Определение коэффициента гидравлического трения (коэффициента дарси).

Лабораторная работа.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ТРЕНИЯ (КОЭФФИЦИЕНТА ДАРСИ).

1. Цель работы:

- Изучение способов определения коэффициента гидравлического трения;

- Изучение методики экспериментального определения коэффициента гидравлического трения;

- Установление зависимости коэффициента гидравлического трения от числа Рейнольдса.

2. Основные теоретические положения.

В реальных потоках жидкости присутствуют силы вязкого трения. В результате слои жидкости трутся друг об друга в процессе движения. На это трение затрачивается часть энергии потока, по этой причине в процессе движения неизбежны потери энергии. Эта энергия, как и при любом трении, преобразуется в тепловую энергию. Из-за этих потерь энергия потока жидкости по длине потока, и в его направлении постоянно уменьшается, то есть напор потока H в направлении движения потока становится меньше. Если рассмотреть два соседних сечения потока 1-1 и 2-2, то потери гидродинамического напора h составят:

,

где H_1-1 - напор в первом сечении потока жидкости,

H_2-2 - напор во втором сечении потока,

h - потерянный напор - энергия, потерянная каждой единицей веса движущейся жидкости на преодоление сопротивлений на пути потока от сечения 1-1 до сечения 2-2.

С учётом потерь энергии уравнение Бернулли для потока реальной жидкости будет выглядеть

. (1)

Индексами 1 и 2 обозначены характеристики потока в сечениях 1-1 и 2-2.

Если учесть, что характеристики потока – средняя скорость течения u и коэффициент Кориолиса a зависят от геометрии потока, которая для напорных потоков определяется геометрией трубопровода, понятно, что потери энергии (напора) в разных трубопроводах будут изменяться неодинаково.

Выделяют два вида потерь напора – потери на трение по длине трубопровода и местные потери.

Потери на трение по длине.

При течении реальных (вязких) жидкостей по трубам и каналам возникают потери напора, обусловленные внутренним трением. Эти потери пропорциональны длине участка русла, на котором они имеют место, и поэтому они называются потерями на трение по длине.

Гидравлические потери в напорных потоках происходят за счет уменьшения вдоль потока удельной потенциальной энергии жидкости. Удельная кинетическая энергия жидкости в этом случае если и меняется вдоль потока при заданном расходе, то не за счет потерь энергии, а вследствие изменения размеров поперечного сечения русла, так как она зависит только от скорости, а скорость определяется расходом и площадью сечения

В общем случае величина потери на трение по длине определяется по формуле Дарси-Вейсбаха:

, (2)

где u - средняя скорость потока, L – длина участка трубопровода, d – диаметр трубопровода, l - коэффициент гидравлического трения (коэффициент Дарси).

Значение коэффициента l зависит от режима течения жидкости.

При ламинарном режиме течения l зависит только от числа Рейнольдса и может быть найден по формуле:

. (3)

При турбулентном режиме l в общем случае является функцией как числа Re, так и шероховатости поверхности трубопровода (эквивалентная высота выступов шероховатости D). Конкретный вид зависимости зависит от соотношения величин шероховатости и числа Re. Наиболее универсальной для турбулентных течений является формула Альтшуля:

. (4)

3. Описание лабораторной установки.

Гидравлическая принципиальная схема стенда приведена на рисунке 1.

В состав стенда входят гидробак Б, шестеренный насос Н, фильтр Ф, предохранительный клапан КП, регулятор расхода РР, два гидрораспределителя Р1 и Р2, пружинный аккумулятор А, два гидродросселя ДР1 и ДР2, трубопроводы. Привод насоса осуществляется от электродвигателя. Информационно-измерительная система стенда включает 6 манометров (МН1 – МН6, манометр МН5 – электроконтактный с двумя управляемыми контактами), расходомер скоростного типа РА, термометр Т и электронный секундомер.

Управление гидрораспределителями осуществляется тумблерами Р1 и Р2.

При установке тумблера в положение “РУЧН.” электронный секундомер используется для определения времени прохождения через расходомер РА заданного объема жидкости (с тем, чтобы в дальнейшем определять расход жидкости в трубопроводе).

Рис. 1 Схема гидравлическая принципиальная стенда

Питание секундомера включается тумблером “Вкл.”, начало отсчета времени – тумблером “Счет.”, сброс показаний электронного табло – кнопкой “Сброс”. При нажатии кнопки “Сброс” секундомер не должен производить отсчет времени, то есть тумблер “Счет” необходимо переключить в нижнее положение.

Исследуемым в данной работе участком является участок ab.

4. Порядок выполнения:

4.1. Включить питание стенда;

4.2. Включить питание электродвигателя;

4.3. Включить тумблер Р1 в положение “Вкл.”.

4.4. Дать возможность поработать установке в течение 5 – 6 минут.

4.5. При различных значениях расхода зарегистрировать по манометрам МН1 и МН2 давления P_a и P_b, а также время прохождения через расходомер заданного объема рабочей жидкости и температуру жидкости. Результаты измерений занести в таблицу в протоколе испытаний.

4.6. После выполнения всех опытов отключить питание электронного секундомера, электродвигателя и стенда.

5. Обработка результатов измерений:

5.1. Для каждого отсчёта с помощью уравнения Бернулли (1) вычислить потерю напора на трение h_тр.

5.2. Рассчитать для каждого опыта значения скорости течения и числа Рейнольдса:

, (5)

, (6)

где S – площадь поперечного сечения трубопровода.

. (7),

где d – внутренний диаметр трубопровода, n - коэффициент кинематической вязкости жидкости, который находится в зависимости от температуры по таблице 1.

Таблица 1. Коэффициент кинематической вязкости масла при различных температурах

t °C
ν, м^2/с	400·10^-6	250·10^-6	160·10^-6	120·10^-6	90·10^-6	70·10^-6

5.3. С помощью формулы Дарси-Вейсбаха (2), зная величину потерь напора h_тр, выразить для каждого опыта коэффициент гидравлического трения l.

5.4. С помощью формулы (3) или (4) – в зависимости от наблюдаемого режима течения – вычислить теоретические значения коэффициента гидравлического трения l^¢.

5.5. Результаты расчётов занести в таблицу 2.

Таблица 2

№	u, м/с	Du, м/с	Re	l	Dl	l^¢

5.6. Построить в одной координатной плоскости графики зависимости и .

5.7. Рассчитать погрешности измерений, результаты занести в таблицу 2.

6. Содержание отчёта.

Отчёт по лабораторной работе должен содержать:

- краткие теоретические положения;

- схему экспериментальной установки;

- протокол испытаний;

- обработку результатов опыта;

- график зависимости и ;

- анализ полученных результатов.

Протокол испытаний

Лабораторная работа № Определение коэффициента гидравлического трения.

Группа:

Дата испытаний:

Исполнители:

Исходные данные:

Внутренний диаметр трубопроводов d = м

Длина исследуемого участка l = м

Плотность масла r = кг/м³

Результаты испытаний:

№	V, м^3	t, с	T, ^0С	Pa, МПа	Pb, МПа

Подпись исполнителей

Подпись преподавателя

Дата добавления: 2015-08-27