Методика выполнения лабораторных работ

Какуніна Ганна Анатоліївна.

Методика выполнения лабораторной работы с применением оборудования лаборатории гидравлики сводится к следующему:

1. В соответствии с выполняемой работой в настоящем пособии выбирают описание соответствующей лабораторной работы.

2. Изучают теоретические основы выбранной работы, знакомятся с принципом действия лабораторной установки или стенда, целью и порядком выполнения экспериментов, формой таблицы для записи и обработки полученных результатов, расчетными формулами и контрольными вопросами.

3. Готовят протокол выполняемой работы по следующей форме:

1). Номер и название лабораторной работы. Фамилия, И. О. и N ^o группы студента.

2). Теоретическая часть.

3). Схема экспериментальной установки и ее состав.

4). Цель и порядок выполнения работы.

5). Результаты измерений и вычислений приводятся в таблице приведенной формы.

6). Основные расчетные формулы.

7). Вкладыш миллиметровой бумаги с графическим представлением результатов работы.

8). Выводы по работе. Заполняются после полного завершения и обработки работы и представляют самостоятельную оценку и анализ проведенного исследования.

9). Краткие письменные ответы на контрольные вопросы.

4. С помощью виртуальной установки произвести измерения необходимых параметров и внести полученные данные в таблицу.

5. Произвести анализ изучаемого явления и построить его гидравлические характеристики.

6. Обработать результаты измерений, построить необходимые характеристики и графики.

7. Сделать выводы по выполненной лабораторной работе и представить отчет к защите преподавателю.

     

Лабораторная работа 1. Измерение гидростатического давления и экспериментальное подтверждение закона Паскаля.

Цели работы:

1. Измерить с помощью пружинных манометров гидростатическое давление в 3‑ х точках: А, В и С, расположенных на различной глубине под уровнем жидкости, находящейся в абсолютном покое под действием только силы тяжести;

2. Подтвердить на основании экспериментальных данных закон Паскаля;

3. Построить по данным опыта № 2 в масштабе эпюру манометрического давления по глубине h.

Вводная часть.

Гидростатическим давлением p называют нормальное сжимающее напряжение, возникающее в покоящейся жидкости под действием поверхностных и массовых сил:

, (1.1)

где Δ P     -  элементарная равнодействующая поверхностных и массовых сил (гидростатическая сила), Н;

Δ S     -  элементарная площадка действия, м ².

Из формулы (1.1) видно, что гидростатическое давление p есть предел отношения элементарной гидростатической силы Δ P к элементарной площади Δ S её действия, когда последняя стремится к нулю.

За единицу гидростатического давления принято равномерно распределённое давление, создаваемое силой в 1 Н, на площади в 1 м ², т.е.

(один Паскаль).

Гидростатическое давление, отсчитываемое от нуля, называют абсолютным (p _абс), а отсчитываемое от атмосферного (p _атм) – избыточным (p _изб). Следовательно,

. (1.2)

Очевидно, что

. (1.3)

Из формулы (1.3) видно, что в зависимости от соотношения между p _абс и p _изб избыточное давление p _изб может быть и положительным, и отрицательным. Положительное избыточное давление называют манометрическим, а отрицательное – вакуумметрическим. Приборы для их измерения называют соответственно манометрами и вакуумметрами.

По принципу действия манометры и вакуумметры делятся на две группы: жидкостные и механические.

Жидкостный манометр (пьезометр) – стеклянная трубка, верхний её конец открыт в атмосферу, а нижний подключен к точке, где измеряют избыточное давление (рис. 1.1, а).

Механические (пружинные) манометры в технике применяют весьма часто (рис. 1.1, б).

В гидравлических расчётах величину нормального атмосферного давления считают равной p _атм = 98100 Па (760 мм. рт. ст., ≈ 10 000 мм. вод. ст.). Сравнительно небольшое давление, в т.ч. атмосферное, обычно измеряют барометром (рис. 1.1, в).

Манометрическое давление, выраженное через показания манометра, равно:

, (1.4)

где ρ g = γ - объемный вес жидкости;

h _{( p Изб)} ‑ пьезометрическая высота, т.е. высота, отсчитываемая от точки подключения пьезометра до уровня жидкости в нём.

Действие механических приборов основано на деформации под действием давления упругого элемента (пружины или мембраны). Пружинный манометр показывает давление в точке жидкости на уровне оси вращения его стрелки. Если положения оси вращения стрелки и точки подключения манометра по высоте не совпадают (± y, рис. 1.2), в показание манометра (p _м) вводят поправку (±ρ gy).

Рис. 1.1. Схемы: ‑ пьезометра (а): 1 ‑ верхний открытый в атмосферу конец пьезометра; 2 ‑ уровень, указываемый пьезометром (пьезометрическая высота); 3 ‑ стеклянная трубка (пьезометр); 4 ‑ шкала; 5 ‑ точка подключения пьезометра для измерения давления;

‑ механического пружинного манометра (б): 1 ‑ циферблат со шкалой; 2 ‑ стрелка; 3 ‑ зубчатая рейка; 4 ‑ ось стрелки; 5 ‑ шестерня привода стрелки; 6 ‑ изогнутый упругий резервуар; 7 ‑ патрубок подключения манометра к точке измерения давления; и ‑ барометра (в): 1 ‑ циферблат со шкалой; 2 ‑ стрелка; 3 ‑ шток; 4 ‑ гофрированный корпус резервуара; 5 ‑ опора.

Для случаев, изображённых на рис. 1.2,

, (1.5)

где y   ‑ превышение оси вращения стрелки манометра над точкой его подключения, м.

В этой лабораторной работе предусмотрено измерение манометрического давления пружинными манометрами.

Когда на покоящуюся жидкость действует только сила тяжести, распределение гидростатического давления p по глубине h (рис. 1.1) описывается основным уравнением гидростатики, выражающееся следующей линейной функцией:

, (1.6)

где p ‑ гидростатическое давление (Па) в жидкости на глубине h, (функция);

p ₀ ‑ внешнее давление, т.е. гидростатическое давление на свободной поверхности жидкости, Па, (свободный член);

h ‑ глубина погружения в жидкость рассматриваемой точки, м, аргумент;

ρ g ‑ удельный вес жидкости, Н, (коэффициент).

Из уравнения (1.6) видно, что при p ₀ = const и ρ = const давление p с изменением величины h изменяется по линейному закону (рис. 1.3).

Уравнение (1.6) – линейное, т.е. его каноническая форма ах + b = 0 показывает, что функция p (давление) с изменением аргумента h (глубины) изменяется по линейному закону с коэффициентом a = ρ g (удельный вес жидкости).

Из уравнения (1.6) следует, что внешнее давление p ₀ в покоящейся жидкости распространяется во все стороны в её объёме равномерно. Это называют законом Паскаля. Справедливость этого закона предстоит проверить на опыте, то есть экспериментально.

Рис. 1.2. Установка для экспериментального подтверждения закона Паскаля: 1 ‑ воздушный компрессор; 2 ‑ водяной столб (колодец); 3 ‑ шкала водомерного стекла; 4 ‑ пружинный манометр; 5 ‑ трубка подключения ёмкости с жидкостью к манометру.

Описание установки.

Установка (рис. 1.2) представляет собой толстостенный стальной цилиндр 1, частично заполненный водой, уровень которой измеряется водомерной трубкой со шкалой 2.

Для изменения гидростатического давления над свободной поверхностью жидкости (в точке А) и в точках подключения 4: В и С, заглублённых под уровень соответственно на h _А, h _В и h _С, посредством трубок 5 подключены пружинные манометры 3: M _A, M _B и M _C.

В пространство над свободной поверхностью жидкости можно подавать сжатый воздух от компрессора 6 по трубопроводу. Для сброса избыточного гидростатического давления в цилиндре служит вентиль 7. В крышке цилиндра должен иметься предохранительный клапан, отрегулированный на давление ≈ 500 кПа, и вентиль 8 сообщения с атмосферой.