133 (810489), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Подробнее инструкцию по подготовке прибора кработе см. в техническом описании установки.ЗАДАНИЕ1. Подготовьте установку к работе:а. ознакомьтесь с устройством и характеристиками приборов (газовогосчетчика и спиртового микроманометра); проведите их предварительную настройку и регулировку согласно техническому описанию установки;б. ознакомьтесь измерительными шкалами приборов, запишите рабочийдиапазон и цену деления; предварительно оцените инструментальныепогрешности (по паспортам приборов и/или по цене деления их шкал).2. Проведите предварительный запуск установки и убедитесь в ее работоспособности.а. Подсоедините манометр к двум соседним выводам на конце одной изтрубок (рекомендуется начать с трубки диаметром ≈ 4 мм).
Убедитесь, что все отверстия, кроме одного — выходного — плотно завинчены пробками.б. Убедитесь, что кран К, соединяющий компрессор с установкой, закрыт.Включите компрессор. Переведите рычажок микроманометра в рабочееположение (+).11в. Медленно приоткрывая кран К и непрерывно контролируя показаниямикроманометра, создайте небольшой поток воздуха через трубку.Внимание!Не допускайте резких движений крана К и при изменении его положения всегда контролируйте показания микроманометра. При больших перепадах давления спирт может попасть в соединительные трубки, что выведет манометриз строя. При приближении спиртового столбика к максимуму шкалы следуетнемедленно перекрыть подачу воздуха краном К.
Любые изменения в схемеподключения должны производиться после перевода манометра в положение (0).г. Наблюдайте за показаниями приборов в зависимости от интенсивностипотока через трубку. Убедитесь, что при неизменном положениикрана К показания манометра стабильны, а стрелка расходомера вращается равномерно.3. Измерьте параметры окружающей среды: температуру, влажность воздухаи атмосферное давление. В ходе дальнейшей работы следите за этими показаниями и при необходимости фиксируйте их изменения.Запишите диаметры трубок (указаны на установке). Зарисуйте схему расположения измерительных отверстий на трубках с указанием расстояниймежду ними.4. Проведите предварительные расчёты:а. Рассчитайте значение расхода кр , при котором число Рейнольдсатрубке станет равным критическому Reкр ≈ 103 .
Для предварительнойоценки примите вязкость воздуха равной возд ∼ 2 ⋅ 10−5 Па·с, плотность воздуха определите по уравнению идеального газа. В качестве характерной скорости потока используйте её среднее значение� = /2 .б. По формуле Пуазейля (7) рассчитайте соответствующий перепад давления выбранном вами участке Δкр . Выразите значение Δкр в делениях шкалы микроманометра.в. По формуле (8) оцените длину уст , на которой течение можно считатьустановившимся при Re ≈ Reкр . Проверьте, можно ли считать установившимся течение на участке, выбранном для проведения измерений.5. Меняя расход воздуха краном К и наблюдая за столбиком спирта в микроманометре, визуально определите границу перехода Δкр от ламинарного течения к турбулентному (турбулентный режим характеризуется заметными12пульсациями давления во времени).
Сравните полученное экспериментальноΔкр с оценкой, проведенной в п. 4.6. Подберите параметры измерения расхода газа = Δ/Δ, так чтобы егоотносительная погрешность составила не более = 1%.а. Оцените погрешность измерения объёма расходомером (по паспортуприбора и/или по цене деления шкалы). Исходя из этого определите минимальный объём проходящего через счётчик газа min , который следует использовать при измерениях расхода.б. Оцените погрешность измерения времени и определите минимальный промежуток времени min , в течение которого следует измерятьрасход.
При измерениях с секундомером основную погрешность вноситвремя реакции человека, которое можно измерить экспериментально.Для этого проведите серию из 7–9 измерений времени прохождения через счётчик объёма газа min при некотором постоянном расходе и вкачестве оценки для случайной погрешности измерения времени используйте среднеквадратичное отклонение результатов.7. Измерьте зависимости перепада давления Δ на выбранном участкетрубки от расхода газа Q.а.
Постепенно увеличивая расход, проведите измерения так, чтобы на ламинарный режим течения приходилось 7–9 экспериментальных точек.Примечание: на трубках большого диаметра чувствительности манометра может быть недостаточно для измерений на ламинарном участкес приемлемой точностью — в таком случае рекомендуется увеличитьдлину участка .б. Получите также 7–9 экспериментальных точек в турбулентном режиме,меняя давления от граничного Δкр до максимально возможного на данной трубке. При приближении показаний к максимуму шкалы следуетуменьшить чувствительность манометра (увеличить угол наклона).Внимание!Чтобы избежать вывода счетчика из строя, суммарный перепад давления наустановке, измеряемый водяным U-образным манометром, не долженпревышать максимальное значение (см. техническое описание установки).8.
Измерьте распределение давления газа вдоль трубки (). Установите поток воздуха через трубку, близкий к критическому, но всё ещё сохраняющийламинарность (Δ < Δкр ). Не меняя расхода Q (положение крана К фиксировано), последовательно подсоедините микроманометр ко всем парам выводовисследуемой трубки (включая вывод «0», который примите за начало отсчёта13координаты ) и измерьте соответствующие перепады давлений. Учтите, чтоманометр измеряет не само давление, а разность − , где , – номера соответствующих отверстий в трубке.Внимание!Чтобы избежать случайного перелива спирта, при каждом переключениивыводов устанавливайте рычажок микроманометра в положение (0).Учитывайте, что измеряемый перепад давления примерно пропорционалендлине выбранного участка.9. Повторите вычисления и измерения пп.
4–8 на трубках других диаметров.10. Измерьте зависимость расхода от радиуса трубы при заданном градиентедавления. Примечание: по указанию преподавателя используйте в этом опытетрубки различного диаметра не только со своей, но и с соседних экспериментальных установок.а. Подберите некоторое значение градиента давления (перепада давленияна единицу длины трубы) Δ/, при котором обеспечивается ламинарность потока на всех трубках. Проводя измерения поочередно на каждой трубке, подберите величины расхода , при которых градиент давления равен выбранному Δ/.б.
Подберите некоторое максимальное градиента давления Δ/, достижимое на всех трубках в турбулентном режиме. Аналогично измерьтезначения для каждой трубки, при которых градиент давления равенвыбранному Δ/.Обработка результатов измерений11. По результатам измерений п. 7 постройте графики зависимостей расходаот перепада давления (Δ). Проанализируйте полученные результаты.а. Для каждой трубки по графику определите границу перехода от ламинарного участка к турбулентному.б. Убедитесь в том, что зависимость (Δ) на ламинарном участке соответствует является линейной.в. Пользуясь формулой Пуазейля (7), по угловым коэффициентам линейных участков определите вязкость воздуха .г.
Рассчитайте критическое число Рейнольдса Reкр . Сравните результат сполученным по наблюдению за колебаниями столбика манометра в п. 5.14д. Оцените погрешности результатов. Убедитесь, что значение вязкостине зависит от диаметра трубки в пределах погрешности. Сравните значение коэффициента вязкости с табличным (с учётом параметров окружающей среды).12. По результатам измерений п. 8 постройте графики () зависимостей давления от координаты вдоль трубы (за начало отсчёта давления и координаты примете вывод «0»).
Из графика оцените длину участка, на котором происходит установление потока. Сравните результат с оценкой по формуле (8).13. По результатам измерений п. 10 убедитесь, что расход в ламинарном режиме пропорционален четвертой степени радиуса трубы ∝ 4 , и проверьте,выполняется ли зависимость расхода от радиуса ∝ 2,5 в турбулентном режиме (см. формулу (14)).Изобразите результаты на графике в двойном логарифмическом масштабеln (ln ). Наклон полученной прямой будет соответствовать показателю степени зависимости ∝ .
Примечание: если измерения проведены толькона двух трубках, вычислить коэффициент можно непосредственно, без построения графика.14. *Исследуйте зависимости (Δ) на турбулентном участке и проверьтеприменимость формулы (14).а. Если результаты измерений коэффициента вязкости на разных трубках значительно отличаются друг от друга (с учётом их погрешности),используйте табличное значение вязкости воздуха в условиях опыта,чтобы по линейным участкам зависимости (Δ) с помощью формулыПуазейля уточнить значения радиусов трубок.б. Постройте на одном графике экспериментальные зависимости в безразмерных переменных, отложив по оси абсцисс число Рейнольдса Re (10),а по оси ординат — обезразмеренный перепад давления � (11).
Убедитесь, что экспериментальные точки для всех трубок ложатся на единуюкривую.в. Проанализируйте турбулентный участок полученной зависимости.Сделайте вывод о применимости формулы (14) в условиях опыта.*Дополнительный пункт, выполняется по указанию преподавателя.15Контрольные вопросы1. Что такое коэффициент вязкости? Сформулируйте закон Ньютона для вязкого трения и укажите границы его применимости в газах.2. Что такое число Рейнольдса? Покажите, что число Рейнольдса есть отношение кинетической энергии жидкости к работе сил трения в единице объёма.3. Опишите основные характеристики течения Пуазейля.
Как меняется давлениевдоль трубы? Как меняется скорость течения в сечении трубы? Каково отношениесредней и максимальной скоростей течения?4. Перечислите условия применимости формулы Пуазейля. С какой точностью этиусловия выполняются в вашем опыте?5. С какой точностью течение газа в условиях опыта можно считать несжимаемым?Вычислите максимальное число Маха (отношение скорости течения к скоростизвука) в условиях опыта.6. Что такое ламинарное и турбулентное течение? При каких условиях течение можетстать турбулентным? Как переход к турбулентности можно обнаружить на опыте?7. По экспериментальному значению коэффициента вязкости оцените размеры молекул воздуха.8.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
