Цель работы:
1. Практически измерить потери напор по длине трубопровода;
2. Графически построить зависимость гидравлического коэффициента трения от числа Рейнольдса λ=f(Rе).
3. Построенный участок кривой λ=f(Rе) следует наложить на известные из литературы графики Никурадзе или Мурина и сделать выводы:
- о зоне сопротивления, которой соответствуют проведенные опыты;
- о величине относительной и эквивалентной шероховатости испытанной трубы.
Теоретическая часть
Задачей работы является экспериментальная иллюстрация формулы, определяющей связь потерь механической энергии потока жидкости по длине трубы с параметрами трубы и течения:
где hg -потери напора (полной механической энергии);
L и d - соответственно длина опытного участка трубы и ее диаметр;
υ - средняя скорость потока;
λ - гидравлический коэффициент трения.
Конечной целью работы является определение коэффициента λ,который, как известно из теории, зависит от числа Рейнольдса
Rе = υ d/ν
где ν - кинематический коэффициент вязкости и относительной шероховатости.
Относительная шероховатость
∆1 = ∆ / d,
где ∆ - средняя высота выступа шероховатости стенки трубы (абсолютная шероховатость).
Эквивалентная шероховатость – такая зернистость шероховатости, при котором сопротивление оказывается таким же, как и при действительной шероховатости.
По результатам измерений и их обработки должен быть построен участок графика зависимости
λ = λ (Rе∆1)
в возможно более широком диапазоне изменения чисел Rе.
Построенный участок кривой λ = λ ( Rе ) следует наложить на известные из литературы графики Никурадзе или Мурина и сделать заключения
- о зоне сопротивления, которой соответствуют проведенные опыты;
- о величине относительной эквивалентной шероховатости испытанной трубы.
Рис. Номограмма Мурина для определения коэффициента гидравлического трения
Рис. График Никурадзе
Исследования трения в трубах с искусственной шероховатостью, выполненные И.И.Никурадзе, позволили установить опытные зависимости λ от Re при различных относительных шероховатостях.
В первой зоне – области ламинарных режимов – для труб круглого сечения независимо от шероховатости значения λ зависят только от Re и определяются по формуле Пуазейля
λ=64/ Re.
Ко второй зоне относятся сопротивления относительно гладких труб и труб, в которых пограничный слой δл больше средней шероховатости. В этой зоне значения λ определяются по формуле Блазиуса.
Третья зона сопротивлений – до перехода кривых λ=f(Rе) в горизонтальные прямые – называется доквадратичной (переходной). В этой зоне на значения λ оказывает влияние не только число Re, но и относительная шероховатость Δ/r.
Четвертая зона – зона квадратичного сопротивления. В этой зоне потеря напора пропорциональна квадрату скорости, а λ зависит только от относитльной шероховатости Δ/r и не зависит от Rе.
Таблица для определения коэффициента гидравлического трения
Порядок проведения измерений
Работа выполняется на модуле М1 (рис. 3). Перепад напоров на исследуемом участке трубы L определяется путем измерений пьезометрических напоров в двух сечениях. Для этого служат пьезометры, соединенные гибкими трубками со штуцерами в исследуемых точках. Разность показаний пьезометров h1 и h2 представляет собой потерю напора по длине
hg = h1 - h2
Средняя скорость течения υ определяется по объемному расходу Q:
υ = Q /S
где S = πd2/4 - площадь поперечного сечения трубы (внутренний диаметр модуля - 16 мм). Расход измеряется с помощью ротаметров (см. рис.3), каждый из которых предназначен на определенный диапазон расходов, указанный на приборах.
Для выполнения работы необходимо:
-включить насос Н1 на панели управления,
-установить необходимый расход с помощью вентилей В2, В1 и выходного вентиля модуля ВЗ.
Наблюдая за столбиками воды в пьезометрических трубках убедиться, что достигнут установившийся режим течения и произвести измерения:
-расхода воды по ротаметрам;
-показаний пьезометров.
Кинематический коэффициент вязкости ν определятся соответственно температуре по справочной литературе.
После выполнения всех измерений и занесения их в таблицу следует с помощью вентиля В3 изменить расход и после достижения установившегося режима повторить измерения. Для получения убедительного участка графика λ = λ ( Rе ) следует выполнить не менее 8-10 опытов. Желательно чтобы они охватывали весь возможный (для данного стенда) диапазон расходов от Qmax до Qmin, при котором величина hg может быть еще достаточно точно измерена.