Короткая напорная водопропускная труба (кульверт)





Лабораторная работа № 29

 

 
 

 

 


Рис. 29.1. Экспериментальная установка для исследования гидравлического

сопротивления и пропускной способности напорных коротких труб

 

Цель работы – экспериментальное исследование гидравлического сопротивления и пропускной способности напорных коротких труб круглого и квадратного сечения.

Водопропускные трубы могут быть напорными, полунапорными и безнапорными. К напорным водопропускным трубам относятся трубы полностью заполненные водой, при этом уровень свободной поверхности воды перед входом в такую трубу находится выше отметки её потолка. Такие трубы называют также напорными трубопроводами. Как показала практика напорный режим течения в трубе имеет место при

 

  или , (29.1)

где hвб – глубина воды перед входом в трубу; d и a – диаметр круглой (рис. 29.1), высота прямоугольной или сторона квадратной (рис. 29.2) трубы.

 
 

 


Рис. 29.2. Экспериментальная установка с трубой квадратного сечения

 

Снижение напора в напорных трубах при преодолении гидравлических сопротивлений называют гидравлическими потерями и обозначают hw. Гидравлические потери делят на два типа:

– потери напора по длине прямых участков труб постоянного поперечного сечения с равномерным течением в них (линейные потери)

 

  , (29.2)

 

затрачиваемые на преодоление сопротивления вязкого трения жидкости о стенки трубопровода;

– местные потери напора (вихревые потери)

 

  , (29.3)

вызванные такими элементами трубопроводов, в которых вследствие изменения размеров или конфигурации труб происходит изменение вектора скорости течения (его модуля или направления), трансформация профиля скоростей течения, формирование вихревых зон и зон отрыва потока от стенок.

В формулах Дарси – Вейсбаха (29.2) и Вейсбаха (29.3): l и z – коэффициенты гидравлического трения и местного сопротивления, при гидравлических расчетах определяемые по справочным данным [2, 3, 6, 7]; g – ускорение свободного падения, g = 9,81 м/с2; l и R – соответственно длина и гидравлический радиус трубопроводов круглого

 

  (29.4)

и квадратного сечения

 

  ; (29.5)

V – средняя (среднерасходная) скорость потока

 

  ; (29.6)

Q – пропускаемый по трубе расход; w – площадь поперечного сечения трубы на прямом участке или после местного сопротивления

– для трубы круглого сечения

 

  , (29.7)

– для квадратной трубы

 

  ; (29.8)

С – коэффициент Шези

 

  ; (29.9)

n – коэффициент шероховатости стенок трубы, при гидравлических расчетах определяемый по справочным данным [2, 3, 6, 7].

При расчете потерь напора в трубопроводе используется принцип сложения, согласно которому общие гидравлические потери равны сумме потерь на гидравлическое трение по длине участков с равномерным движением жидкости и на всех местных гидравлических сопротивлениях

 

  , (29.10)

 

где I и J – количество прямых участков трубопровода с постоянным поперечным сечением и местных гидравлических сопротивлений по его трассе.

При трубопроводы называют весьма короткими, при – длинными. В первом случае при гидравлическом расчете учитываются только местные потери напора, во втором – только линейные.

В настоящей лабораторной работе рассматривается наиболее общий случай, при котором следует учитывать суммарные гидравлические потери, как по длине, так и местные в соответствии с равенством (29.10). Такие трубопроводы называюткороткими.

Рассмотрим два типичных напорных коротких трубопровода: круглого и квадратного поперечного сечения. На лабораторной экспериментальной установке, показанной на рис. 29.1 – 29.3, длина труб составляет l = 1,21 м, при этом труба круглого сечения имеет диаметр равный d = 150 мм, квадратная труба имеет размеры поперечного сечения а = 133 на 133 мм. При этом площадь поперечного сечения круглой и квадратной труб одинакова w = 0,017671 м2.

 

 
 

 


Рис. 29.3. Основные конструктивные размеры экспериментальных коротких труб круглого и квадратного сечения (размеры в миллиметрах)

 

Поскольку трубы экспериментальной лабораторной установки имеют постоянное сечение по длине, то гидравлические потери в них составляют

 

  , (29.11)

 

где Sz – суммарный коэффициент гидравлического сопротивления трубы

 

  ; (29.12)

 

zвх – коэффициент гидравлического сопротивления на входе потока в трубу

 

  ; (29.13)

 

e – коэффициент сжатия потока на входе в трубу

 

  ; (29.14)

 

m – отношение площади поперечного сечения трубы к площади живого сечения потока перед входом в трубу в верхнем бьефе

 

  ; (29.15)

 

В – ширина русла или канала в верхнем бьефе перед входом в трубу, равная на модели ширине лабораторного лотка В = 311 мм (см. рис. 29.1 и 29.2).

Пропускная способность напорных коротких труб, т.е. пропускаемый ими расход, вычисляется по формуле

 

  , (29.16)

 

полученной с использованием уравнения Бернулли, записанного для сечений в верхнем бьефе перед входом в трубу и на её выходе (см. рис. 29.1 и 29.2)

 

  , (29.17)

 

гдеa – коэффициент Кориолиса, a = 1,03; hвых – глубина потока на выходе из трубы; V0 – средняя скорость потока в верхнем бьефе на подходе к трубе

 

  ; (29.18)

 

m – коэффициент расхода трубы

 

  ; (29.19)

Н0 – гидродинамический напор, равный разности горизонтов воды перед входом и выходом трубы с учетом скоростного напора в верхнем бьефе

 

  ; (29.20)

Н – геометрический (гидростатический) напор

 

  . (29.21)

При гидравлическом расчете потерь напора и пропускной способности трубы её размеры d или a, ширина канала B, где она установлена, а также гидродинамический напор Н0 и глубина в верхнем бьефе hвб должны быть известны или заданы. В этом случае вычисления выполняют прямым счетом в соответствии с изложенным методом. А именно: согласно справочным данным [2, 3, 6, 7] определяют или вычисляют коэффициенты гидравлического трения l, шероховатости стенок трубы n, Шези С, гидравлического сопротивления на входе потока в трубу zвх, суммарный коэффициент гидравлического сопротивления трубы Sz, коэффициент расхода m; после чего находят величину пропускаемого расхода Q, потерь напора в трубе hw и глубину потока на выходе из трубы hвых. В заключении по формуле А.Д. Альтшуля [6] вычисляют потери напора на начальном участке канала нижнего бьефа при внезапном расширении потока после выхода из трубы

 

  , (29.22)

 

где hнб – глубина потока в отводящем канале нижнего бьефа (см. рис. 29.1); Vнб – скорость потока в отводящем канале нижнего бьефа

 

  . (29.23)

 

При малой разнице в глубинах hнб и hвых формула А.Д. Альтшуля (29.22) сводится к формуле Борда [3, 6, 7]

 

  . (29.24)

 

Если вместо гидродинамического напора Н0 известна или задана глубина потока в отводящем канале нижнего бьефа hнб (см. рис. 29.1), то алгоритм расчета после определения коэффициентов l, n, С, zвх, Sz и m изменяется. Задается пропускаемый трубой расход Q, по которому, согласно равенству (29.16) вычисляют гидродинамический напор Н0, а затем – критическую глубину потока

 

  , (29.25)

 

и глубину потока на выходе из трубы

 

  . (29.26)

 

Последняя формула получена из уравнений А.Д. Альтшуля (29.22) и Бернулли

 

  , (29.27)

 

записанного для створов выхода потока из трубы и в конце начального участка канала нижнего бьефа, при этом в уравнении (29.27) принимается a = 1,00.

Дальнейший расчет потерь напора в трубе hw и на начальном участке канала нижнего бьефа hм.вр остаётся прежним.

Из равенств (29.2) и (29.6) также следует, что скоростная характеристика напорной прямой трубы постоянного сечения равна

 

  , (29.28)

 

а её расходная характеристика (модуль расхода) составляет

  , (29.29)

 

где J – гидравлический уклон напорной прямой трубы постоянного сечения

 

  . (29.30)

 

Таким образом, пропускная способность напорного трубопровода может также определяться по его модулю расхода и гидравлическому уклону

 

  . (29.31)

 

Основной задачей лабораторной работы является расчетно-опытная проверка соответствия изложенного метода гидравлического расчета сопротивления и пропускной способности напорных коротких труб круглого и квадратного сечения экспериментальным данным.

Следует отметить, что изложенный метод гидравлического расчета справедлив только при турбулентном движении жидкости в области квадратичного сопротивления труб (автомодельной области) при высоких числах Рейнольдса

 

  , (29.32)

 

где n – коэффициент молекулярной кинематической вязкости воды, функция связи коэффициента кинематической вязкости с температурой воды приведена в справочнике [6, стр. 13, табл. б/н]. Таким образом, на натурных объектах при высоких скоростях и линейных размерах потоков изложенный метод расчета справедлив, на лабораторных моделях – не всегда. Такое обстоятельство следует учитывать при анализе полученных экспериментальных результатов, выделяя область квадратичного сопротивления, в которой коэффициенты сопротивлений перестают зависеть от числа Рейнольдса. В этом случае говорят течение автомодельно по Рейнольдсу.

Методика выполнения лабораторной работы.

1. Перед выполнением лабораторной работы установите гидравлический лоток и регулируемый переливной порог в его отводящем участке в горизонтальное положение. В средней части рабочего участка лотка установите модель короткой напорной водопропускной трубы круглого поперечного сечения (рис. 29.1). Модель установите таким образом, чтобы иметь возможность выполнять измерения глубин потока в верхнем бьефе перед входом в трубу (hвб), на выходе из неё (hвых) и в отводящем канале нижнего бьефа (hнб) одновременно с помощью шпиценмасштабов и по пьезометрическому щиту. Обратите внимание на направление движения потока по лотку. Выгните резиновые уплотнения напорной грани модели навстречу движению потока воды в лотке, а резиновые уплотнения низовой грани – против движения потока. Уплотнения не должны быть скручены и должны прилегать к стеклянным стенкам лотка. Убедитесь, что после монтажа модели в лотке не осталось незакрепленных или посторонних предметов, например, винтов, инструментов, протирочных материалов.

2. На трех инструментальных каретках установите электронные шпиценмасштабы (см. рис. 1.6 в лабораторной работе № 1). Для измерения глубины потока в верхнем бьефе (hвб) расположите первую каретку перед моделью короткой напорной трубы таким образом, чтобы игла шпиценмасштаба находилась на расстоянии L = -0,500 м от напорной грани модели. Вторую каретку с электронным шпиценмасштабом установите в створе выходного сечения трубы для измерения глубины hвых (рис. 29.1 и 29.2). Третью каретку с электронным шпиценмасштабом расположите в нижнем бьефе на таком расстоянии от выходного сечения трубы, на котором глубина потока в лотке стабилизируется и может приниматься равной глубине в отводящем канале нижнего бьефа hнб (рис. 29.1). Выставьте нули всех шпиценмасштабов по отметкам дна лотка в створах измерения перечисленных глубин.

3. На пульте управления режимом работы лабораторного лотка или управляющем компьютере задайте пропускаемый по лотку расход 5÷10 м3/час. Включите насос лотка.

4. Регулирующим переливным порогом в отводящем участке лотка надвиньте гидравлический прыжок на низовую грань модели короткой трубы. Отрегулируйте положение гидравлического прыжка таким образом, чтобы глубина потока на выходе из трубы hвых (рис. 29.1 и 29.2) обеспечивала подтопление её выходного сечения, при котором отметка потолка трубы ниже отметки уровня свободной поверхности потока в нижнем бьефе. Это позволяет получить напорное течение жидкости по всей длине трубы.

5. Перед выполнением программы опытов выполните измерение температуры воды в лотке и определите её коэффициент кинематической вязкости n, для определения коэффициента кинематической вязкости воды используйте данные справочника [6, стр. 13, табл. б/н]. Запишите температуру и вязкость воды в строку над табл. 29.1 (приведена ниже) при выполнении опытов на круглой трубе или в строку над табл. 29.3 (приведена ниже) при выполнении опытов на квадратной трубе.

6. После стабилизации уровня верхнего бьефа перед моделью напорной короткой трубы и гидравлического режима работы лотка (время стабилизации около трех – пяти минут) выполните измерения и запишите в строку табл. 29.1, соответствующую номеру опыта (№), следующих экспериментальных данных:

- пропускаемого расхода Q (измеряется электромагнитным расходомером класса точности 0,3 с диапазоном измерений 0÷150 м3/час);

- глубины потока в верхнем бьефе hвб (измерение производится электронным шпиценмасштабом, выставленным на ноль на отметке дна лотка);

- глубины потока в лотке на выходе из трубы hвых (измерение производится вторым электронным шпиценмасштабом, выставленным на ноль на отметке дна лотка);

- глубины потока в отводящем канале нижнего бьефа hнб (измерение производится третьим электронным шпиценмасштабом, выставленным на ноль на отметке дна лотка).

7. Увеличьте расход потока на 5÷10 м3/час.

8. Далее повторите действия от пункта 6 до пункта 7. Повторите опыты несколько раз. Последний эксперимент выполните при предельно высоком расходе около 115 м3/час.

9. После выполнения пункта 8 выключите насос и производите перемонтаж экспериментальной установки. Для этого перевернув кульверт, замените рабочую напорную короткую трубу круглого сечения на трубу квадратного сечения. После выполнения перемонтажа убедитесь, что в лотке не осталось незакрепленных или посторонних предметов, например, винтов, инструментов, протирочных материалов.

10. Далее повторите действия от пункта 3 до пункта 8 включительно. При выполнении пункта 6 измеренные значения расхода Q и глубин hвб, hвых и hнб запишите в табл. 29.3 для трубы квадратного сечения.

11. После выполнения программы опытов выключите насос и приборы.

12. Далее выполните камеральную обработку и анализ результатов проведенных экспериментальных исследований.

13. В табл. 29.1 и 29.3 наряду с непосредственно измеренными значениями расходов Q и глубин hвб, hвых, hнб запишите результаты вычислений:

– гидродинамических напоров Н0 (см. формулу (29.20));

– коэффициентов расхода m, приводя формулу (29.16) к виду,

 

  ; (29.33)

 

– суммарных коэффициентов гидравлического сопротивления труб

 

  , (29.34)

 

гдеa – коэффициент Кориолиса, a = 1,03;

– суммарных гидравлических потерь в трубах hw ( см. формулу (29.11));

– коэффициентов гидравлического сопротивления на входе в трубу zвх (см. формулу (29.13));

– коэффициентов гидравлического трения, приводя формулу (29.16) к виду,

 

  ; (29.35)

– коэффициентов шероховатости труб, равных согласно (29.9)

 

  ; (29.36)

– скоростных характеристик (W) и модулей расхода (K) напорных коротких труб круглого и квадратного сечений (см. формулы (29.9), (29.28) и (29.29));

– гидравлических потерь на начальном участке канала нижнего бьефа при внезапном расширении потока после выхода из трубы hм.вр (см. формулу (29.22));

– коэффициентов гидравлического сопротивления при выходе потока из трубы в канал нижнего бьефа

 

  , (29.37)

 

отнесенных к скоростному напору потока в трубе;

– чисел Рейнольдса (см. формулу (29.32).

14. В табл. 29.2 и 29.4 (приведены ниже) в соответствии с конструктивными размерами моделей напорных коротких труб круглого и квадратного сечения и изменяемыми в процессе опытов исходными данными, в число которых входят значения варьируемых расходов Q и глубин потока в верхнем hвб и нижнем hнб бьефах (см. табл. 29.1 и 29.3) вычислите и запишите расчетные значения:

- коэффициентов гидравлического сопротивления входных сечений труб zвх (см. формулу (29.13));

- коэффициентов Шези С (см. формулу (29.9)), где коэффициент шероховатости принят по справочным данным [2, 3 6, 7] равным n = 0,009;

- коэффициентов гидравлического трения по длине l (см. формулу (29.9), приведённую к виду)

 

  ; (29.38)

 

- расчетных скоростных характеристик (W) и модулей расхода (K) напорных коротких труб круглого и квадратного сечений (см. формулы (29.9), (29.28) и (29.29));

- суммарных коэффициентов гидравлического сопротивления труб Sz (см. формулу (29.12));

- гидравлических потерь в коротких напорных трубах круглого и квадратного сечения hw (см. формулу (29.11));

- коэффициентов расхода m (см. формулу (29.19));

- гидродинамических напоров Н0 (см. формулу (29.16), приводя её к виду)

 

  ; (29.39)

 

- глубины потока в лотке на выходе из трубы hвых, приводя формулы (29.20) и (29.21) к расчетному равенству

 

  ; (29.40)

- гидравлических потерь на начальном участке канала нижнего бьефа при внезапном расширении потока после выхода из трубы hм.вр (см. формулу (29.22));

- коэффициентов гидравлического сопротивления при выходе потока из трубы в канал нижнего бьефа, отнесенных к скоростному напору потока в трубе (см. формулу (29.37)).

15. По результатам вычислений табл. 29.1 – 29.4 на двух листах миллиметровой бумаги формата А4 (210´297 мм) отдельно для каждой трубы постройте графики экспериментальных и расчетных напор – расходных QH0 характеристик коротких труб круглого и квадратного сечения (H0 = f(Q)). На графиках покажите экспериментальные точки замеров, расчетные графики покажите сплошными плавными линиями тренда. На тех же форматках покажите экспериментальные (точки) и расчетные (сплошные плавные линии тренда) графики экспериментальных и расчетных суммарных гидравлических потерь в пределах проточного тракта труб hw = f(Q) и потерь за их пределами на выходе в нижний бьеф hм.вр = f(Q).

16. По результатам вычислений табл. 29.1 и 29.3 на двух листах миллиметровой бумаги формата А4 (210´297 мм) постройте графики функций изменения от числа Рейнольдса (Re) следующих экспериментальные характеристик коротких напорных труб круглого и квадратного сечения:

– на первом листе для исследованных труб покажите графики коэффициентов их гидравлического трения (l = f(Re)), коэффициентов шероховатости (n = f(Re)), коэффициентов гидравлического сопротивления на входе (zвх = f(Re)), и коэффициентов внезапного расширения на выходе (zвр = f(Re));

– на втором листе для исследованных труб покажите графики их коэффициентов расхода (m = f(Re)), скоростных характеристик (W= f(Re)) и модулей расхода (K = f(Re)).

На графиках укажите экспериментальные точки замеров, которые соединяются плавными линиями тренда. Графики, относящиеся к трубам разного сечения, показываются разным цветом карандаша.

17. Выполните сопоставительный анализ экспериментальных и расчетных данных. Дайте оценку соответствия экспериментальных и расчетных данных: хорошее соответствие, удовлетворительное, несоответствие.


 

 

Таблица 29.1. Экспериментальное исследование гидравлических сопротивлений и пропускной способности

напорной короткой трубы круглого сечения диаметром d = 150 мм и длиной l = 1210 мм

(температура воды t = ______оС, коэффициент кинематической вязкости воды n =________м2/с)

Опытные данные Обработка опытных данных
Q, hвб hвых hнб Н0 m Sz hw zвх l n W K hм.вр zвр Re
м3/час мм мм мм м м м/с м3 м
                               
                               
                               
                               
                               
                               
                               
                               
                               
                               
                               
                               

 

Таблица 29.2. Расчетные гидравлические сопротивления и пропускная способность напорной

короткой трубы круглого сечения диаметром d = 150 мм и длиной l = 1210 мм

(коэффициент шероховатости трубы п = 0,009 )

Исходные данные Расчетные данные
Q, hвб hнб zвх С l W K Sz hw m Н0 hвых hм.вр zвр
м3/час м м м0,5 м/с м3 м м м м
                             
                             
                             
                             
                             
                             
                             
                             
                             
                             
                             
                             

 

Таблица 29.3. Экспериментальное исследование гидравлических сопротивлений и пропускной способности

напорной короткой трубы квадратного сечения с размерами а = 133 на 133 мм и длиной l = 1210 мм

(температура воды t = ______оС, коэффициент кинематической вязкости воды n =________м2/с)

Опытные данные Обработка опытных данных
Q, hвб hвых hнб Н0 m Sz hw zвх l n W K hм.вр zвр Re
м3/час мм мм мм м м м/с м3 м
                               
                               
                               
                               
                               
                               
                               
                               
                               
                               
                               
                               

 

Таблица 29.4. Расчетные гидравлические сопротивления и пропускная способность напорной

короткой трубы квадратного сечения с размерами а = 133 на 133 мм и длиной l = 1210 мм

(коэффициент шероховатости трубы п = 0,009 )





Читайте также:
Определение понятия «общество: Понятие «общество» употребляется в узком и широком...
Функции, которые должен выполнять администратор стоматологической клиники: На администратора стоматологического учреждения возлагается серьезная ...
Средневековье: основные этапы и закономерности развития: Эпоху Античности в Европе сменяет Средневековье. С чем связано...
Основные направления модернизма: главной целью модернизма является создание...

Рекомендуемые страницы:



Вам нужно быстро и легко написать вашу работу? Тогда вам сюда...

Поиск по сайту

©2015-2021 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2016-02-16 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту:

Мы поможем в написании ваших работ! Мы поможем в написании ваших работ! Мы поможем в написании ваших работ!
Обратная связь
0.053 с.