давление жидкости на плоскую стенку, криволинейную поверхность

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №2

Тема: «Расчет сил давления на дно и стенки сосуда, решение задач с применением закона Архимеда»

Цели:

1. Изучить теоретические вопросы гидростатики.

2. Приобрести практические навыки расчета сил давления на дно и стенки сосуда, решения задач с применением закона Архимеда.

Литература: В.Г. Ерохин, М.Г. Маханько «Сборник задач по основам гидравлики и теплотехники», М.: «Энергия», 1979, стр. 8-10

Оборудование и принадлежности: инструкционная карта, калькулятор, справочные таблицы.

1. Общие сведения

Давление жидкости на глубине h определяется по формуле (2.1), которую называют формулой гидростатического давления:

p = ρgh, (2.1)

где ρ – плотность жидкости, кг/м³;

g – ускорение свободного падения, g = 9,81 м/с²;

h – глубина погружения, м.

Гидростатическое давление на любой глубине внутри жидкости не зависит от формы сосуда, в котором находится жидкость, и равно произведению плотности жидкости, ускорения свободного падения и глубины, на которой рассматривается давление (гидростатический парадокс).

Основное уравнение гидростатики представлено выражением (2.2), согласно которому полное давление в любой точке жидкости складывается из внешнего давления (обычно атмосферного) и давления столба жидкости:

p = p₀+γ·h = p₀ + ρgh, (2.2)

где h — глубина погружения рассматриваемой точки.

Величина ρgh= γ·h представляет вес столба жидкости высотой h с площадью основания, равной единице.

При расчетах на прочность различных гидромеханических сооружений возникает необходимость определения давления жидкости на дно и стенки этих сооружений. Полная сила, действующая на плоскую стенку, определяется по формуле (2.3) и равна произведению величины смоченной площади стенки на гидростатическое давление в её центре тяжести:

Р = (p₀ + ρgh)·F_см , (2.3)

где F_см – смоченная площадь стенки, м².

В открытом сосуде при p₀ = 0 полная сила давления определится по формуле (2.4):

Р = ρgh_цт·F_см, (2.4)

где h_цт – глубина погружения центра тяжести, м;

Частным случаем криволинейной стенки являются стенки цилиндрических резервуаров, котлов, труб и др.Полная сила давления, действующая на цилиндрическую поверхность, определяется по формуле (2.5):

, (2.5)

где P_x– горизонтальная составляющая, равная силе давления жидкости на вертикальную проекцию цилиндрической поверхности, Н (определяется по формуле (2.6));

Р_у – вертикальная составляющая силы давления, равная силе тяжести, действующей в объёме тела давления V, Н (определяется по формуле (2.7)).

P_x = ρgh_цт·F_верт (2.6)

Р_у = ρgV (2.7)

Для цилиндрического резервуара с вертикальной осью полная сила давления на боковую поверхность равна P_x.

Абсолютным давлением p_абсназывается давление, отсчитываемое от полного вакуума. Одним из видов абсолютного давления является атмосферное давлениеp_ат., которое также называется барометрическим. Нормальное атмосферное давление равно 98,1 кПа.

Относительным давлением называют давление по отношению к другим видам давления (чаще всего к атмосферному p_ат). Относительное давление может быть больше или меньше атмосферного.

Давление больше атмосферного называется избыточным (p_изб)или манометрическим давлением (p_ман) и определяется соотношением (2.8):

p_изб= p_ман= p_абс - p_ат (при p_абсp_ат) (2.8)

Давление меньше атмосферного называют разрежением или вакуумметрическим давлением (p_вак). За величину вакуума принимают недостаток давления до атмосферного и определяют по формуле (2.9):

p_вак= p_ат - p_абс (при p_абсp_ат), (2.9)

За единицу давления в системе СИ принят паскаль: 1 Па = 1 Н/м²; укрупненными единицами являются: килопаскаль 1 кПа = 1000 Па и мегапаскаль 1 МПА = 1000 кПа = 1000000 Па.

В технике продолжают применять и внесистемные единицы – техническую атмосферу и бар: 1 ат = 1 кгс/см² = 98,1·10³ Па = 98,1 кПа;

1бар = 1,02 ат  =  100·10³ Па = 100 кПа.

На любое тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила, равная силе тяжести жидкости, вытесненной этим телом (закон Архимеда), которая определяется по формуле (2.10):

Р = ρgV, (2.10)

где Р – выталкивающая (архимедова) сила, Н;

V – объем погруженной части тела, м³.

Произведение ρV называют водоизмещением.

2 Задания для выполнения работы

По варианту, равному порядковому номеру в журнале, решите следующие задачи, оформив их по стандартной форме.

	На оценку «3»	На оценку «4»	На оценку «5»
Номера задач	1,2,3	1,2,3,4	1,2,3,4,5

1. Вертикальный цилиндрический резервуар ёмкостью V = (314 + вариант) м³ и высотой h = (4 + 0,1  вариант) м заполнен керосином. Определите силу давления керосина на боковую стенку и дно резервуара. Плотность керосина принять равной ρ = (800 + вариант) кг/м³.

Задача решается по формулам (2.6) и (2.7) для определения давления жидкости на дно и стенки цилиндрического сосуда. Для определения диаметра днища используется формула определения объёма цилиндра.

1. Определите глубину прокладки трубопровода в водоеме (плотность воды принять равной ρ = 1000 кг/м³), если на его стенки действует давлениер = (200 + вариант) кПа. Атмосферное давление принять равным 1 ат = 98,1·10³ Па.

Задача решается по формуле (2.2), из которой следует вывести формулу для определения h. Предварительно единицы измерения переводятся в систему СИ.

1. Определите плотность нефтепродукта, налитого в вертикальную цилиндрическую емкость, если давление нефтепродукта на дно составляет (8 + 0,1 вариант) кПа, а высота емкости h = (1 + 0,1  вариант) м.

Задача решается по формуле (2.1), из которой следует вывести формулу для определения ρ.

1. Определите глубину погружения сферического батискафа диаметром 6 метров, если на его иллюминатор площадью (0,12 + 0,01 вариант) м² давит вода с силой (20 + вариант) КН. Каково водоизмещение батискафа? Плотность воды принять равной 1000 кг/м³.

Задача решается по формуле (2.1), из которой следует вывести формулу для определения h. Предварительно единицы измерения переводятся в систему СИ. Давление определяется как сила, делённая на площадь.

1. Вычислите давление и силу давления керосина на дно бака площадью (0,5 + 0,01 вариант) м², если высота столба керосина в баке (40 + вариант) см. Плотность керосина примите равной ρ = (800 +вариант) кг/м³.

Давление определяется по формуле (2.1), сила давления определяется как произведение давления на площадь. Единицы измерения переводятся в систему СИ.

1. Пример решения и оформления задач

1. Вертикальный цилиндрический резервуар ёмкостью V = 314 м³ и высотой h = 4 метра заполнен керосином. Определите силу давления керосина на боковую стенку и дно резервуара. Плотность керосина принять равной ρ = 800 кг/м³.

Дано: V = 314м3 h = 4 м ρ = 800 кг/м3 ________ Р = ?

Решение: Объём цилиндрического резервуара равен V = π·D2h/4. Отсюда определим диаметр резервуарапо формуле: = 10 м Ускорение свободного падения принимаем g = 9,81 м/с2. Силу давления на боковую стенку определим по формуле: Pст =Px = ρghцт·Fверт =ρ·g·(h/2)·D·h = 800·9,81·(4/2)·10·4 = 627840 Н = 0,6278 МН Силу давления на дно резервуара определим по формуле: Рдно = Ру = ρgV = ρ·g·Fдн· h = ρ·g·Fдн· h = ρ·g·( π·D2/4)· h = 800·9,81·(3,14·102/4)·4 = 2464272 Н = 2,46 МН Ответ:Pст =0,6278 МН, Рдно= 2,46 МН

1. Определите глубину погружения сферического батискафа диаметром 6 метров, если на его иллюминатор площадью 0,12 м² давит вода с силой 20КН. Каково водоизмещение батискафа? Плотность воды принять равной 1000 кг/м³.

Дано: S = 0,12 м2 Р = 20 КН D = 6 м ________ h = ?

СИ 20 000 Н

Решение: Ускорение свободного падения принимаем g = 9,81 м/с2. Для определения давления воды воспользуемся формулой р = Р/ S р = Р : S = 20 000 : 0,12 = 166 666,667 Па Для определения глубины погружения преобразуем формулу (1.1): p = ρgh , откуда h = р/ ρg = 166 666,667/ 1000 *9,81 = 16,99 м ≈ 17 м Водоизмещение – это произведение ρV, для сферического сосуда оно будет равным: Ответ:h = 17 м, В = 113 кг

1. Контрольные вопросы

1. Формула гидростатического давления.

2. Основное уравнение гидростатики.

3. Чему равна полная сила давления на цилиндрическую поверхность?

4. Какое давление называют абсолютным давлением?

5. Какое давление называют относительным давлением?

6. Какое давление называют манометрическим давлением?

7. Какое давление называют вакуумметрическим давлением?

8. Сколько Па содержится в1 кгс/см²?

9. Закон Архимеда.

10. Что называют водоизмещением?

Вывод: В ходе выполнения практической работы изучили …., приобрели практические навыки ….

ИНСТРУКЦИОННАЯ КАРТА №3

ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ГИДРАВЛИКА»

Тема 3.2 Уравнение Бернулли для идеальной и реальной жидкости

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №3

Тема «Расчет гидравлических элементов потока. Применение уравнения Бернулли при решении задач»

Цель: Приобретение практических навыков решения задач на определение гидравлических элементов потока, применения уравнения Бернулли при решении задач.

Литература: В.Г. Ерохин, М.Г. Маханько «Сборник задач по основам гидравлики и теплотехники», М.: «Энергия», 1979, стр. 18-26.

Оборудование и принадлежности: инструкционная карта, калькулятор, справочные таблицы.

1. Общие сведения

Поток жидкости имеет следующие основные характеристики: гидравлический радиус потока (трубы), массовый и объёмный расход, объёмную или массовую скорость потока.

Гидравлический радиус – это отношение площади живого сечения потока к смоченному периметру живого сеченияи определяется по формуле (3.1):

, м (3.1)

Расход жидкости – это количество жидкости, протекающей в единицу времени через живое сечение потока. Различают объёмный V_t(м³/с) и массовыйm_t (кг/с) расход.

Объёмная скорость потока – это объёмный расход вещества через единицу площади живого сечения.Массовая скорость потока – это массовый расход вещества через единицу площади живого сечения. Они определяются по формулам (3.2) и (3.3) соответственно:

(3.2)

(3.3)

При установившемся движении через любое поперечное сечение потока в единицу времени проходит одно и то же количество жидкости (уравнение неразрывности потока).

Уравнение неразрывности можно записать в виде формулы (3.4):

v₁F₁ = v₂F₂ = Const (3.4)

Закон (уравнение) Бернулли является следствием закона сохранения энергии для стационарного потока идеальной (то есть без внутреннего трения) несжимаемой жидкости и математически как полное давление может быть записан в виде выражения (3.5):

, (3.5)

где ρ - плотность жидкости,кг/м³;

v - скорость потока, м/с;

h - высота, на которой находится рассматриваемый элемент жидкости, м;

p - давление в точке пространства, где расположен центр массы рассматриваемого элемента жидкости, Па;

g - ускорение свободного падения, 9,81 м/с².

Полное давление состоит из весового ρgh, статического p и динамического давлений.

Размерность всех слагаемых — единица энергии, приходящаяся на единицу объёма жидкости. Первое и второе слагаемое в уравнении Бернулли имеют смысл кинетической и потенциальной энергии, приходящейся на единицу объёма жидкости. Следует обратить внимание на то, что третье слагаемое по своему происхождению является работой сил давления и не представляет собой запаса какого-либо специального вида энергии («энергии давления»).

Согласно закону Бернулли, полное давление в установившемся потоке жидкости остается постоянным вдоль этого потока.

Из закона Бернулли следует, что при уменьшении сечения потока, из-за возрастания скорости, то есть динамического давления, статическое давление падает. Это является основной причиной эффекта Магнуса. Закон Бернулли справедлив в чистом виде только для жидкостей, вязкость которых равна нулю.

Если же полную энергию выразить через полный напор Н (м), уравнение Бернулли примет вид:

, (3.6)

где z – геометрический напор, высота положения частицы над плоскостью отсчета, м;

p/ρg – пьезометрический напор, м;

v²/2g–скоростной напор, представляющий собой удельную кинетическую энергию 1 кг жидкости, м.

2 Задания для выполнения работы

По варианту, равному порядковому номеру в журнале, решите следующие задачи, оформив их по стандартной форме.

	На оценку «3»	На оценку «4»	На оценку «5»
Номера задач	1,2,3	1,2,3,4	1,2,3,4,5

1. Определить массовый расход горячей воды в трубопроводе с внутренним диаметром d = (412 + вариант) мм, если известно, что средняя скорость воды равна v = (2 + 0,1 вариант) м/с, а плотность воды равна (917 + вариант) кг/м³.

Массовый расход воды определяется как произведение объемного расхода на плотность. Формулу для определения объемного расхода воды можно вывести из формулы (3.2). Площадь живого сечения для круглой трубы определяется как площадь круга πd²/4.

1. По трубопроводу подается (0,314 + 0,01 вариант) м³/с воды. Определить диаметр трубопровода, если скорость воды равнаv = (2 + 0,1 вариант) м/с.

Для определения диаметра трубопровода используем формулу(3.2), подставив в нее формулу определения площади живого сечения πd²/4 и преобразовав ее.

1. Определить гидравлический радиус для трубы с внутренним диаметром (412 + вариант) мм, работающей полным сечением.

Для решения задачи необходимо вывести формулу для определения гидравлического радиуса круглой трубы по формуле (3.1), он равенd/4.

1. Пар от двух котлов одинаковой производительности поступает в общий сборный коллектор и далее в турбину. Определить диаметр паропровода от коллектора к турбине, если диаметры паропроводов от коллектора равны (150 + вариант) мм, а скорость пара на всех участках одинакова.

Для решения задачи необходимо составить уравнение неразрывности потока по объемному расходу, выразить объемные расходы как произведение скорости на площадь живого сечения πd²/4.

1. Для целей горячего водоснабжения по горизонтальному трубопроводу диаметром d_в = (250 + вариант) мм к потребителям подается вода в количестве V = (200 + вариант) м³/ч при температуре t = (70 + вариант)⁰С. Давление воды в начале линии p= 5 кгс/см². Определить полный напор в трубопроводе без учета потерь.

Для решения задачи необходимо определить среднюю скорость потока через объемный расход. По справочным таблицам определить плотность воды при заданной температуре. Все данные использовать в системе СИ.

1. Пример решения и оформления задач

1. Определить массовый расход горячей воды в трубопроводе с внутренним диаметром d = 412 мм, если известно, что средняя скорость воды равна v = 2 м/с, а плотность воды равна ρ = 917 кг/м³.

Дано: d = 412 мм v = 2 м/с ρ = 917 кг/м3 ___________________ m - ?

СИ: 0,412 м

Решение: Определим объемный расход жидкости, преобразовав формулу (3.2): ·v = м3/с. Определим массовый расход, преобразовав формулу (3.3): m = ρ · Ответ: m = 244 кг

1. По трубопроводу подается 0,314 м³/с воды. Определить диаметр трубопровода, если скорость воды равна v = 2 м/с.

Дано: Vt = 0,314 м3/с v = 2 м/с ___________________ d - ?

Решение: Запишем формулу для определения объемного расхода жидкости, преобразовав формулу (3.2): ·v. Выведем из нее формулу для определения диаметра: Ответ: d = 0,447 м

1. Контрольные вопросы

1. Основные характеристики потока жидкости.

2. Как определить гидравлический радиус потока?

3. Чему равен гидравлический радиус для трубы круглого сечения?

4. Как определить расход жидкости?

5. Как определить объемную и массовую скорость потока?

6. Уравнение неразрывности потока.

7. Из чего складывается полное давление в потоке?

8. Закон Бернулли.

9. В чем заключается эффект Магнуса?

10. Для каких жидкостей справедлив закон Бернулли в чистом виде?

Вывод: В ходе выполнения практической работы изучили …., приобрели практические навыки ….

Приложение

Таблица 1 – Зависимость плотности воды от температуры

Температура, °С	Плотность, кг/м3	Температура, °С	Плотность, кг/м3	Температура, °С	Плотность, кг/м3
70	977.81	80	972.83	90	965.34
71	977.23	81	971.23	91	964.67
72	976.66	82	970.57	92	963.99
73	976.07	83	969.94	93	963.30
74	975.48	84	969.30	94	962.61
75	974.89	85	968.65	95	961.92
76	974.29	86	968.00	96	961.22
77	973.68	87	967.24	97	960.51
78	973.07	88	966.68	98	959.81
79	972.45	89	966.01	99	959.09

ИНСТРУКЦИОННАЯ КАРТА №4

по дисциплине «Гидравлика»

Тема 4.1 «Режимы движения жидкости»

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №4

Тема: «Определение числа Рейнольдса, расчет потери напора в трубопроводах по длине»

Цель: Приобретение практических навыков решения задач на определение числа Рейнольдса, расчета потери напора в трубопроводах по длине.

Литература:

1. Е.З. Рабинович Гидравлика – М: Недра,1980

2. В.Г. Ерохин, М.Г. Маханько «Сборник задач по основам гидравлики и теплотехники», М.: «Энергия», 1979, стр. 18-33.

Задачи составлены на основе задач 1-52,1-53, 1-55, 1-57, 1-58.

Оборудование и принадлежности: инструкционная карта, калькулятор, справочные таблицы.

1. Общие сведения

Гидравлические потери существенным образом зависят от того, как организовано движение жидкости в потоке, т.е. от режима движения жидкости.

Из физики известно, что существует два режима движения жидкости: ламинарный и турбулентный. Эти термины в науку ввел Д.И. Менделеев.

Слово «ламинарный» - от латинского «ламина», что означает «слой», т.е. ламинарный режим это слоистое течение без перемешивания частиц и пульсации скорости.

Слово «турбулентный» - от латинского «турбулус», означает беспорядочный, хаотичный, т.е. турбулентный режим движения жидкости сопровождается интенсивным перемешиванием жидкости, пульсациями скоростей и давлений.

Более полно режимы движения жидкости исследованы английским физиком Осборном Рейнольдсом.

Визуальное наблюдение за режимами движения жидкости и их количественная оценка были выполнены на установке (рисунок 4.1), представляющей собой резервуар 1, из которого жидкость по прозрачной трубе 2 с краном может вытекать в мерное устройство 3. над резервуаром помещен сосуд 4 с подкрашенной жидкостью, для подачи последней по капилляру в прозрачную трубу.

Рисунок 4.1 – Опыт Рейнольдса

Рейнольдс установил факторы, влияющие на режим движения жидкости: скорость, диаметр трубки, плотность и вязкость жидкости, на основании чего ему удалось определить критерий (критерий Рейнольдса), по которому можно судить о режиме движения жидкости. Критерий Рейнольдса можно определить по формуле (4.1):

(4.1)

где v – скорость движения жидкости, м/с;

d – диаметр трубопровода, м;

 - коэффициент динамической вязкости, Нс/м²;

 - коэффициент кинематической вязкости, м²/с.

 

Рисунок 4.2 – Ось чисел Рейнольдса

Возьмем ось чисел Рейнольдса (рисунок 4.2) и повторим его опыты сначала в сторону увеличения этих чисел, одновременно визуально наблюдая за режимами движения жидкости. При достижении так называемого верхнего критического числа Re_кр^в режим ламинарный прейдет в турбулентный. В зависимости от условий эксперимента это число может лежать в довольно больших пределах: от 4·10³ до (40…50)·10³. После этого числа режим становится турбулентным устойчивым.

Затем повторим опыт в сторону уменьшения чисел Рейнольдса. В этом случае турбулентный режим перейдет в ламинарный при достижении так называемого нижнего критического числа Re_кр^н. Оно окажется равным 2320. Ниже этого числа режим всегда будет ламинарный устойчивый. Нижнее критическое число принимают вообще за критическое число.в гидравлических расчетах при получении Re 2320 - турбулентным.

Физический смысл этого критерия заключается в том, что он показывает отношение сил инерции к силам трения. Число Рейнольдса может быть подсчитано для потоков любого геометрического сечения, в том числе для круглого по гидравлическому радиусу, или по другому характерному размеру, например, по зазору в сопрягаемых деталях.

Линейное сопротивление (или сопротивление трения) h_л определяют по формуле Дарси (4.2):

(4.2)

где 𝜆_тр – коэффициент сопротивления трения по длине;

l– длина трубы, м;

d– диаметр трубы, м;

v – скорость движения в выходном сечении трубы, м/с;

ρ – плотность жидкости, кг/м³.

Формула для определения 𝜆_тр зависит от шероховатости труб и режима движения жидкости (смотрите таблицу 4.1).

Таблица 4.1 – Формулы для определения коэффициента сопротивления трения по длине

Режим движения			Число Рейнольдса		Расчетная формула определения 𝜆тр
Ламинарный			Re
Переходный			2300		Проектирование не рекомендуется
Турбулентный	1 область	4000 10 d / k
	2 область	10 d / k 560 d / k
	3 область	Re 560 d / k

Для определения режима движения жидкости определяют Re_пред по формуле (4.3) и предельную скорость v_пред по формуле (4.4):

(4.3)

где k – абсолютная шероховатость труб, м;

d– диаметр трубы, м;

(4.4)

где ν – коэффициент кинематической вязкости, м²/с.

Таблица 4.2 - Физические характеристики воды на линии насыщения

t, 0С	μ·106, Н·с/м2	ν·103, м3/кг	t , 0С	μ·106, Н·с/м2	ν·103, м3/кг
150	186,2	1,0906	300	91,1	1,4036
160	173,5	1,1021	310	88,2	1,447
170	162,7	1,1144	320	85,3	1,499
180	152,9	1,1275	330	81,3	1,562
190	144,1	1,1415	340	77,4	1,639
200	136,2	1,1565	350	72,5	1,741

1. Задания для выполнения работы

1. Изучите установку для проведения опыта по определению режима движения жидкости.

2. По варианту, равному порядковому номеру в журнале, решите следующие задачи, оформив их по стандартной форме.

	на оценку «3»	на оценку «4»	на оценку «5»
Номер задачи	1,2,3	1,2,3,4	1,2,3,4,5

1. Определите предельное значение скорости воды в трубопроводах тепловой сети при температуре (150 + вариант)⁰С, абсолютная шероховатость труб k = 5 · 10^-4 м.

Для решения задачи необходимо определить коэффициент кинематической вязкости по приложению 8 [1]. Предельное значение скорости определить по формуле (4.4).

1. По трубопроводу с внутренним диаметром dв= (150 + вариант) мм протекает пар с давлением p_абс= (100 + вариант) кгс/см² и температурой t= (350 - вариант)⁰С. Скорость пара v= (40 – вариант) м/с. Определить часовой расход пара и критерий Рейнольдса. Газовая постоянная водяного пара равна 461,6 Дж/кг· К.

Для решения задачи необходимо все значения перевести в систему СИ, затем определить коэффициент кинематической вязкости по приложению 8 [1]. Массовый расход пара определяется как произведение объемного расхода на плотность. Плотность пара можно определить из уравнения Клапейрона.

1. Определить потерю напора в прямом трубопроводе длиной l =1000 м, по которому прокачивается нефтепродукт плотностью ρ = (880 + вариант) кг/м³ в количестве V = (31,4 + вариант) л/с. Внутренний диаметр трубопровода dв = (200 + вариант) мм, коэффициент гидравлического сопротивления λ =0,04.

Для решения задачи необходимо все значения перевести в систему СИ, затем определить скорость по объемному расходу и линейные потери по формуле Дарси.

1. Определить режим движения воды при состоянии насыщения по трубопроводу, имеющему внутренний диаметр d = (125 + вариант)мм, при объемном расходе V_t = (88,2 + 0,1 ·вариант) м³/ч. Температура воды 150⁰С.

Для решения задачи необходимо все значения перевести в систему СИ, затем определить скорость по объемному расходу, а затем критерий Рейнольдса. Значение коэффициента кинематической вязкости определить по формуле  = v, значения  иvпринимаем по приложению 8 [1]в зависимости от температуры.

1. Определить удельное линейное падение давления в трубопроводе тепловой сети. Внутренний диаметр трубопроводаd = (100 + вариант) мм, температура воды t = (150 + вариант )⁰С, скорость v = (2 + 0,1· вариант) м/с, абсолютная шероховатость труб k = 0,5 мм.

Для решения задачи необходимо все значения перевести в систему СИ. Удельное линейное падение давления – это потери напора по длине трубопровода, приходящиеся на единицу длины 1 метр, которые определяются по формуле Дарси. Для того, чтобы выбрать формулу для определения 𝜆_тр по таблице 4.1, необходимо определить режим течения по критерию Рейнольдса (формула 4.3).

1. Пример решения и оформления задач

1. Определите предельное значение скорости воды в трубопроводах тепловой сети при температуре 150 ⁰С, абсолютная шероховатость труб k = 5 · 10^-4 м.

Дано: t = 150 0С k = 5 · 10-4 м ____________ vпред - ?

Решение: Для вычисления предельной скорости по таблице (приложение 8) [1] определим значение кинематической вязкости при заданной температуре: ν = μ·v = 186,2 · 10-6· 1,0906·10-3 = 0,203 ·10-6м2/с. Ответ: vпред = 0,23 м/с

1. По трубопроводу с внутренним диаметром dв = 150 мм протекает пар с давлением p_абс= 100 кгс/см² и температурой t = 350 ⁰С. Скорость пара v = 40 м/с. Определить часовой расход пара и критерий Рейнольдса. Газовая постоянная водяного пара равна 461,6 Дж/кг· К.

Дано: dв = 150 мм pабс= 100 кгс/см2 t = 350 0С v = 40 м/с R = 461,6 Дж/кг· К _______________ Re–? m - ?

СИ: 0,15 м 100·9,81·104 Па 623 K

Решение: По таблице (приложение 8) [1] определим значение кинематической вязкости при заданной температуре: ν = μ·v =72,5 · 10-6· 1,741·10-3 = 0,126 ·10-6м2/с. Тогда число Рейнольдса определим по формуле: Определим объёмный расход: Для определения массового расхода необходимо определить плотность пара из уравнения Клапейрона: Массовый расход: m = V·ρ = 11,3 · 34,11 = 385,44 кг/с. Ответ:m = 385,44 кг/с, Re = 47,6 · 106

1. Контрольные вопросы

1. От чего зависят гидравлические потери?

2. Что является критерием для определения режима движения жидкости?

3. Значение критического числа Рейнольдса.

4. Что определяет критерий Рейнольдса?

5. Назовите основные режимы движения жидкости.

6. Какой режим движения жидкости называют ламинарным?

7. Какой режим движения жидкости называют турбулентным?

8. По какой формуле определяют критерий Рейнольдса?

9. По какой формуле определяют линейное сопротивление?

10. Как определить объемный и массовый расход воды в трубопроводе?

Вывод: В ходе выполнения практической работы изучили …., приобрели практические навыки ….

ИНСТРУКЦИОННАЯ КАРТА №5

по дисциплине «Гидравлика»

Тема 5.2 Основные формулы для гидравлического расчета простых и сложных трубопроводов

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №5

Тема: «Гидравлический расчет простых и сложных трубопроводов»

Цель: Приобретение практических навыков гидравлического расчета простых и сложных трубопроводов.

Литература:

1. В.Г. Ерохин, М.Г. Маханько «Сборник задач по основам гидравлики и теплотехники», М.: «Энергия», 1979, стр. 28-31

2. Е.З. Рабинович Гидравлика – М: Недра,1980, стр. 205-213

Задачи составлены на основе задач 1-45, 1-48, 1-49, 1-50, 1-51

Оборудование и принадлежности: инструкционная карта, калькулятор, справочные таблицы.

1. Общие сведения

Простые трубопроводы.

Простым (коротким) называют трубопровод, по которому жидкость транспортируют от питателя к приемнику без промежуточных ответвлений потока. При этом необходимо учитывать не только потери напора на трение по длине трубопровода, но и скоростной напор и местные потери напора, которыми в данном случае нельзя пренебречь.

Исходным при расчетах простого трубопровода является уравнение баланса напоров (уравнение Бернулли).

Схема к расчету короткого трубопровода представлена формулой (5.1):

(5.1)

Учитывая, что  , суммарные потери напора можно определить по формуле (5.2):

(5.2)

Получим формулу для определения полного напора (5.3):

    , (5.3)

Откуда средняя скорость истечения жидкости по формуле (5.4) определится как:

(5.4)

Введем обозначение   где 𝜑— коэффициент  скорости, а следовательно, окончательно средняя скорость истечения жидкости определяется по формуле (5.5):

(5.5)

Расход жидкости, пропускаемой через короткий трубопровод, можно определить по формуле (5.6):

(5.6)

где μ - коэффициент расхода; 

F - площадь живого сечения, м².

Длинные трубопроводы.

Это трубопроводы постоянного по длине диаметра, у которых основными являются потери напора по длине, а местными потерями напора и скоростным напором можно пренебречь.

Потери напора по длине трубопровода определяют по формуле Дарси—Вейсбаха (5.7):

(5.7)

Учитывая, что расход V = μFv и скорость движения потока  , тогда

(5.8)

или

(5.9)

где A - удельное сопротивление трубопровода, определяемое по справочным таблицам;

(5.10)

В закрытых трубопроводах скорость потока определяется с помощью трубки Пито, определяющей полный напор, и пьезометрической трубки, определяющей пьезометрический напор. На практике пользуются конструкцией, в которой обе трубки совмещены в один прибор (трубка Прандтля). Центральный канал служит для определения полного напора, а боковые отверстия внешней поверхности – для определения пьезометрического напора. Выводы от отверстий присоединяют к дифференциальному манометру и сразу получают разность уровней жидкости в коленах дифманометра Н (рисунок 5.1).

Скорость движения жидкости в точке установки пневмометрической трубки определяется по формуле (5.5):

, (5.11)

где Н – разность уровней в коленах дифманометра, м;

ρ₁и ρ₂ – соответственно плотности жидкости, исследуемой и залитой в манометр, кг/м³;

a – поправочный коэффициент, зависящий от точности изготовления трубы и её размеров (а = 1 … 1,04).

Рисунок 5.1 –Трубка Прандтля

В длинных трубопроводах и каналах произвольных сечений измерение расхода без нарушения целостности потока может быть выполнено с помощью водомера Вентури (рисунок 5.2). Расход жидкости, протекающей через прибор, определится по формуле (5.11):

(5.12)

Как правило, μ = 0,96 – 0,98.

Рисунок 5.2 – Расходомер Вентури

1. Задания для выполнения работы

1. Изучите порядок расчета простых и сложных трубопроводов.

2. По варианту, равному порядковому номеру в журнале, решите следующие задачи, оформив их по стандартной форме.

	на оценку «3»	на оценку «4»	на оценку «5»
Номер задачи	1,2,3	1,2,3,4	1,2,3,4,5

1. Определите максимальную скорость нефтепродукта в трубопроводе, если разность полного и пьезометрического напоров по ртутному дифманометру равна h = (20 + вариант) мм.рт.ст. Плотность нефтепродукта принять 900 кг/м³, плотность ртути - 13600 кг/м³.

Задача решается по формуле для определения скорости потока

1. Для определения расхода бензина, подаваемого по трубе диаметром D = (20 + вариант) мм, установлено сопло диаметром d = (10 + вариант) мм и присоединены пьезометры. Определить расход бензина по трубе, если разность уровней бензина в пьезометрах равен h = 1 метру. Коэффициент расхода сопла µ = 1.

Расход бензина определяется по формуле (5.11), предварительно определив площади сечений f₁ = πD²/4 и f₂ = πd²/4.

1. Определить теоретический расход воды, если разность напоров в большом и малом сечениях водомера Вентури равна h = (500+ вариант) мм рт. ст. Диаметр трубопровода равен D= (300 + вариант) мм, диаметр цилиндрического участка водомера равен d = (100 + вариант) мм.

Пример решения задачи приведен ниже.

1. Определить расход воды, если разность пьезометрических напоров в большом и малом сечениях водомерной трубы равна (250+ вариант) мм, диаметр большего сечения равен D = (200 + вариант) мм, диаметр малого сечения равен d = (100 + вариант) мм. Коэффициент расхода µ =0,98.

Для решения задачи воспользуйтесь формулой (5.11). Площади сечений определить по формулам F₁ = πD²/4 и F₂ = πd²/4 .

1. Для целей горячего водоснабжения к потребителям подается вода в количестве V = (200 + вариант) м³/ч при температуре t = (70 + вариант)⁰С. Длина трубопровода l = (1000 + вариант) м, внутренний диаметр d_в = (259 + вариант) мм, давление воды в начале линии p₁= 5 кгс/см². Отметка оси трубопровода в конечной точке на 2 м выше начальной. Определить полный напор и давление в начале и конце трубопровода, если шероховатость труб k = 5*10^-4 м, а потеря напора в местных сопротивлениях равна 10% линейных потерь.

1. Пример решения и оформления задач

1. Определить теоретический расход воды, если разность напоров в большом и малом сечениях водомера Вентури равна h = 500 мм рт. ст. Диаметр трубопровода равен D= 300 мм, диаметр цилиндрического участка водомера равен d = 100 мм.

Дано: hтр = 500 мм рт. ст D= 300 мм d = 100 мм ______________ Q - ?

СИ: 0,5 м 0,3 м 0,1 м

Решение: Определим разность пьезометрических напоров Расход воды Ответ: Q = 0,087 м3/с

1. Для целей горячего водоснабжения к потребителям подается вода в количестве V = 200 м³/ч при температуре t = 70 ⁰С. Длина трубопровода l = 1000 м, внутренний диаметр d_в = 259 мм, давление воды в начале линии p₁= 5 кгс/см². Отметка оси трубопровода в конечной точке на 2 м выше начальной. Определить полный напор и давление в начале и конце трубопровода, если шероховатость труб, а потеря напора в местных сопротивлениях равна 10% линейных потерь.

Дано: V = 200 м3/ч t = 70 0С l = 1000 м dв = 259 мм p1= 5 кгс/см2 2 м k = 5*10-4 м hм = 0,1 hл ___________ H1,H2, p2 - ?

СИ: 200/ 3600 м3/с 0,259 м 5 · 9,81 · 104 Па

Решение: Задача решается с помощью уравнения Бернулли для реальной жидкости: Полные потери напора определим по формуле Дарси-Вейсбаха: Для определения 𝜆 необходимо определить среднюю скорость движения жидкости и сравнить её с предельной скоростью. Коэффициент кинематической вязкости определен из приложения 8 по температуре 70 0С: ν = μ·v = 405,7 · 10-6· 1,0228·10-3 = 0,416 ·10-6м2/с Так как средняя скорость выше предельной, режим течения турбулентный и 𝜆 определим по формуле Шифринсона: Тогда потери напора составят: Напор на входе составит: Напор на выходе: Н2 = Н1 – h пот = 51,186 – 6,45 = 44,645 м Давление на выходе: Ответ: H1 = 51,186 м,H2 = 44,645 м, p2 = 0,4 МПа

1. Контрольные вопросы

1) Как можно измерить скорость потока в закрытых трубопроводах?

2) Для каких измерений используется водомер Вентури?

3) Чему равен коэффициент расхода?

4) Какие потери учитывают при расчете простых трубопроводов?

5) Какие потери напора учитывают в длинных трубопроводах?

6) Опишите принцип работы трубки Прандтля.

7) Как можно определить удельное сопротивление трубопровода?

8) От чего зависят линейные потери напора?

9) По какой формуле определяется полный напор в трубопроводе?

10) По какой формуле можно определить среднюю скорость потока?

Вывод: В ходе выполнения практической работы изучили …., приобрели практические навыки ….

ИНСТРУКЦИОННАЯ КАРТА №6

по дисциплине «Гидравлика»

Тема 5.3 Гидравлический расчет стальных и чугунных труб

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №6

Тема: «Гидравлический расчет стальных и чугунных труб»

Цель работы: Приобретение практических навыков расчета стальных и чугунных трубопроводов

Содержание работы: Определить расход через трубопровод при условии, что трубы стальные или чугунные.

Литература: Шевелев Ф.А. Таблицы для гидравлического расчета стальных, чугунных, асбоцементных, пластмассовых и стеклянных водопроводных труб, изд. 5, М: Стройиздат, 1973 страницы 3-52, 39, 67

Оборудование и принадлежности: инструкционная карта, калькулятор, справочные таблицы.

1 Общие сведения

Величину потерь напора определяют по гидравлическому уклону i (формула 6.3) и по удельному сопротивлению трубопровода A по формулам (6.1), (6.2):

h =i*l (6.1)

h = AKlQ² (6.2)

(6.3)

Для новых стальных труб основные расчетные формулы (6.4) – (6.6):

(6.4)

(6.5)

(6.6)

Для новых чугунных труб расчет осуществляют по формулам (6.7) – (6.9):

(6.7)

(6.8)

(6.9)

Для неновых стальных и чугунных труб, приняв 𝑣 = 1,3*10^-6 м²/с, используют формулы (6.10), (6.11):

(6.10)

(6.11)

К новым стальным и чугунным трубам можно относить трубы, на стенках которых отсутствуют заметные признаки коррозии или отложений.

1. Задания для выполнения работы

По варианту, равному порядковому номеру в журнале, решите следующие задачи, оформив их по стандартной форме.

	на оценку «3»	на оценку «4»	на оценку «5»
Номер задачи	1,2,3	1,2,3,4	1,2,3,4,5

1. Определить гидравлический уклон и удельное сопротивление ненового стального трубопровода диаметром 40 мм (ГОСТ 3262-62) при расходе Q = 2,5 л/сек по справочным таблицам.

Гидравлический уклон определяется по справочным таблицам по диаметру и расходу. По таблице находится значение 1000i,затем находится значение i. Удельное сопротивление определяется по справочной таблице по условному проходу.

1. Определите поправочный коэффициент скорости К₁ расчетным и табличным методом (интерполяции) для нового чугунного трубопровода (ГОСТ 5525-61).

Для определения поправочного коэффициента скорости расчетным методом, используется формула, приведенная в справочнике. Для каждого материала трубопровода она разная. Для определения коэффициента табличным методом используют метод интерполяции. Он заключается в том, что между двумя соседними значениями скорости определяют шаг и величину шага для коэффициента скорости.

1. Определить потери напора по гидравлическому уклону и по удельному сопротивлению в стальном трубопроводе с условным проходом d = 40 мм (ГОСТ 3262-62), длиной l = 200 м при расходе Q = 2,5 л/сек.

1. Определить потери напора по гидравлическому уклону и по удельному сопротивлению в стальном трубопроводе с условным проходом d = 600 мм (ГОСТ 10704-63), длиной l = 1000 м при расходе Q = 175 л/с = 0,175 м³/сек.

1. Определить потерю напора по гидравлическому уклону и по удельному сопротивлению в новом чугунном трубопроводе с условным проходом d = 500 мм (ГОСТ 9583-61 класс А), длиной l = 1500 м при расходе Q = 260 л/сек.

вариант	Задача 1		Задача 2			Задача 3			Задача 4			Задача 5
	d	Q	d	Q	d		l	Q	d	l	Q	d	l	Q
	32	1,8	350	228	32		100	2,0	300	500	146	350	1500	258
	40	1,85	400	230	40		120	2,2	350	600	148	400	1600	260
	50	1,9	450	232	50		140	2,3	400	700	150	450	1700	264
	70	1,95	500	234	70		150	2,4	450	800	152	500	1800	268
	80	2,0	600	236	80		160	2,5	500	900	154	600	1900	272
	90	2,1	700	238	90		170	2,6	600	1000	157	700	2000	276
	100	2,2	800	240	100		200	2,7	700	1050	159	800	2100	280
	125	2,7	900	242	125		210	3,0	800	1200	161	900	2200	284
	32	2,8	1000	244	32		220	1,8	900	1500	163	1000	1500	288
	40	2,9	1200	246	40		140	1,9	300	400	165	1200	1600	292
	50	3,0	700	248	50		150	2,0	350	500	167	700	1700	296
	70	3,1	800	250	70		160	2,1	400	600	169	800	1800	300
	80	3,2	900	252	80		170	2,3	450	700	171	900	1900	304
	90	3,3	1000	254	90		200	2,5	500	800	173	1000	2000	308
	100	3,4	1200	256	100		210	2,7	600	900	175	1200	2100	312

1. Пример решения и оформления задачи

1. Определить гидравлический уклон и удельное сопротивление ненового стального трубопровода диаметром 40 мм (ГОСТ 3262-62) при расходе Q=2,5 л/сек по справочным таблицам.

Дано: d = 40 мм Q=2,5 л/сек ГОСТ 3262-62 ____________ i - ? А - ?

Решение: Для определения гидравлического уклона по содержанию справочника находим расположение справочных таблиц по ГОСТ 3262-62 (страница 16). По справочным таблицам в левом столбце находим Q=2,5 л/сек (страница 19). В верхней строке таблицы находим диаметр 40 мм. Находим на пересечении значений расхода и диаметра значения скоростиv = 1,99 м/си 1000 i = 277,6. Отсюда определим значение i = 277,6 / 1000 =0,2776. По таблице 2 на странице 6 определим значение А для ГОСТ 3262-62 по условному проходу 40: А = 0,04448 (для Q в л/сек). Ответ: i = 0,2776, А = 0,04448

1. Определить потери напора по гидравлическому уклону и по удельному сопротивлению в стальном трубопроводе с условным проходом d = 50 мм (ГОСТ 3262-62), длиной l = 200 м при расходе Q = 2,5 л/сек.

Дано: d = 50 мм Q=2,5 л/сек ГОСТ 3262-62 l=200 м ____________ h - ?

Решение: Для определения гидравлического уклона по содержанию справочника находим расположение справочных таблиц по ГОСТ 3262-62 (страница 16). По справочным таблицам в левом столбце находим Q=2,5 л/сек (страница 19). В верхней строке таблицы находим диаметр 50 мм. Находим на пересечении значений расхода и диаметра значения скоростиv = 1,18 м/си 1000 i = 69,6. Отсюда определим значение i = 69,6 / 1000 =0,0696. По таблице 2 на странице 6 определим значение А для ГОСТ 3262-62 по условному проходу 50: А = 0,011080 (для Q в л/сек). Поправочный коэффициент К1 можно вычислить по формуле (9) справочника, или методом интерполяции по таблице 3 (страница 6): Величину потерь напора определяют по гидравлическому уклону iи по удельному сопротивлению трубопровода A по формулам (6.1), (6.2): h =i·l = 0,0696 · 200 = 13,92 м h = AKlQ2 = 0,011080 ·1,0051 · 200 · 2,52 = 13,92 м Ответ:h = 13,92 м

1. Контрольные вопросы

1. Гидравлический уклон.

2. Удельное сопротивление трубопровода.

3. Формулы для гидравлического расчета новых стальных и чугунных труб.

4. Формулы для гидравлического расчета неновых стальных и чугунных труб.

Вывод: В ходе выполнения практической работы изучили …., приобрели практические навыки ….

ИНСТРУКЦИОННАЯ КАРТА №7

по дисциплине «Гидравлика»

Тема 5.5 Гидравлический удар в трубах

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №7

Тема: «Расчет скорости распространения ударной волны»

Цели:

1. Изучить явление гидроудара, причины его возникновения и характеристики.

2. Закрепить навыки расчета скорости распространения ударной волны при гидроударе.

Литература:

1. Е.З. Рабинович Гидравлика – М: Недра,1980

2. В.Г. Ерохин, М.Г. Маханько «Сборник задач по основам гидравлики и теплотехники», М.: «Энергия», 1979, стр. 24, 33.

Задачи составлены на основе задач 1-59,1-60,1-61.

Оборудование и принадлежности: инструкционная карта, калькулятор, справочные таблицы.

1 Общие сведения

Гидравлический удар (гидроудар) - скачок давления в какой-либо системе, заполненной жидкостью, вызванный крайне быстрым изменением скорости потока этой жидкости за очень малый промежуток времени. Может возникать вследствие резкого закрытия или открытия задвижки. В первом случае гидроудар называют положительным, во втором - отрицательным. Опасен положительный гидроудар. При положительном гидроударе несжимаемую жидкость следует рассматривать как сжимаемую. Гидравлический удар способен вызывать образование продольных трещин в трубах, что может привести к их расколу, или повреждению других элементовтрубопровода. Также гидроудары чрезвычайно опасны и для другого оборудования, такого как теплообменники, насосы и сосуды, работающие под давлением. Для предотвращения гидроударов, вызванных резкой переменой направления потока рабочей среды, на трубопроводах устанавливаются обратные клапаны.

Явление гидравлического удара открыл в 1897—1899 г. Н. Е. Жуковский. Увеличение давления при гидравлическом ударе определяется в соответствии с его теорией по формуле (7.1):

, (7.1)

где  - увеличение давления, Н/м²;

ρ - плотность жидкости, кг/м³;

v₀ и v₁ - средние скорости в трубопроводе до и после закрытия задвижки (запорного клапана), м/с;

с_u - скорость распространения ударной волны вдоль трубопровода, м/с.

Жуковский доказал, что скорость распространения ударной волны с_u находится в прямо пропорциональной зависимости от сжимаемости жидкости, величины деформации стенок трубопровода, определяемой модулем упругости материала E, из которого он выполнен, а также от диаметра трубопровода. Следовательно, гидравлический удар не может возникнуть в трубопроводе, содержащем газ, так как газ легко сжимаем.

Зависимость между скоростью ударной волны c_u, её длиной и временем распространения (L и τ соответственно) выражается формулой (7.2):

(7.2)

В зависимости от времени распространения ударной волны τ и времени перекрытия задвижки (или другой запорной арматуры) t, в результате которого возник гидроудар, можно выделить 2 вида ударов:

- Полный (прямой) гидравлический удар, если t  τ;

- Неполный (непрямой) гидравлический удар, если t  τ.

При полном гидроударе фронт возникшей ударной волны движется в направлении, обратном первоначальному направлению движения жидкости в трубопроводе. Его дальнейшее направление движения зависит от элементов трубопровода, расположенных до закрытой задвижки. Возможно и повторное неоднократное прохождения фронта волны в прямом и обратном направлениях.

При неполном гидроударе фронт ударной волны не только меняет направление своего движения на противоположное, но и частично проходит далее сквозь не до конца закрытую задвижку.

Прямой гидравлический удар бывает тогда, когда время закрытия задвижки t меньше фазы удара T, определяемой по формуле:

, (7.3)

где  l - длина трубопровода от места удара до сечения, в котором поддерживается постоянное давление,м;

  C_u - скорость распространения ударной волны в трубопроводе, определяется по формуле Н.Е. Жуковского, м/с:

(7.4)

где E - модуль объемной упругости жидкости, 

ρ - плотность жидкости,

   - скорость распространения звука в жидкости, 

E_tr - модуль упругости материала стенок трубы, 

D - диаметр трубы, 

h - толщина стенок трубы.

Для воды отношение   зависит от материала труб и может быть принято:для стальных – 0,01; чугунных – 0,02; железобетонных– 0,1-0,14; асбестоцементных – 0,11; полиэтиленовых - 1-1,45.

Коэффициент k для тонкостенных трубопроводов применяется (стальные, чугунные, асбестоцементные, полиэтиленовые) равным 1. Для железобетонных определяется по формуле (7.5):

, (7.5)

где  - коэффициент армирования кольцевой арматурой (f - площадь сечения кольцевой арматуры на 1м длины стенки трубы). Обычно a = 0,015 – 0,05.

Повышение давления при прямом гидравлическом ударе определяется по формуле (7.6):

, (7.6)

где V_o - скорость движения воды в трубопроводе до закрытия задвижки.

Если время закрытия задвижки больше фазы удара (t₃Т), такой удар называется непрямым. В этом случае дополнительное давление может быть определено по формуле (7.7):

(7.7)

Результат действия удара выражают также величиной повышения напора H, которая равна:

- при прямом ударе по формуле (7.8): 

(7.8)

- при непрямом ударе по формуле (7.9):

(7.9)

Исходя из формулы Жуковского (определяющей увеличение давления при гидроударе) и величин, от которых зависит скорость распространения ударной волны, для ослабления силы этого явления или его полного предотвращения можно уменьшить скорость движения жидкости в трубопроводе, увеличив его диаметр, увеличить время закрытия затвора, устанавливать демпфирующие устройства (обратные клапаны).

При решении задач для определения скорости используется формула объёмного расхода (7.10):

=

(7.10)

2 Задания для выполнения работы

По варианту, равному порядковому номеру в журнале, решите следующие задачи, оформив их по стандартной форме.

	На оценку «3»	На оценку «4»	На оценку «5»
Номера задач	1,2,3	1,2,3,4	1,2,3,4,5

1. Определить повышение давления Δp, возникающее при внезапном закрытии задвижки на водопроводной трубе, если скорость движения воды v=(1+ 0,1·вариант) м/с. Скорость распространения ударной волны принять равной с=(1000 + 10·вариант) м/с.Плотность воды принять равной 1000 кг/м³.

Для решения задачи воспользуйтесь формулой (7.6) данного методического пособия.

1. Определить мгновенное повышение давления Δpв трубе при гидравлическом ударе, если внутренний диаметр ее d= (200+ 10·вариант) мм, а расход воды V= (200+ 10·вариант) м³/ч. Скорость распространения ударной волны с_u= (1100+ 10·вариант) м/с.

Для решения задачи необходимо определить скорость движения воды, преобразовав формулу объёмного расхода (7.10) данного методического пособия.

1. Определить минимальное время закрытия задвижки t на трубопроводе длинойl= (500+ 10·вариант) м при скорости воды v= (2+ 0,1·вариант) м/с, если допустимое повышение давления Δp не должно превышать 0,5 МПа.

Минимальное время закрытия задвижки можно определить, преобразовав формулу (7.7).

1. Определите плотность перекачиваемого нефтепродукта, если при скорости движения его по трубопроводу 2 м/с скачок давления Δp при внезапном закрытии задвижки составил 2 МПа. Скорость распространения ударной волны принять равной (1000 + вариант) м/с.

Для решения задачи преобразуйте формулу (7.6) данного методического пособия.

1. Рассчитайте необходимый диаметр трубопровода, по которому прокачивается нефтепродукт плотностью (880 + вариант) кг/м³объёмомV = (1,5 + 0,1·вариант) м³/с, чтобы повышение напора при времени закрытия задвижки t_з = (5+ 0,1·вариант) секунд было не более 50 метров. Длина трубопровода l = (500 + вариант) м.

Для решения задачи воспользуйтесь формулой (7.9)для определения скорости, и формулой (7.10) для определения диаметра, преобразовав их под искомые величины.

1. Пример решения и оформления задач

1. Определить повышение давления Δp, возникающее при внезапном закрытии задвижки на водопроводной трубе, если скорость движения воды V₀= 1 м/с. Скорость распространения ударной волны принять равной с_u = 1000 м/с. Плотность воды принять равной ρ = 1000 кг/м³.

Дано: V0= 1 м/с сu = 1000 м/с ρ = 1000 кг/м3 _____________ Δp -?

Решение: Для решения задачи воспользуемся формулой = 1000·1000·1 = 1 000 000 Па = 1 МПа Ответ: Δp = 1 МПа

1. Определить мгновенное повышение давления Δp в трубе при гидравлическом ударе, если внутренний диаметр ее d = 200 мм, а расход воды V= 200 м³/ч. Скорость распространения ударной волны с_u = 1100 м/с.

Дано: d=200 мм V=200 м3/ч сu =1100 м/с __________ Δp - ?

СИ: 0,2 м 200 : 3600 м3/с

Решение: Определим скорость движения жидкости: Плотность воды примем равной ρ = 1000 кг/м3. Определим скачок давления по формуле: 1 947 000 Па = 1,95 МПа Ответ: Δp = 1,95 МПа

1. Контрольные вопросы

1. Что называют гидроударом?

2. В каком случае возникает положительный гидроудар?

3. В каком случае возникает отрицательный гидроудар?

4. Какой гидроудар наиболее опасен?

5. Как можно предотвратить гидроудар?

6. Кто впервые открыл явление гидроудара?

7. Какой гидроудар называют полным и неполным?

8. По какой формуле можно определить скачок давления при гидроударе?

9. По какой формуле можно определить время открытия (закрытия задвижки)?

10. По какой формуле можно определить скорость распространения ударной волны?

Вывод: В ходе выполнения практической работы изучили …., приобрели практические навыки ….

ИНСТРУКЦИОННАЯ КАРТА №8

по дисциплине «Гидравлика»

Тема 6.1 Истечение жидкости из отверстий. Тема 6.2 Истечение жидкости из насадков

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №8

Тема: «Определение коэффициентов скорости и расхода при истечении жидкости из отверстия и насадков»

Цель: Приобретение практических навыков определения коэффициентов скорости и расхода при истечении жидкости из отверстия и насадков.

Литература:

1. Е.З. Рабинович Гидравлика – М: Недра,1980

2. В.Г. Ерохин, М.Г. Маханько «Сборник задач по основам гидравлики и теплотехники», М.: «Энергия», 1979, стр. 26, 34-35

Задачи составлены на основе задач 1-66, 1-67, 1-68, 1-69

Оборудование и принадлежности: инструкционная карта, калькулятор, справочные таблицы.

1 Общие сведения

При вытекании жидкости из резервуара через отверстие в тонкой стенке, диаметр которого значительно меньше размеров резервуара, а края отверстия имеют прямоугольную форму, диаметр вытекающей струи будет меньше размеров диаметра отверстия. Это происходит потому, что жидкость, вытекающая из резервуара, попадает в отверстие со всех направлений, а после прохождения отверстия направление движения всех частиц жидкости становится одинаковым.

Рисунок 8.1 – Истечение жидкости через отверстие в тонкой стенке

Изменение направления движения частиц жидкости в силу их инерционности мгновенно произойти не может. Поэтому сжатие струи обусловлено необходимостью постепенного изменения направления движения жидкости при прохождении отверстия. Так как размеры резервуара много больше размеров отверстия, боковые поверхности и свободная поверхность не могут оказывать влияния на направление входа жидкости в отверстие, то в этом случае наблюдается совершенное сжатие струи. Такое сжатие является наибольшим, и оно достигается на расстоянии примерно равном диаметру отверстия. Степень сжатия выражается коэффициентом сжатия ε.

В том случае, если истечение происходит из резервуара такой формы, что его стенки влияют на траекторию движения частиц при входе в отверстие, наблюдается несовершенное сжатие струи.

Рассмотрим большой резервуар с жидкостью, из которого через малое отверстие в боковой стенке вытекает струйка. Термины «большой резервуар» и «малое отверстие» означает, что эти размеры не сказываются на изменении высоты жидкости (напора) в резервуаре при вытекании из него жидкости. Термин «тонкая стенка» означает, что после сжатия струя вытекающей жидкости не касается цилиндрической поверхности отверстия.

Отсюда становится понятным физический смысл коэффициента скорости𝜑. Он выражает отношение действительного расхода через проходное сечение к теоретическому расходу. Действительным расходом называют расход, который на самом деле проходит через проходное сечение. Теоретический расход это такой, который мог бы протекать через проходное сечение при отсутствии потерь.

Произведение 𝜑ε = μ носит название коэффициент расхода.

При прохождении жидкости через малое отверстие происходит «смятие» струи. На немецком языке «мятие» - «drosseln». Поэтому в технике истечение через малое отверстие называют дросселированием. Гидравлический аппарат, предназначенный для дросселирования, называется дросселем, а отверстие в этом гидроаппарате называется проходным сечением.

Коэффициент расхода μ, являясь произведением коэффициентов φ и ε, на первом этапе растёт, достигая максимального значения μ = 0,69 при Re_т≈ 350, а затем плавно снижается до μ ≈0,6.

Насадком называется короткая трубка, соединенная с емкостью или трубопроводом и предназначенная для изменения параметров истечения, т.е. скорости истечения и расхода. Длина насадка обычно равна 3 – 4 его диаметрам. Роль насадка может выполнять и отверстие в толстой стенке, когда диаметр отверстия значительно меньше её толщины. Насадки отличаются формой и размерами. Наиболее существенные отличия между насадками состоят в форме входного отверстия, которая может существенно влиять на величину расхода при той же самой площади проходного сечения.

При движении жидкости через насадок, так же как и при движении через отверстие, происходит сжатие струи. Так как сжатая часть струи отделена от атмосферы насадком, то между поверхностями струи и насадка образуется разрежение или вакуум.

В практике применяют насадки различных конструкций (рисунок 8.2).

а – цилиндрический внешний; б – цилиндрический внутренний; в – конический сходящийся; г – конический расходящийся: д – коноидальный

Рисунок 8.2 - Основные типы насадков

Скорость истечения через отверстие в тонкой стенке определяется по формуле (8.1):

φ (8.1)

Расход жидкости через отверстие или насадок определяется по формуле (8.2):

(8.2)

Значение коэффициента скорости принимают в пределах φ=0,97-0,98.

Таблица 8.1 - Коэффициент расхода для насадков различных типов

Тип насадка	µ
Внешний цилиндрический	0,82
Внутренний цилиндрический	0,71
Сходящийся конический	0,92
Расходящийся конический	0,57
Коноидальный	0,97

Таблица 8.2 – Зависимость плотности воды от температуры

Температура, °С	Плотность, кг/м3	Температура, °С	Плотность, кг/м3	Температура, °С	Плотность, кг/м3
75	974.89	84	969.30	93	963.30
76	974.29	85	968.65	94	962.61
77	973.68	86	968.00	95	961.92
78	973.07	87	967.24	96	961.22
79	972.45	88	966.68	97	960.51
80	972.83	89	966.01	98	959.81
81	971.23	90	965.34	99	959.09
82	970.57	91	964.67
83	969.94	92	963.99

2 Задания для выполнения работы

По варианту, равному порядковому номеру в журнале, решите следующие задачи, оформив их по стандартной форме.

	На оценку «3»	На оценку «4»	На оценку «5»
Номера задач	1,2,3	1,2,3,4	1,2,3,4,5

8-1. Определить скорость истечения и расход нефтепродукта из резервуара через круглое отверстие диаметром d = (10 + вариант)см, если превышение уровня жидкости над центром отверстия Н = (5 + 0,1 · вариант) м. Коэффициент расхода для отверстия в тонкой стенке принять равным µ = 0,62.

Скорость истечения можно определить по формуле (8.1), расход – по формуле (8.2). Предварительно заданные единицы измерения перевести в систему СИ.

8-2. Определить утечку воды из тепловой сети через образовавшееся в результате аварии отверстие в стенке трубопровода. Избыточное давление в сети p_изб = 4 кгс/см², температура воды t = (75 + вариант) ⁰С, площадь отверстия F = (1 + 0,1· вариант) см². Коэффициент расхода отверстия µ = 0,6.

Объемный расход жидкости можно определить по формуле (8.2), массовый расход – как произведение объемного расхода и плотности. Предварительно заданные единицы измерения перевести в систему СИ. Избыточное давление задано для определения Н по формуле гидростатического давления р = ρgН. Температура задана для уточнения значения плотности воды.

8-3.Определить количество воды, поступающее в корпус судна через пробоину площадью F = (0,1 + 0,01· вариант) м² в течение Т = 1 часа, если центр пробоины расположен на Н = (5 + 0,1 · вариант) метров ниже уровня воды за бортом. Коэффициент расхода µ = 0,6.

По секундному расходу жидкости, который можно определить по формуле (8.2), определите часовой расход.

8-4. Определите скорость истечения жидкости и расход через внешний цилиндрический насадок диаметромd = (25 + вариант) мм, расположенный в нижней части резервуара высотой Н = (4 + 0,1· вариант) метра, если резервуар заполнен наполовину.

Скорость истечения можно определить по формуле (8.1), расход – по формуле (8.2). Предварительно заданные единицы измерения перевести в систему СИ.

8-5. Определить расход и скорость истечения воды, вытекающей из бассейна:

А) через отверстие в стенке;

Б) через внутренний цилиндрический насадок;

В) через внешний цилиндрический насадок;

Г) через коноидальный насадок.

Внутренний диаметр выходных отверстий d = (100 + вариант)мм. Высота уровня воды над центром отверстия Н = (3 + 0,1· вариант) м.

Скорость истечения можно определить по формуле (8.1), расход – по формуле (8.2). Предварительно заданные единицы измерения перевести в систему СИ.

3 Примеры решения и оформления задач:

1. Определить скорость истечения и расход воды из бака через круглое отверстие диаметром d = 20 см, если превышение уровня воды над центром отверстия Н = 2м. Коэффициент расхода µ = 0,62.

Дано: d = 20 см Н=2м µ= 0,62 ________ v - ? V - ?

СИ: 0,2 м

Решение: Примем  = 0,97. Скорость истечения через отверстие в тонкой стенке определим по формуле φ = 0,97 Расход воды определим по формуле Площадь сечения круглого отверстия определим как площадь круга = 0,314 м2. Тогда м3/с Ответ: v = 5,85 м/с,V = 1,14 м3/с

1. Определить утечку воды из тепловой сети через образовавшееся в результате аварии отверстие в стенке трубопровода. Избыточное давление в сети p_изб = 4 кгс/см², температура воды t = 75 ⁰С, площадь отверстия F = 1 см². Коэффициент расхода отверстия µ = 0,6 .

Дано: pизб = 4 кгс/см2 t = 75 0С F = 1 см2 µ= 0,6 __________ m - ?

СИ: 4 · 9,81 ·104 Па 1 · 10-4 м2

Решение: По справочным таблицам плотность воды при температуре 75 0С равна 974,89 кг/м3. Из формулы р = ρgН определим Н = р / ρg = 4 · 9,81 ·104 / 974,89 · 9,81 = 41,03 м. Примем  = 0,97. Скорость истечения через отверстие в тонкой стенке определяется по формуле φ Расход воды определим по формуле m = 0,6 ·1 · 10-4· 0.97 · ·974,89 = 1,6 кг/с Ответ: m = 1,6 кг/с

1. Контрольные вопросы

1. Как определить скорость истечения и расход через отверстие в тонкой стенке?

2. В каком случае происходит совершенное сжатие струи?

3. В каком случае происходит несовершенное сжатие струи?

4. Как определить степень сжатия струи?

5. Коэффициент скорости.

6. Коэффициент расхода.

7. Виды насадков.

8. Какой насадок наиболее экономичный?

9. Как влияет на скорость истечения и расход форма отверстия и его расположение?

10. Как влияют насадки на скорость истечения и расход?

Вывод: В ходе выполнения практической работы изучили …., приобрели практические навыки ….

ИНСТРУКЦИОННАЯ КАРТА №9

по дисциплине «Гидравлика»

Тема 1.2 «Основные физические свойства жидкости»

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

Тема: «Определение плотности и вязкости жидкости»

 

Цель работы: освоение техники измерения плотности, вязкости жидкостей.

Литература:

1. В.Г. Ерохин, М.Г. Маханько «Сборник задач по основам гидравлики и теплотехники», М.: «Энергия», 1979, стр. 24.

2. Е.З. Рабинович Гидравлика – М: Недра,1980

Оборудование и принадлежности: инструкционная карта, калькулятор, справочные таблицы, термометр, ареометр, вискозиметр, капиллярный вискозиметр.

1. Общие сведения

1.1 Измерение плотности жидкостей и газов

Плотность жидкостей измеряется путем взвешивания сосуда с точно известным объемом - мерной колбой, мензуркой, пипеткой. Для прецизионных измерений используют ампулы с точно известным объемом - пикнометры. Объем пикнометра наиболее точно можно определить, взвешивая его с какой-либо стандартной жидкостью - с водой или с четыреххлористым углеродом. Взвешивая пикнометр с водой или исследуемой жидкостью, плотность определяют по формуле (9.1):

(9.1)

где m_ж - масса жидкости;

m_п - масса пикнометра;

m_в - масса воды;

ρ_в - плотность воды при данной температуре.

Плотность газов определяется из основных соотношений молекулярной физики, определяющих, что один моль идеального газа занимает при нормальных условиях объем в 22,4 л (т. н. молекулярный объем). При произвольной температуре Т и давлении р в атмосферах молярный объем равен по формуле (9.2):

, (9.2)

где Т - абсолютная температура,К;

р – давление, Па;

R - универсальная газовая постоянная.

Классификация ареометров

Различают ареометры постоянного объема и ареометры по­стоянной массы. Ареометр постоянного объема погружается в жидкость всегда на одну и ту же глубину, в то время как глубина погружения ареометра постоянной массы различна в зависимости от плотности испытуемой жидкости.

Ареометры постоянной массы по своему назначению делятся на две группы:

1) для измерения плотности жидкостей (называются денсиметрами); шкалы денсиметров градуированы в единицах плотности;

2) для измерения концентрации растворов; шкалы этих ареометров градуированы в процентах по объему или массе.

Денсиметры подразделяются на:

а) денсиметры общего назначения, служащие для измерения плотности различных жидкостей легче и тяжелее воды (водные растворы кислот, солей, щелочей и др.);

б) нефтеденсиметры (для измерения плотности нефтепродуктом);

в) лактоденсиметры (для измерения плотности молока и сыворотки);

г) денсиметры для морской воды;

д) урометры (для измерения плотности мочи);

е) аккумуляторные денсиметры (для измерения плотности раствора электролита в аккумуляторах);

ж) денсиметры АК (для жидкостей типа кислот).

К ареометрам для измерения концентрации растворов относятся:

а) спиртомеры - для измерения крепости (концентрации) водноспиртовых растворов, определяемой процентным (по объему) содержанием безводного спирта в растворе;

б) сахаромеры - для определения процентного (по массе) содержания сухих веществ в сахарных растворах;

в) клеемеры - для определения концентрации клеевых растворов, выраженной процентным (по массе) содержанием костного клея в воде;

г) гидрометры - для определения процентного (по объему) содержания этиленгликоля в его водном растворе.

1.2 Измерение вязкости

Приборы для измерения вязкости называются вискозиметрами. В вискозиметрах используются два разных принципа:

- по скорости вытекания жидкости из малого отверстия или из капилляра;

- по скорости падения шарика в вязкой жидкости.

Первый принцип основан на формуле Пуазейля, дающей зависимость (9.3) между объемом жидкости, вытекающей из трубки радиусом R и длиной l:

(9.3)

 

где P₁ и P₂ - давление на торцах трубки, Па;

R - радиус трубки, м;

l- длина, м;

t - время вытекания.с.

Второй принцип измерения вязкости основан на измерении скорости падения шара в вязкой среде по формуле (9.4) (формула Стокса):

  (9.4)

где v -скорость падения шара в жидкости, м/с;

ρ - плотность материала шара, кг/м³;

ρ' - плотность жидкости, кг/м³;

r - радиус шара, м.

Одним из широко используемых приборов для измерения вязкости является вискозиметр Энглера, в котором измеряется время вытекания 200 г. жидкости по сравнению со временем вытекания 200 г воды через то же отверстие. Вязкость измеряют в градусах Энглера, что соответствует отношению времени вытекания жидкости ко времени вытекания воды при тех же условиях. Соотношение между Пуазами и градусами Энглера дается формулой (9.5):

, (9.5)

где ρ - плотность жидкости, г/см³.

Вязкость, обозначенная в формуле (9.5) и определенная через силу сопротивления движению называется еще динамической вязкостью. Существует понятие  кинематической вязкости - это вязкость, отнесенная к единичной плотности по формуле (9.6):

  (9.6)

Измеряется кинематическая вязкость в единицах м² /сек в системе СИ. Та же единица в СГС-системе называется  стоксом, т. е. 1 Стокс = 10^-4 м²/с.

Обратная вязкости величина называется  текучестью и определяется по формуле (9.7):

  , (9.7)

1. Ход работы:

1. Измерение плотности жидкости ареометром

Порядок выполнения работы:

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

2) Вычислить плотность жидкости по формуле (9.8):

(9.8)

где m и d –масса и диаметр ареометра.

Эта формула получена путем приравнивания силы тяжести ареометра G=mg и выталкивающей (архимедовой) силы P_A=pgw , где объем погруженной части ареометра w= ( d²/4)h.

3) Сравнить опытные значения плотности ρ со справочным значением ρ*. Значение использованных величин свести в таблицу, оставив только свой вариант.

 

Вариант	Вид жидкости	Температура, 0С	m, г	d, см	h ,см	ρ*,г/см3	, г/см3
	Вода	20	7	1	8,9	0,99823
	Вода	30	7	1	8,9	0,99567
	Вода	40	7	1	9,0	0,99224
	Вода	50	7	1	9,0	0,98807
	Вода	60	7	1	9,1	0,99823
	Вода	20	7	1	8,9	0,99823
	Вода	30	7	1	8,9	0,99567
	Вода	40	7	1	9,0	0,99224
	Вода	50	7	1	9,0	0,98807
	Вода	60	7	1	9,1	0,99823

 

1. Определение вязкости вискозиметром Стокса

Порядок выполнения работы:

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 (9.9):

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

1. Сравнить опытным путем значение коэффициента вязкости   с табличным значением  *. Значения использованных величин свести в таблицу, оставив только свой вариант.

Вариант	Вид жидкости	, кг/м3	t,с	l, м	d, м	D, м	кг/м3	,м2/с	*м2/с
	М-8В	900	13	0,07	0,008	0,02	982		300·10
	ЛЗ-МГ-2	822	8	0,07	0,008	0,02	982		40010-6
	МГЕ-4А	937	29	0,07	0,008	0,02	982		36010-6
	РМ	921	20	0,07	0,008	0,02	982		34010-6
	РМЦ	880	9	0,07	0,008	0,02	982		26510-6
	МГ-7-Б	873	11	0,07	0,008	0,02	982		35010-6
	МГ-10-Б	890	12	0,07	0,008	0,02	982		31510-6
	МГЕ-10А	920	16	0,07	0,008	0,02	982		28010-6
	ВМГЗ	930	24	0,07	0,008	0,02	982		34010-6
	АМГ-10	820	8	0,07	0,008	0,02	982		40010-6

 

1. И змерение вязкости капиллярным вискозиметром

Порядок выполнения работы:

1) Перевернуть устройство в вертикальной плоскости и определить секундомером время стечения через капилляр объема жидкости между метками из емкости вискозиметра и температуру Т по термометру.

2) Вычислить значение кинематического коэффициента вязкостипо формуле (9.10):

  (9.10)

 

где М – постоянная прибора  и сравнить его с табличным значением. Данные свести в таблицу.

 

Вариант	Вид жидкости	М, м2/с2	t,с	, м2/с	T,0С	*, м2/с
	М-8В	366·10	82		50	300·10
	ЛЗ-МГ-2	366·10	109		50	40010-6
	МГЕ-4А	366·10	98		50	36010-6
	РМ	366·10	93		50	34010-6
	РМЦ	366·10	72		50	26510-6
	МГ-7-Б	366·10	96		50	35010-6
	МГ-10-Б	366·10	86		50	31510-6
	МГЕ-10А	366·10	76		50	28010-6
	ВМГЗ	366·10	93		50	34010-6
	АМГ-10	366·10	109		50	40010-6

 

Вывод: В ходе проведения лабораторной работы ознакомились с методами измерения……, приобрели навыки измерения …..

ИНСТРУКЦИОННАЯ КАРТА №10

по дисциплине «Гидравлика»

Тема 4.1 «Режимы движения жидкости»

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2

Тема: «Определение режимов движения жидкости»

Цель: Закрепление практических навыков решения задач на определение числа Рейнольдса, расчета потери напора в трубопроводах по длине.

Литература: 

1. Е.З. Рабинович Гидравлика – М: Недра,1980

2. В.Г. Ерохин, М.Г. Маханько «Сборник задач по основам гидравлики и теплотехники», М.: «Энергия», 1979, стр. 18-33.

Оборудование и принадлежности: инструкционная карта, калькулятор, справочные таблицы.

1. Общие сведения

Визуальное наблюдение за режимами движения жидкости и их количественная оценка были выполнены на установке (рисунок 10.1), представляющей собой резервуар 1, из которого жидкость по прозрачной трубе 2 с краном может вытекать в мерное устройство 3. над резервуаром помещен сосуд 4 с подкрашенной жидкостью, для подачи последней по капилляру в прозрачную трубу.

Рисунок 10.1 – Опыт Рейнольдса

Рейнольдс установил факторы, влияющие на режим движения жидкости: скорость, диаметр трубки, плотность и вязкость жидкости, на основании чего ему удалось определить критерий (критерий Рейнольдса), по которому можно судить о режиме движения жидкости. Критерий Рейнольдса можно определить по формуле (10.1):

(10.1)

где  v – скорость движения жидкости, м/с;

       d – диаметр трубопровода, м;

       - коэффициент динамической вязкости, Н⋅с/м²;

       - коэффициент кинематической вязкости, м²/с.

 

В гидравлических расчетах при получении Re 2320 - турбулентным.

Физический смысл этого критерия заключается в том, что он показывает отношение сил инерции к силам трения. Число Рейнольдса может быть подсчитано для потоков любого геометрического сечения, в том числе для круглого по гидравлическому радиусу, или по другому характерному размеру, например, по зазору в сопрягаемых деталях.

Для определения режима движения жидкости определяют Re_пред по формуле (10.3) и предельную скорость v_пред по формуле (10.4):

(10.3)

где    k – абсолютная шероховатость труб, м;

         d – диаметр трубы, м;

(10.4)

где    ν – коэффициент кинематической вязкости, м²/с.

1. Задания для выполнения работы

1. Изучите установку для проведения опыта по определению режима движения жидкости.

2. По варианту, равному порядковому номеру в журнале, решите следующие задачи, оформив их по стандартной форме.

	на оценку «3»	на оценку «4»	на оценку «5»
Номер задачи	1	1,2	1,2,3

1. Определите режим движения нефти в нефтепроводе диаметром (820 + вариант) мм, если скорость движения нефти составляет (1 + 0,1* вариант) м/с, кинематическая вязкость нефти равна 0,000142 м²/с, абсолютная шероховатость труб k = 5 · 10^-4 м.

Для решения задачи необходимо все значения перевести в систему СИ и определить число Рейнольдса по формуле 10.1 и предельное значение числа Рейнольдса по формуле 10.3. Режим движения определяется при сравнении значений Re с Re_пред.

1. По трубопроводу с внутренним диаметром (530 + вариант) мм транспортируется нефтепродукт. Определите скорость и режим течения нефтепродкута, если известен расход Q = (0,7 + 0,01*вариант) м³ /с и кинематическая вязкость нефтепродукта ν = 0,000142 м²/с.

Для решения задачи необходимо все значения перевести в систему СИ, затем определить фактическую скорость по формуле .и предельную по формуле 10.4. Сравнивая полученные значения, можно сделать вывод о режиме течения жидкости.

1. С какой предельной скоростью должен прокачиваться нефтепродукт с кинематической вязкостью (1,39 + 0,01*вариант) ⋅ 10^-4 м²/с  по трубопроводу с абсолютной шероховатостью труб k = 5 · 10^-4 м.

Для решения задачи необходимо все значения перевести в систему СИ, затем определить предельную скорость по формуле 10.4. Любая скорость меньше предельной обеспечивает ламинарный режим.

1. Пример решения и оформления задач

1. Определите режим движения нефти в нефтепроводе диаметром 820 мм, если скорость движения нефти составляет 1 м/с, кинематическая вязкость нефти равна 0,000142 м²/с, абсолютная шероховатость труб k = 5 · 10^-4 м.

Дано: d = 820 мм k = 5 · 10-4 м v = 1 м/с ν = 0,000142 м2/с ________ режим - ?

СИ: 0,82 м

Решение: Определяем значение числа Рейнольдса по формуле 10.1: Re = v∙d/ = 1∙ 0,82/0б000142 = 5775 Определяем предельное значение числа Рейнольдса по формуле 10.3: Reпред = 568 ∙ d / k = 568 ∙ 0,82 / 0,0005 = 931,5 Так как 5775 931,5, режим турбулентный. Ответ: режим турбулентный

1. Контрольные вопросы

1. Назовите основные режимы движения жидкости.

2. Какой режим движения жидкости называют ламинарным?

3. Какой режим движения жидкости называют турбулентным?

4. По какой формуле определяют критерий Рейнольдса?

Вывод: В ходе выполнения лабораторной работы изучили …., приобрели практические навыки ….

Список использованной литературы

1. В.Г. Ерохин, М.Г. Маханько «Сборник задач по основам гидравлики и теплотехники» - М.: «Энергия», 1979

2. Е.З. Рабинович Гидравлика – М: Недра,1980

3. Шевелев Ф.А. Таблицы для гидравлического расчета стальных, чугунных, асбоцементных, пластмассовых и стеклянных водопроводных труб, изд. 5 - М: Стройиздат, 1973

63