ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ПРЯМЫХ ГЛАДКИХ ТРУБ РАЗНОЙ ФОРМЫ СЕЧЕНИЯ

ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ПРЯМЫХ ГЛАДКИХ ТРУБ РАЗНОЙ ФОРМЫ СЕЧЕНИЯ

Стерлитамак  

1. ЦЕЛЬ И СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

         Целью работы является исследование влияния различных факторов на гидравлическое сопротивление прямой гладкой трубы при стабилизированном движении в ней однофазной жидкости (газа). Объект исследования - модель реального трубопровода, выполненная на компьютере.

         В ходе работы изменяются параметры движения жидкости (газа), размер и форма сечения трубы, длина трубы, температура жидкости (газа), массовый расход. Труба может иметь шесть различных форм сечения: круг, кольцевой канал, эллипс, квадрат, прямоугольник, равнобедренный треугольник. Рабочей средой может быть вода, глицерин, этиловый спирт, ацетон, воздух и ряд других жидкостей. Студенты измеряют гидравлическое сопротивление трубопровода заданной длины, сравнивают значение сопротивления труб различной формы сечения с сопротивлением круглой трубы равной площади сечения. На основе анализа выполненной работы студенты делают заключение о характере влияния на сопротивление прямого гладкого трубопровода геометрических размеров и формы сечения, свойств жидкости (газа), температуры среды.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

         Гидравлический расчет трубопровода производится для определения потерь давления в нем или для определения геометрических размеров сечения трубопровода.        

         Для проведения гидравлического расчета должны быть заданы входные параметры потока: скорость движения и температура, и схема трубопровода: площадь и форма сечения, длина прямых участков, местные сопротивления. Под местными сопротивлениями понимают вентили, задвижки, краны и другие конструктивные элементы.

         Полное падение давления в трубопроводе (гидравлическое сопротивление)  определяется как сумма двух слагаемых: падения давления за счет трения в прямых участках Dp_Т и падения давления в местных сопротивлениях Dp_М:

.

         В лабораторной работе исследуется движение жидкости (газа) в прямом трубопроводе, без изменения направления скорости и размеров сечения, поэтому Dp_М=0.

         Сопротивление прямого участка трубопровода равно

,                                          (1)

где    l  - линейный коэффициент сопротивления трения;

          L  - длина элемента трубопровода, м;

          d  - гидравлический диаметр, м;

          r  - плотность жидкости (газа), кг/м³;

          w - скорость движения жидкости (газа) в трубопроводе, м/с.

         Физические свойства жидкости (газа) определяются при средней температуре жидкости (газа) в трубопроводе.

         Гидравлический диаметр трубопровода равен

,                                             (2)

где    S - площадь живого сечения трубы, м²;

          П - смоченный периметр, м.

         В лабораторной работе жидкость (газ) полностью заполняет сечение трубы, поэтому S равна полной площади сечения трубы, П равен периметру контура трубы.

         Линейное сопротивление трения l гладкой круглой трубы зависит только от числа Рейнольдса:

,                                          (3)

где    m - коэффициент динамической вязкости жидкости (газа), Па×с.

         При изотермическом ламинарном течении в круглой трубе (Re<2300) коэффициент l рассчитывается по формуле

;                                                 (4)

при турбулентном течении (4000<Re<10¹²) используется формула Филоненко:

;                                        (5)

в более узком диапазоне чисел Рейнольдса (4000<Re<10⁵)  можно воспользоваться формулой Блазиуса:

.                                              (6)

         В переходной области течения (2300<Re<4000) точных расчетных зависимостей нет. Для определения l можно воспользоваться данными, приведенными в [1]  и в табл. 3 приложения.

         Для труб некруглого поперечного сечения линейный коэффициент сопротивления трения l_Н зависит не только от критерия Рейнольдса, но и от формы этого сечения. Он может быть выражен через коэффициент сопротивления трения трубы круглого сечения с помощью поправочного коэффициента, учитывающего влияние формы поперечного сечения:

,                                             (7)

где    l - линейный коэффициент сопротивления трения трубы круглого сечения при одинаковом числе Re;

         l_Н - линейный коэффициент сопротивления трения трубы некруглого сечения;

         k_Н - поправочный множитель, учитывающий влияние формы поперечного сечения трубопровода.

         Данные о значениях  k_Н для различных форм  сечения приведены в [1] и приложении (табл. 4 - 7).

3.  ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА УСТАНОВКИ.

         Установка (рис. 1) состоит из двух труб 1 и 2, регуляторов размера труб 3 - 5, списков рабочих веществ  6  и видов сечений 7, регуляторов температуры рабочего вещества 8 и расхода 9, приборов  для измерения температуры  рабочего вещества 10, расхода 11 и перепада давления по длине труб 12 - 13. Форму сечения верхней трубы 1 задают при помощи списка 7, труба 2 имеет круглое сечение. Трубы прямые, гладкие, течение жидкости (газа) стабилизированное изотермическое. Расходы жидкости (газа) в обеих трубах одинаковы. Площадь сечения трубы 2 автоматически устанавливается равной площади сечения трубы 1.

Рис. 1. Лабораторная установка

В программе устанавливают при помощи регуляторов 3 и 4 следующие параметры сечения трубы 1 (рис. 2): для круга - диаметр, для квадрата - сторона, для прямоугольника - высота и ширина, для треугольника - основание и угол при вершине, для эллипса - малая и большая оси, для кольца - наружный и внутренний диаметры. Для увеличения размера нужно установить курсор мыши на верхней кнопке регулятора 3 или 4 и щелкнуть левой клавишей мыши, для уменьшения размера нужно установить курсор мыши на нижней кнопке регулятора. Размеры сечения указываются слева от регуляторов. Длину труб задают при помощи регулятора 5. Значение длины труб указывается слева от регулятора. Рабочее вещество, протекающее в трубах, выбирают из списка 6. Для этого нужно установить курсор мыши на кнопке справа от списка и щелкнуть по левой клавише мыши, затем из раскрывшегося списка выбрать вещество, установив на него курсор мыши и щелкнув по левой клавише. В окне списка появится название выбранного вещества. Аналогично выбирают вид сечения трубы 1 из списка 7. Если формой сечения трубопровода является круг или квадрат, для которых достаточно одного параметра для определения размеров сечения, то регулятор 4 не виден. При помощи регулятора 8 задают температуру рабочего вещества, регулятором 9 устанавливают расход в трубе.

         Температуру рабочего вещества измеряют термометром 10. Для измерения перепада давления по длине трубы установлены дифманометры 12 и 13. На табло 14 и 15 показывается цена деления дифманометров. Массовый расход измеряют расходомером 11, в котором установлено пять поплавков, имеющих различную массу и позволяющих значительно расширить диапазон измерения расходов по сравнению с одним поплавком. Расход измеряют по верхнему краю поплавка, являющегося верхним в пределах шкалы расходомера. На табло 16 показывается значение цены деления расходомера для этого поплавка.

                                 4.ВЫВОД.

         Исследовал влияние различных факторов на гидравлическое сопротивление прямой гладкой трубы при стабилизированном движении в ней однофазной жидкости – дихлорэтана.

         После проведения опыта можно сделать следующие выводы:

         - чем выше скорость движения жидкости, тем ниже перепад давления в трубах;

         - чем короче труба, тем выше перепад давления;

         - чем выше температура, тем ниже перепад давления в трубах.

Краткое описание документа:

Целью работы является исследование влияния различных факторов на гидравлическое сопротивление прямой гладкой трубы при стабилизированном движении в ней однофазной жидкости (газа). Объект исследования - модель реального трубопровода, выполненная на компьютере.

В ходе работы изменяются параметры движения жидкости (газа), размер и форма сечения трубы, длина трубы, температура жидкости (газа), массовый расход. Труба может иметь шесть различных форм сечения: круг, кольцевой канал, эллипс, квадрат, прямоугольник, равнобедренный треугольник. Рабочей средой может быть вода, глицерин, этиловый спирт, ацетон, воздух и ряд других жидкостей. Студенты измеряют гидравлическое сопротивление трубопровода заданной длины, сравнивают значение сопротивления труб различной формы сечения с сопротивлением круглой трубы равной площади сечения. На основе анализа выполненной работы студенты делают заключение о характере влияния на сопротивление прямого гладкого трубопровода геометрических размеров и формы сечения, свойств жидкости (газа), температуры среды.