2.2.6. Содержание отчета и его форма.

Отчет должен содержать схему и описание лабораторного испытательного стенда, основные теоретические сведения, графическое изображение расчетных и экспериментальных зависимостей z = z(r). Результаты замеров и вычислений вносятся в отчет в виде табл.3.

Таблица 3

Результаты замеров и вычислений

Номер точки	1	2	3	4	5	6
Отсчет по горизонтальной шкале слева, см
Отсчет по горизонтальной шкале справа, см
Ордината опытная, см
Расстояние от оси вращения, см
Опытные значения,
Расчетная ордината, см

3. Гидродинамика

3.1. Лабораторная работа: изучение режимов

ТЕЧЕНИЯ ЖИДКОСТИ.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ – наглядная иллюстрация ламинарного и турбулентного режимов течения жидкости.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ – аналитическое определение чисел Рейнольдса, соответствующих этим режимам.

3.1.1. Теоретические основы.

В природе существуют два резко отличающихся друг от друга режима течения жидкости: ламинарный и турбулентный.

К ак показывают лабораторные исследования, структура потока при различных скоростях течения различна. Определить вид режима течения потока жидкости по его структуре можно визуально и аналитически. Если в движущийся в стеклянной трубе поток жидкости (рис.13, а) пустить тонкую струйку окрашенной жидкости, можно увидеть, что при малых скоростях течения в ней появятся окрашенные слои жидкости: они будут двигаться прямолинейно, без пульсации, не перемешиваясь с соседними слоями потока жидкости (ламинарное течение).

а) б)

Рис.13. Схемы ламинарного (а) и турбулентного (б) течений

Ламинарным называют слоистое течение без перемешивания частиц жидкости, которые движутся параллельно оси трубопровода с различными скоростями.

В условиях постепенного увеличения скорости течения жидкости в стеклянной трубе, при достижении некоторой скорости параллельно-струйное течение нарушится, окрашенные слои станут дрожащими (пульсирующими), далее они вначале примут извилистую форму, а затем в некоторых местах струек появятся разрывы. Если продолжать увеличивать скорость течения, разрывы струек участятся, затем окрашенные струйки исчезнут, перемешавшись с потоком жидкости (см. рис.13, б).

Таким образом, при больших скоростях течения наряду с основным поступательным перемещением происходит поперечное и вращательное движение частиц, что приводит к интенсивному их перемешиванию. Этим объясняется пульсация скоростей и давлений в турбулентном потоке.

Турбулентным называется течение, сопровождающееся беспорядочным, хаотическим движением жидкости с пульсацией скоростей и давлений.

Английский физик О. Рейнольдс установил в 1883 г. условия, при которых возможно существование одного из указанных режимов и переход от одного к другому. Основными факторами, определяющими режим течения, являются: средняя скорость v, диаметр трубы d и кинематический коэффициент вязкости . Для характеристики режима течения жидкости было введено безразмерное число Рейнольдса (Re), учитывающее влияние перечисленных факторов:

. ( 3.1 )

Границы существования того и другого режима определяются двумя критическими числами. Число Рейнольдса, ниже которого наблюдается устойчивое ламинарное течение, называется нижним критическим числом Рейнольдса ( = 2300). При числе Рейнольдса, превышающем верхнее критическое значение, наблюдается устойчивый турбулентный режим течения ( 4000).

В узком интервале чисел Рейнольдса между критическим нижним и критическим верхним наблюдается переходный режим, отличающийся крайней неустойчивостью. В этом диапазоне может существовать как ламинарное, так и турбулентное течение, но оба они неустойчивы и легко переходят друг в друга.

Нижнее критическое число Re имеет относительно стабильное значение, верхнее же может существенно изменяться под воздействием различных факторов: возмущения на входе, шероховатость стенок, вибрация трубы и т.д. С физической точки зрения число Рейнольдса есть величина, пропорциональная отношению сил вязкости к силам инерции.

3.1.2. Методика выполнения эксперимента.

Визуальное наблюдение режима течения жидкости проводится на приборе Рейнольдса (рис.14). Прибор состоит из напорного бака 1, в который поступает вода по трубопроводу, снабженному вентилем 2. Для поддержания в баке постоянного уровня воды имеется сливная труба 8. Уровень воды в баке контролируется с помощью мерного стекла 9. К баку подсоединена стеклянная труба 3, в конце которой имеется вентиль 4 для регулирования расхода воды. Над баком 1 установлен кольцевой сосуд 5 с подкрашенной жидкостью. К днищу сосуда подключена трубка 6 с краном 7, при помощи которого регулируется расход подкрашенной жидкости. Открытый отогнутый конец трубки 6 установлен по оси трубы 3. Прибор снабжен качающимся водомером 10, служащим для определения расхода воды через трубу 3. На трубе 3 имеются отводы к пьезометрам 11 и 12. Пьезометры предназначены для определения потерь напора в трубе 3 на фиксированном участке.

Рис.14. Схема прибора Рейнольдса

Визуальные наблюдения режимов течения воды в стеклянной трубе основаны на виде окрашенной струйки. Для установления ламинарного режима течения необходимо обеспечить малый расход воды через стеклянную трубу, а для создания турбулентного режима течения следует увеличить расход воды. При определении числа Рейнольдса вычисляется среднерасходная скорость v и кинематический коэффициент вязкости .

Среднерасходную скорость вычисляют по формуле:

V = Q / S (см/с). ( 3.2 )

Расход Q в этой формуле, измеренный объемным способом, равен:

( ), ( 3.3 )

где n – число качаний водомера за время t;

w – объем полости качающегося водомера;

S – площадь живого сечения потока в стеклянной трубе.

Значение кинематического коэффициента вязкости воды  в зависимости от ее температуры определяется по формуле Пуазейля:

, ( 3.4 )

где Т – температура воды в градусах Цельсия.

Режим течения жидкости в стеклянной трубе устанавливается согласованием полученных в опытах значений чисел Рейнольдса с критическими их значениями.

3.1.3. Порядок выполнения работы на экспериментальной установке.

1. Наполнить напорный бак 1 водой и измерить температуру Т воды.

2. При минимально возможном открытии вентиля 4 регулируется подача воды в бак 1 так, чтобы непрерывно работал слив 8.

3. Установить краном 7 подачу подкрашенной жидкости в трубу 3.

4. Визуально оценить вид подкрашенной струйки, определить число качаний водомера, замерить время цикла (цикл - одно двойное качание водомера) и занести данные эксперимента в табл.4.

5. Увеличить расход воды путем большего открытия вентиля 4, обеспечивая при этом непрерывную работу слива 8, установить подачу подкрашенной жидкости в трубу 3, визуально оценить вид подкрашенной струйки и замерить время цикла водомера.

6. Опыт повторить при трех различных расходах воды, при этом каждый раз необходимо увеличивать открытие вентиля 4. Последний опыт проводится при полностью открытом вентиле 4.

7. Для каждого из опытов по формулам (3.1-3.4) вычислить значение числа Рейнольдса. Сопоставляя полученные значения Re с критическими их значениями, установить режим течения воды и результаты внести в табл.4.

3.1.4. Порядок выполнения лабораторной работы на ПЭВМ.

1. Выполнить работы по п.п. 1-5 раздела 1.1.4.

2. Нажатием клавиши Tab переместить курсор в меню файлов Q BASIC и при помощи клавиши ↓ установить его на разделе Л.р. 11. bas.

3. Нажимая клавишу ENTER войти в файл программы Л.р. 11. bas.

4. Для запуска программы Л.р. 11. bas одновременно нажмите клавиши Shift и F5. На экране монитора откроется первое окно, содержащее информацию в соответствии с рис.15.

5. За знаком ? на месте мигающего курсора в соответствии со списком программы (см. рис.15) введите с клавиатуры степень открытия запорного вентиля 1.

6. После нажатия клавиши ENTER откроется второе окно (рис.16), в котором можно визуально наблюдать динамику протекания лабораторного процесса, по окончании которого, после нажатия клавиши «пробел», появится третье окно (рис.17) с результатами измерений. Результаты измерений заносят в табл.4.

Рис.15. Содержание первого окна программы Л.р. 11.bas.

Рис.16. Содержание второго окна программы Л.р. 11.bas

Рис.17. Содержание третьего окна программы Л.р. 11.bas

7. Повторить работы по п.п. 5 и 6, руководствуясь списком программы (см. рис.15).

8. Выполнить расчеты, указанные в п.7 раздела 3.1.3, и результаты поместить в табл.4.

9. По окончании выполнения исследований одновременным нажатием клавиш Ctrl и Pause Break остановить выполнение программы.

10. Нажимая последовательно клавиши Alt и ← переместить курсор в меню программы Q BASIC к разделу «Файл» и, посредством клавиш ENTER и ↓ , подвести его в образовавшемся окне к разделу “Выход”.

11. Нажать клавишу ENTER и завершить работу программы Q BASIC.

12. Отключить системный блок и монитор компьютера от электросети.