Описание устройства № 4
Устройства № 4 содержит баки 1 и 2, сообщаемые через опытные каналы переменного № и постоянного 4 сечений (рис. 5). Каналы соединены между собой равномерно расположенными пьезометрами I – V, служащими для измерения пьезометрических напоров в характерных сечениях. Устройство заполнено подкрашенной водой. В одном из баков предусмотрена шкала 5 для измерения уровня воды.
При перевертывании устройства благодаря постоянству напора истечения H0 во времени, обеспечивается установившееся движение воды в нижнем канале. Другой канал в это время пропускает воздух, вытесняемый жидкостью из нижнего бака в верхний.
    |
Рис. 5. Схема устройства № 4: 1, 2 – баки; 3, 4 – опытные каналы
переменного и постоянного сечений; 5 – уровнемерная шкала;
I – V – пьезометры
Порядок выполнения работы
1. Заполнив водой бак 1 (см. рис. 5), перевернуть устройство для получений течения в канале постоянного сечения 4.
2. Снять показания пьезометров 
по нижним положениям менисков воды в них для пяти сечений I …V, пьезометрический напор в шестом сечении
равен нулю, то есть 
.
3. Измерить время t (в секундах) перемещения уровня воды в баке на произвольно заданную величину S .
4. По данным измерений определить:
а) расход жидкости
, (5)
числовые значения поперечного сечения бака А и В определить по табло на устройстве № 4;
б) среднюю скорость потока в сечениях I …VI (значения площадей сечений w приведены на табло устройства № 4)
; (6)
в) скоростные напоры 
в сечениях I…VI, приняв коэффициент кинетической энергии aI…a VI »1;
г) полные напоры 
в сечениях канала I…VI, совместив плоскость сравнения с осевой линией потока (таким образом,
z I…z VI = 0).
5. Данные опытов занести в табл. 9 (см. Приложение).
6. Построить для данного канала пьезометрическую линию. Для этого, обозначив контуры канала, отложить в масштабе от его осевой линии (плоскости сравнения) для сечений I…VI пьезометрические напоры . Соединив крайние точки, получить пьезометрическую линию, иллюстрирующую изменение потенциальной энергии (гидростатического напора) вдоль потока (рис. 6, кривая 1).
7. На том же рисунке построить напорную линию. Для этого в масштабе отложить для каждого сечения I …VI от пьезометрической линии скоростные напоры 
(или от осевой линии потока – полные напоры 
) и соединить полученные точки (см. рис. 6, кривая 2).
Рис. 6. Построение напорных линий для канала постоянного сечения
8. Заполнив водой бак 2 (см. рис. 5) и перевернув устройство для получения течения в канале переменного сечения 3, повторить опыт по пп. 2…7. Пьезометрическая и напорная линии для данного канала показаны на рис. 7 кривой 1 и 2 соответственно.
9. Сделать выводы по данной работе.
  |
Рис. 7. Построение напорных линий для канала переменного сечения
Работа 7. Исследование местных гидравлических
сопротивлений
Цель работы
1. Освоение методики опытного определения потерь напора в местных гидравлических сопротивлениях.
2. Проведение сравнительного анализа потерь напора в местных сопротивлениях, полученных опытным путем, с потерями напора, рассчитанными по формуле Вейсбаха при использовании инженерных зависимостей для коэффициентов местных сопротивлений. Вычисление относительного расхождения опытного и расчетного значений потерь напора в местных гидравлических сопротивлениях.
Общие сведения
Местные изменения размеров или конфигурации русла на различных фасонных участках (внезапное или плавное расширение (сужение), вентили, задвижки, клапаны, колена, арматура и т.п.) вызывают деформацию и изменение скорости потока. При прохождении жидкости через фасонные участки происходит отрыв транзитного потока от стенок русла, образуются циркуляционные зоны, на вращение жидкости в которых затрачивается часть механической энергии потока.
Гидравлические сопротивления фасонных участков называются местными сопротивлениями, потери механической энергии в этих местных сопротивлениях называются местными потерями энергии.
Потери напора в местных гидравлических сопротивлениях с физической точки зрения обусловлены инерционно-вязкостным взаимодействием жидкости со стенками фасонных участков русла и могут быть определены по формуле Вейсбаха:
, (1)
где z – коэффициент местного сопротивления; V – средняя по сечению скорость, м/с.
Если скорость в местном гидравлическом сопротивлении изменяется по длине, то за расчетную скорость принято принимать бóльшую из скоростей.
Сложный характер взаимодействия потока жидкости с местными гидравлическими сопротивлениями не позволяет, как правило, установить аналитические зависимости для определения коэффициентов местных сопротивлений z. Для большинства местных сопротивлений коэффициенты z определяются опытным путем. В общем случае, как показывают расчеты и данные опытов, коэффициенты z зависят от геометрии фасонного участка трубы или канала и от состояния потока. При этом влияние числа Рейнольдса Re на коэффициенты многих местных сопротивлений ограничивается, как правило, областью ламинарного течения жидкости. При турбулентном течении коэффициенты местных сопротивлений z определяются в основном формой местных сопротивлений и геометрическими параметрами и не зависят от числа Рейнольдса, что означает квадратичный закон сопротивления или автомодельность.
Величина местных потерь напора экспериментально определяется разностью полных напоров жидкости до и после местного сопротивления. При этом коэффициент местного сопротивления z определяется отношением местных потерь напора к скоростному напору, то есть
. (2)
При расчетном определении потерь напора по формуле Вейсбаха (1) коэффициент местного сопротивления при внезапном сужении русла может быть определен по полуэмпирической формуле Идельчика:
 |
. (3)