9

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

ИЗМЕРЕНИЕ ГЛУБИНЫ ПОТОКА, РАСХОДОВ И СКОРОСТИ ЖИДКОСТИ

Лабораторная работа №1

Измерение глубины потока, расходов и скорости жидкости

Задачи работы

Ознакомление с основными способами измерения глубины потока, расходов и скоростей жидкости.

Измерение глубины потока

Измерение уровня жидкости в резервуарах, лотках и т.п. производится при помощи игольчатых и поплавковых уровнемеров, а также уровнемерных стекол.

Игольчатый уровнемер представляет собой иглу, укрепленную на нижнем конце штанги, снабженной указателем и перемещаемой по вертикали. При перемещении иглы указатель скользит вдоль шкалы, предназначенной для отсчета высоты. При измерении острие иглы устанавливают на уровень жидкости и отсчитывают высоту по шкале.

Поплавковый уровнемер – прибор, основной частью которого является поплавок, помещенный на измеряемый уровень жидкости и снабженный вертикальной штангой с указателем, который при изменении уровня скользит вдоль неподвижной линейной шкалы. Горизонтальные перемещения поплавка ограничиваются различными направляющими устройствами. Иногда для частичного уравновешивания поплавка его снабжают противовесом, соединенным с поплавком гибким тросом, перекинутым через блок. Положение груза относительно шкалы и определяет уровень жидкости.

Уровнемерное стекло – стеклянная трубка, присоединенная к резервуару, в котором требуется определить уровень жидкости. Трубка снабжена шкалой, градуированной в линейных единицах. Уровень жидкости в баке оценивается по высоте жидкости в этой стеклянной трубке (используется принцип сообщающихся сосудов).

Измерение скорости жидкости

1. Механический метод (на примере гидрометрической вертушки)

Гидрометрическая вертушка представляет собой лопастное колесо (пропеллер), помещаемое в поток и приводимое им в движение (рис 1.1).

Между мгновенной скоростью потока u и скоростью вращения вертушки существует прямо пропорциональная связь: чем больше скорость потока, тем выше скорость вращения вертушки, т.е тем большее количество оборотов в секунду n она делает: u=f(n), n (об/с).

Рис. 1.1

Вертушка снабжается тарировочным графиком или формулой, отражающими эту зависимость u=f(n). Самописец, соединенный с вертушкой, фиксирует на ленте каждый оборот вертушки в виде импульса. Запись импульсов производится в течение некоторого периода времени T=10–15 (с), как показано на рис.1.2.

u

S_i

t

T

Рис. 1.2

Измерения мгновенных скоростей представляют собой значительные технические трудности. Поэтому часто вместо мгновенных скоростей ограничиваются измерением так называемых квазимгновенных скоростей, т. е. скоростей, осредненных за некоторый малый, по сравнению со всем временем осреднения, интервал .

Для определения указанных скоростей необходимо:

• знать скорость протяжки ленты с рисунком самописца V_л (в данной работе V_л=125 мм/с);

• рисунок на ленте разбить на несколько явно выраженных импульсов и измерить при помощи линейки длину по горизонтали каждого импульса S_i (мм), как показано на рис.1.2;

• рассчитать время, соответствующее i-ому импульсу: (с);

• рассчитать скорость жидкости по формуле тарировочного графика:

u_i=0.03+0.0535 n_i (м/с). (1.1)

При этом каждый импульс соответствует одному обороту вертушки, т.е

n_i =1/δt_i (об/с). (1.2)

Таким образом, определены интервалы времени и соответствующие им квазимгновенные скорости жидкости u_i.

2. Гидромеханический метод

В этом случае скорость жидкости измеряется по разности давлений в определенных точках на поверхности вносимых в поток приборов. Существуют различные способы, основанные на этом принципе. Например, измерение местных скоростей с помощью гидродинамической трубки (трубки Пито-Прандтля). Она представляет собой комбинацию в одном приборе трубок полного (гидродинамического) Н_п и статического (пьезометрического) Н_ст напоров и перемещается по вертикали в интересующем сечении канала. Разница указанных напоров образует скоростной напор Н_ск (рис.1.3).

Рис. 1.3

Местная (в определенной точке потока) скорость жидкости вычисляется по формуле:

, (1.3)

где g – ускорение свободного падения (g=9,81 м/с²); –коэффициент, определяемый экспериментальным путем, учитывающий конструктивные особенности трубки Пито-Прандтля и зависящий от режима течения. При больших числах Рейнольдса коэффициент становится близким к единице*.

_____________________________________________________________________________

* В данной лабораторной работе можно полагать =1.

Измерение расхода жидкости

Расход жидкости – это объем (или масса) жидкости, протекающей в единицу времени через поперечное сечение проточного канала.

Измерение расхода является одной из важнейших составляющих практически любого гидромеханического эксперимента. Часто расход измеряется с целью определения средней скорости потока. Поэтому весьма важно представлять точность и надежность результата, полученного тем или иным способом. Наиболее простыми и точными способами измерения расхода жидкости являются объёмный и весовой.

1. Весовой и объёмный способы

Суть весового способа заключается в экспериментальном определении веса жидкости G_В, поступающей в резервуар за определенное время t. Для применения данного способа необходимо иметь весы и секундомер.

В опыте фиксируется вес пустого бака G_б (единица измерения – Ньютон – Н) и вес бака, наполненного жидкостью* G_б+ж. Тогда известен вес жидкости:

G_ж = G_б+ж – G_б (Н) (1.4)

Весовой расход жидкости определяется очевидным соотношением:

Q_в = G_ж /t (Н/с). (1.5)

Найденный таким образом весовой расход позволяет рассчитать массовый Q _м и объемный Q _о расходы:

Q _м = Q_в /g (кг/с), (1.6)

Q_о= Q _м /ρ (м³/с). (1.7)

При использовании объемного способа определения расхода жидкость поступает в тарированный резервуар и при этом фиксируется время его наполнения t.

Объемный расход равен

Q_о=W/t (м³/с), (1.8)

где W – объем наполненного резервуара.

Тогда расчетным путем определяются уже массовый Q _м и весовой Q_в расходы.

Недостатком описанных методов является то, что выполнение замеров требует длительных промежутков времени и при больших расходах – значительных объемов мерных баков. Кроме того, этот способ невозможно применить:

• если отсутствует свободный выход жидкости из системы в атмосферу;

• для измерения мгновенных расходов неустановившихся потоков, так как при вычислении расхода делением количества жидкости на время опыта получаются осредненные значения.

__________________________________________________________

* В лабораторной работе используется вода (плотность ρ=10³ кг/м³).

2. Определение расхода жидкости с помощью диафрагмы

Д иафрагма относиться к расходомерам переменного перепада статических напоров и представляет собой местное сужающее сопротивление. В месте расположения диафрагмы происходит деформация потока её острыми кромками, что сопровождается перестройкой закона распределения скоростей и образованием зон, заполненных вихревыми массами жидкости (рис.1.4).

Рис. 1.4

Разность статических напоров равна разности высот уровней жидкости в пьезометрах, установленных в сечениях 1 и 2, и имеет определенную функциональную зависимость с расходом жидкости. Вид этой зависимости можно установить, записав уравнение Бернулли для сечений потока 1 и 2. В итоге получим:

. (1.9)

При этом коэффициент k равен:

, (1.10)

где – коэффициент расхода; S₀ – площадь проходного сечения диафрагмы.

В свою очередь, коэффициент зависит от конструктивных особенностей диафрагмы и канала, по которому течет жидкость, режима течения и др.

В лабораторной работе снимают показания пьезометров до (h₁) и после (h₂) диафрагмы, затем находят их разницу = h₁ – h₂ и вычисляют* расход по формуле (1.9), полагая коэффициент k равным 145 (в этом случае единицей измерения расхода является см³/с при подстановке в см.).

Диафрагма является конструктивно наиболее простым прибором из списка сужающих устройств для измерения расхода, однако вследствие существенного гидравлического сопротивления вызывает более значительные потери напора по сравнению, например, с трубой Вентури. Кроме того, острая кромка отверстия диафрагмы быстро изнашивается, что влечет за собой изменение коэффициента k.

_____________________________________________________________

* Для нахождения расхода также можно воспользоваться графической зависимостью (тарировочной кривой диафрагмы) Q=Q(h), которая представлена на стенде.

3. Определение расхода с помощью ротаметра

Ротаметр относиться к расходомерам обтекания. Он представляет собой стеклянную трубку, внутри которой перемещается поплавок (рис.1.5).