Методические рекомендации для выполнения лабораторных работ по дисциплине "Гидравлика и гидромеханизация сельскохозяйственных процессов"

Тема I. ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ ДВИЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ

Работа № 1

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕЖИМА ДВИЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ

НА ПРИБОРЕ РЕЙНОЛЬДСА

1. Основные положения

При исследовании движения жидкости важнейшим является вопрос о потерях энергий (напора) или о законах сопротивления. Существование двух режимов движения жидкости с различными сопротивлениями было известно давно. Еще в 1880 г. русский ученый Д.И. Менделеев установил наличие двух режимов движения жидкости.

Но несколько позднее, в 1883 г. английским физиком О. Рейнольдсом были опубликованы его экспериментальные исследования по кинематической структуре потока жидкости. Рейнольдсом было установлено, что в области малых скоростей при значительной вязкости жидкости в малых поперечных размерах потока жидкость течет без перемешивания, как бы отдельными слоями. Такое течение называется струйчатым, а режим движения ламинарным (от латинского слова lamina - слой).

Увеличение скорости движения или размеров потока, уменьшение вязкости приводило к нарушению струйчатого течения. Такой режим движения жидкости был назван турбулентным (от латинского слова turbulentus -беспорядочный).

Визуальные наблюдения за сменой режимов движения можно проводить в стеклянной трубе, подкрашивая центральную струйку протекающей жидкости раствором краски (рис. 1). При переходе от ламинарного режима к турбулентному окрашенная струйка искривляется.

Рис. 1. Режимы движения жидкости.

На режим движения жидкости влияют: скорость движения жидкости, физические свойства жидкости (вязкость, плотность) и поперечные размеры потока. Характеристикой режимов движения является безразмерный критерий, называемый числом Рейнольдса и обозначаемый символом Re.

Re =,                                                

где:  ρ - плотность жидкости;

- средняя скорость движения жидкости;

- динамический коэффициент вязкости;

I - характерный линейный размер потока;

ν - кинематический коэффициент вязкости.

Под величиной I обычно подразумевают диаметр трубопровода d, гидравлический радиус R или глубину открытого потока.

Вязкость жидкости зависит от температуры - с увеличением температуры кинематический коэффициент вязкости уменьшается (табл. 1).

Значение числа Рейнольдса, соответствующее переходу ламинарного движения в турбулентное называется критическим. По исследованиям немецкого гидравлика Шиллера принимается (см²/с) Re _кр= 2320.

Таблица 1.   Значение кинематического коэффициента вязкости γ для воды.

Границы существования того или иного режима движения жидкости определяются двумя критическими числами Рейнольдса - верхним критическим числом Re_кр.в..=13800 и нижним Re_кр.н= 2320 (числа Re подсчитаны по диаметрам труб). При верхнем критическом числе Рейнольдса ламинарный режим переходит в турбулентный, а при нижнем критическом числе турбулентный режим переходит в ламинарный. Между нижним и верхним критическими числами находится так называемая переходная область, где возможны оба режима движения.

2. Цель работы и описание установки

1. Визуальное определение режима движения по движению подкрашенной струйки в прозрачной стеклянной трубе.

2. Определение вида движения по данным опытов (вычисление числа Рейнольдса).

Прибор Рейнольдса состоит из следующих основных элементов (рис. 2): напорного бака 5, заполненного исследуемой жидкостью, к которому присоединена круглая труба 6 диаметром d и площадью сечения , снабженная плавным входом для устранения возмущений, вносимых в поток. Горизонт жидкости в баке 5 поддерживается постоянным при помощи сброса 9.

Рис. 2. Установка для исследования режимов движения жидкости.

В конце трубы 6 установлен кран 7, позволяющий регулировать расход, а следовательно, и скорость течения жидкости в ней. Величина расхода определяется объемным способом. Для этой цели, служит мерный бак 8. Установка снабжена простым устройством для подкрашивания жидкости; над напорным баком 5 расположен другой небольшой бачок 1, наполненный раствором краски; краска передается в трубу 6 через тонкую трубку 4, расход через трубку 4 регулируется краном 2. Температура  воды определяется по термометру 3.

3. Порядок проведения опытов

1. Знакомство с установкой,  способом заполнения системы водой.

2. Опыт начинается с очень малых скоростей течения в трубе 5. Кран открывают слегка и устанавливают медленное течение жидкости. Открытием крана 2 в трубу 6 пускается подкрашенная жидкость. Измеряют расход при ламинарном течении объемным способом: заполняют бак 8 и определяют время его наполнения по секундомеру.

3. Увеличивают расход жидкости по трубе 6 открытием крана 7. Впускаемая струйка подкрашенной жидкости разрывается у входа в трубу 6 и окрашивает всю жидкость в трубе - фиксируют турбулентное течение жидкости. Измеряют расход при турбулентном течении объемным способом.

Во время опытов следят за тем, чтобы уровень воды в напорном баке оставался постоянным и бесперебойно работал сброс.

4. По термометру измеряют температуру воды.

4. Порядок производства вычислений и оформления работы.

1. Расход воды в трубе (см³/с) определяется по формуле:

Q = ,                                                  (1)

где: V - объем воды в баке, см³;

t - время наполнения бака, с.

2. Средняя скорость  движения воды в трубе (см/с):

                                                   (2)

где:  Q - расход жидкости, см³/с;

 - площадь сечения трубы, см².

3. Кинематический коэффициент вязкости ν (см²/с) определяется в зависимости от температуры воды, измеренной в опытах, по таблице 1.

4. Число Рейнольдса определяется по формуле:

,                                              (3)

где: d - диаметр трубы, см.

Схема установки вычерчивается в журнале лабораторных работ, а измерения, выполненные в процессе опыта, и результаты вычислений заносятся в таблицу 2.

Таблица 2