Практическая работа №4 по дисциплине "Гидравлика" на тему "Определение числа Рейнольдса"

ИНСТРУКЦИОННАЯ КАРТА №4

по дисциплине «Гидравлика»

Тема 4.1 «Режимы движения жидкости»

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №4

Тема: «Определение числа Рейнольдса, расчет потери напора в трубопроводах по длине»

Цель: Приобретение практических навыков решения задач на определение числа Рейнольдса, расчета потери напора в трубопроводах по длине.

Литература:

1. Е.З. Рабинович Гидравлика – М: Недра,1980

2. В.Г. Ерохин, М.Г. Маханько «Сборник задач по основам гидравлики и теплотехники», М.: «Энергия», 1979, стр. 18-33.

Задачи составлены на основе задач 1-52,1-53, 1-55, 1-57, 1-58.

Оборудование и принадлежности: инструкционная карта, калькулятор, справочные таблицы.

1. Общие сведения

Гидравлические потери существенным образом зависят от того, как организовано движение жидкости в потоке, т.е. от режима движения жидкости.

Из физики известно, что существует два режима движения жидкости: ламинарный и турбулентный. Эти термины в науку ввел Д.И. Менделеев.

Слово «ламинарный» - от латинского «ламина», что означает «слой», т.е. ламинарный режим это слоистое течение без перемешивания частиц и пульсации скорости.

Слово «турбулентный» - от латинского «турбулус», означает беспорядочный, хаотичный, т.е. турбулентный режим движения жидкости сопровождается интенсивным перемешиванием жидкости, пульсациями скоростей и давлений.

Более полно режимы движения жидкости исследованы английским физиком Осборном Рейнольдсом.

Визуальное наблюдение за режимами движения жидкости и их количественная оценка были выполнены на установке (рисунок 4.1), представляющей собой резервуар 1, из которого жидкость по прозрачной трубе 2 с краном может вытекать в мерное устройство 3. над резервуаром помещен сосуд 4 с подкрашенной жидкостью, для подачи последней по капилляру в прозрачную трубу.

Рисунок 4.1 – Опыт Рейнольдса

Рейнольдс установил факторы, влияющие на режим движения жидкости: скорость, диаметр трубки, плотность и вязкость жидкости, на основании чего ему удалось определить критерий (критерий Рейнольдса), по которому можно судить о режиме движения жидкости. Критерий Рейнольдса можно определить по формуле (4.1):

где v – скорость движения жидкости, м/с;

d – диаметр трубопровода, м;

m - коэффициент динамической вязкости, Н×с/м²;

n - коэффициент кинематической вязкости, м²/с.

Рисунок 4.2 – Ось чисел Рейнольдса

Возьмем ось чисел Рейнольдса (рисунок 4.2) и повторим его опыты сначала в сторону увеличения этих чисел, одновременно визуально наблюдая за режимами движения жидкости. При достижении так называемого верхнего критического числа Re_кр^в режим ламинарный прейдет в турбулентный. В зависимости от условий эксперимента это число может лежать в довольно больших пределах: от 4·10³ до (40…50)·10³. После этого числа режим становится турбулентным устойчивым.

Затем повторим опыт в сторону уменьшения чисел Рейнольдса. В этом случае турбулентный режим перейдет в ламинарный при достижении так называемого нижнего критического числа Re_кр^н. Оно окажется равным 2320. Ниже этого числа режим всегда будет ламинарный устойчивый. Нижнее критическое число принимают вообще за критическое число.в гидравлических расчетах при получении Re 2320 - турбулентным.

Физический смысл этого критерия заключается в том, что он показывает отношение сил инерции к силам трения. Число Рейнольдса может быть подсчитано для потоков любого геометрического сечения, в том числе для круглого по гидравлическому радиусу, или по другому характерному размеру, например, по зазору в сопрягаемых деталях.

Линейное сопротивление (или сопротивление трения) h_л определяют по формуле Дарси (4.2):

где 𝜆_тр – коэффициент сопротивления трения по длине;

l– длина трубы, м;

d– диаметр трубы, м;

v – скорость движения в выходном сечении трубы, м/с;

ρ – плотность жидкости, кг/м³.

Формула для определения 𝜆_тр зависит от шероховатости труб и режима движения жидкости (смотрите таблицу 4.1).

Таблица 4.1 – Формулы для определения коэффициента сопротивления трения по длине

Для определения режима движения жидкости определяют Re_пред по формуле (4.3) и предельную скорость v_пред по формуле (4.4):

где k – абсолютная шероховатость труб, м;

d– диаметр трубы, м;

где ν – коэффициент кинематической вязкости, м²/с.

Таблица 4.2 - Физические характеристики воды на линии насыщения

1. Задания для выполнения работы

1. Изучите установку для проведения опыта по определению режима движения жидкости.

2. По варианту, равному порядковому номеру в журнале, решите следующие задачи, оформив их по стандартной форме.

1. Определите предельное значение скорости воды в трубопроводах тепловой сети при температуре (150 + вариант)⁰С, абсолютная шероховатость труб k = 5 · 10^-4 м.

Для решения задачи необходимо определить коэффициент кинематической вязкости по приложению 8 [1]. Предельное значение скорости определить по формуле (4.4).

1. По трубопроводу с внутренним диаметром dв= (150 + вариант) мм протекает пар с давлением p_абс= (100 + вариант) кгс/см² и температурой t= (350 - вариант)⁰С. Скорость пара v= (40 – вариант) м/с. Определить часовой расход пара и критерий Рейнольдса. Газовая постоянная водяного пара равна 461,6 Дж/кг· К.

Для решения задачи необходимо все значения перевести в систему СИ, затем определить коэффициент кинематической вязкости по приложению 8 [1]. Массовый расход пара определяется как произведение объемного расхода на плотность. Плотность пара можно определить из уравнения Клапейрона.

1. Определить потерю напора в прямом трубопроводе длиной l =1000 м, по которому прокачивается нефтепродукт плотностью ρ = (880 + вариант) кг/м³ в количестве V = (31,4 + вариант) л/с. Внутренний диаметр трубопровода dв = (200 + вариант) мм, коэффициент гидравлического сопротивления λ =0,04.

Для решения задачи необходимо все значения перевести в систему СИ, затем определить скорость по объемному расходу и линейные потери по формуле Дарси.

1. Определить режим движения воды при состоянии насыщения по трубопроводу, имеющему внутренний диаметр d = (125 + вариант)мм, при объемном расходе V_t = (88,2 + 0,1 ·вариант) м³/ч. Температура воды 150⁰С.

Для решения задачи необходимо все значения перевести в систему СИ, затем определить скорость по объемному расходу, а затем критерий Рейнольдса. Значение коэффициента кинематической вязкости определить по формуле n = m×v, значения m иvпринимаем по приложению 8 [1]в зависимости от температуры.

1. Определить удельное линейное падение давления в трубопроводе тепловой сети. Внутренний диаметр трубопроводаd = (100 + вариант) мм, температура воды t = (150 + вариант )⁰С, скорость v = (2 + 0,1· вариант) м/с, абсолютная шероховатость труб k = 0,5 мм.

Для решения задачи необходимо все значения перевести в систему СИ. Удельное линейное падение давления – это потери напора по длине трубопровода, приходящиеся на единицу длины 1 метр, которые определяются по формуле Дарси. Для того, чтобы выбрать формулу для определения 𝜆_тр по таблице 4.1, необходимо определить режим течения по критерию Рейнольдса (формула 4.3).

1. Пример решения и оформления задач

1. Определите предельное значение скорости воды в трубопроводах тепловой сети при температуре 150 ⁰С, абсолютная шероховатость труб k = 5 · 10^-4 м.

1. По трубопроводу с внутренним диаметром dв = 150 мм протекает пар с давлением p_абс= 100 кгс/см² и температурой t = 350 ⁰С. Скорость пара v = 40 м/с. Определить часовой расход пара и критерий Рейнольдса. Газовая постоянная водяного пара равна 461,6 Дж/кг· К.

1. Контрольные вопросы

1. От чего зависят гидравлические потери?

2. Что является критерием для определения режима движения жидкости?

3. Значение критического числа Рейнольдса.

4. Что определяет критерий Рейнольдса?

5. Назовите основные режимы движения жидкости.

6. Какой режим движения жидкости называют ламинарным?

7. Какой режим движения жидкости называют турбулентным?

8. По какой формуле определяют критерий Рейнольдса?

9. По какой формуле определяют линейное сопротивление?

10. Как определить объемный и массовый расход воды в трубопроводе?

Вывод: В ходе выполнения практической работы изучили …., приобрели практические навыки ….

5