Значення швидкості при русі води в трубах - студопедія
Мета роботи - ілюстрація руху рідини в трубопроводі і визначення числа Рейнольдса при ламінарному і турбулентному режимах руху.
1. Основи теорії і розрахункові формули
Характер руху швидкостей і газів залежить від співвідношення сил інерції, що діють в потоці, і сил внутрішнього тертя.
Це співвідношення визначається чисельної величиною деякого безрозмірного комплексу, який отримав назву числа або критерію Рейнольдса (Re).
,
тут u - швидкість руху; d - діаметр труби; n - коефіцієнт кінематичної в'язкості.
Для труб некруглого перетину
де R - гідравлічний радіус перетину. -
Зміна режимів руху відбувається різко, стрибкоподібно при критичному значенні числа Рейнольдса. Однак критичне число залежить від умов дослідів, в зв'язку з чим розрізняють два значення цього числа: нижнє (Reкр.н) і верхнє (Reкр.в). При числах Re
при Reкр.н Для більшості технічних установок і пристроїв, що працюють в звичайних виробничих умовах, критичні значення числа Рейнольдса: При значенні числа Re менш 2300 рух в трубах носить шаруватий або ламінарний характер, що характеризується тим, що окремі цівки рідини рухаються паралельно один одному, не перетинаючись. При значенні числа Re ≈ 4 000 рух в трубах має турбулентний або вихровий характер. Цей вид руху характери-зуется безладним, хаотичним рухом частинок рідини по звивистих, безперервно пересічним траєкторіях. При ламінарному русі процес взаємного перемішування цівок відбувається дуже повільно, тільки в силу молекулярної дифузії. Турбулентний рух, навпаки, характеризується дуже енергійним і швидким перемішуванням окремих цівок потоку між собою, Значення числа РейнольдсаRe = 2 300 називається критичним, а відповідна йому швидкість - критичної швидкістю. Очевидно, для кожного діаметра труби, для кожної рідини існує своя критична швидкість. Зі структури числа Рейнольдса видно, що турбулентний рух властиво потокам великих розмірів, що рухаються з великими швидкостями, тобто володіють значними інерційними силами. Навпаки, ламінарний рух спостерігається в невеликих потоках, поточних з малими швидкостями, в яких сили внутрішнього тертя превалюють над силами інерції. Практично з ламінарним рухом доводиться мати справу при русі в'язких рідин - масел, нафти, переваж-громадської в тонких шарах. Ламинарное і турбулентний рух можна спостерігати при русі води в скляній трубі за допомогою введення в потік тонкої цівки фарби. При малих швидкостях води пофарбована цівка рухається по трубі, майже не розмиваючись. При поступовому збільшенні швидкості наступає момент, коли характер руху цівки змінюється, фарба починає швидко змішуватися з усією масою води, що рухається, а пофарбована цівка, як така, перестає існувати (рис.7). Мал. 7. Два види руху рідини в трубі: а) ламинарное, б) турбулентний Цей момент відповідає переходу від ламінарного руху до турбулентного, тобто критичного значення числа Рейнольдса. Вимірявши за допомогою мірної посудини і секундоміра витрата води, що протікає, можна визначити значення критичної швидкості за формулою де - витрата води; w - площа поперечного перерізу труби в м 2; V - об'єм мірної посудини в м 3; t - час його наповнення в сек. Знаючи, що критичне значення числа Рейнольдса = 2 300, критичну швидкість можна визначити і теоретичним шляхом: Значення коефіцієнта кінематичної в'язкості n при різній температурі води наведені в табл. 1. При ретельному виконанні досвіду набутого значення крити-чеський швидкості має збігатися з обчисленим теоретично. 2. Опис установки Установка складається з напірного бака (6) ємністю 75 л, всередині якого є дві перегородки (2) і (7). До напірного баку приєднана прозора скляна трубка (9). В кінці трубки встановлено голчастий затвор (10), що дозволяє регулювати швидкість руху рідини. Бак харчується водою з водопроводу по трубі (1), забезпеченою краном. Над напірним баком встановлений посудину (4) з підфарбованою рідиною, з якого по тонкій скляній трубці (8) підфарбована рідина вводиться в основний потік. Подача фарби регулюється за допомогою скляного крана (5), розташованого під бачком для фарби. Температура води вимірюється за допомогою ртутного термометра (3). За виміряної тим-пературі знаходять кінематичний коефіцієнт в'язкості по табл. 1.
Мал. 8. Схема установки
Для визначення об'ємним способом витрати рідини, проходячи щей через скляну трубку, служить секундомір і напірний бак (1). Залежно від висоти стовпа рідини визначають за графіком обсяг.
3. Порядок виконання роботи
Перед початком роботи водяний бак (6) і скляну трубку (9) заповнюють водою з водопроводу. При цьому для видалення повітря зі скляної трубки відкривають голчастий затвор (10).
На початку досвіду, відкривши голчастий затвор (10), воду через скляну трубку пропускають з невеликою швидкістю і за допомогою подачі фарби спостерігають картину ламинарного руху.
Поступово збільшуючи швидкість руху води шляхом прочинення голчастого затвора, візуально встановлюють момент пере-ходу ламинарного руху в турбулентний.
За виміряним обсягом і часу, відліченому секундоміром, визначають витрата води при ламінарному режимі і перехідному з лами-Нарнії в турбулентний, записують заміряну ртутним термометром температуру води.
За даними вимірів визначають:
а) середню швидкість потоку
б) кінематичний коефіцієнт в'язкості;
в) число Рейнольдса
.
Далі, сильно відкриваючи голчастий затвор (10), спостерігають розвинене турбулентний рух, записують досвідчені дані. Після цього досвід проводиться в зворотному напрямку. Поступово закриваючи вентиль (10), встановлюють момент переходу турбулентного руху-ня в ламинарное і знову вимірюють витрата води при перехідному режимі.
Користуючись наведеними формулами, визначають значення крити-чеський швидкості води в тому і в іншому випадку. Порівнюють отримані з досвіду значення критичної швидкості з обчисленої теоретично.
Звіт про проведену роботу складають за такою формою.
ЗВІТ ПРО ЛАБОРАТОРНОЇ РОБОТІ № 2
РЕЖИМИ РУХУ РІДИНИ І ВИЗНАЧЕННЯ КРИТИЧНОГО ЗНАЧЕННЯ ШВИДКОСТІ ПРИ РУСІ води в трубах
Прізвище студента група
Дата проведення роботи
1. Схема установки
2. Вихідні дані:
діаметр скляної трубиd _____ мм;
ємність мірного бакаV _____ м 3.
3. Журнал спостережень
Питання для самоконтролю
1.Чем відрізняється структура потоку при ламінарному і турбулентному режимах руху рідини в трубах?
2. Що називається критичною швидкістю?
3. Які критичні числа Рейнольдса і їх значення?
4. Поняття про кінематичному і динамічному Коефіцієнт в'язкості їх розмірності.
5. Вплив температури і роду рідини на її режим руху.
Лабораторна робота № 3
ДОСЛІДЖЕННЯ рівняння Бернуллі
Мета роботи - ілюстрація на досвіді рівняння Бернуллі, яке виражає закон збереження енергії для рідини уздовж потоку.