Общата загуба на енергия в тръбна система е сумата от големите и малките загуби. Основните загуби са свързани с загуба на енергия от триене, причинена от вискозните ефекти на течността и грапавостта на стената на тръбата. Големите загуби създават спад на налягането по тръбата, тъй като налягането трябва да работи, за да се преодолее съпротивлението на триене. Уравнението на Дарси-Вайсбах е най-широко приетата формула за определяне на енергийните загуби в тръбния поток. В това уравнение коефициентът на триене (f), безразмерно количество, се използва за описване на загубите от триене в тръба. При ламинарните потоци f е само функция от числото на Рейнолдс и не зависи от повърхностната грапавост на тръбата. При напълно турбулентни потоци f зависи както от броя на Рейнолдс, така и от относителната грапавост на стената на тръбата. При инженерни проблеми f се определя чрез използване на диаграмата на Moody.

В инженерните приложения е важно да се увеличи производителността на тръбите, т.е. максимизиране на капацитета на дебита и минимизиране на загубата на глава на единица дължина. Според уравнението на Дарси-Вайсбах за дадена скорост на потока загубата на напор намалява с обратната пета степен на диаметъра на тръбата. Удвояването на диаметъра на тръбата води до намаляване на загубата на глава с 32 пъти (≈ 97% намаление), докато количеството материал, необходимо за единица дължина на тръбата и разходите за нейното инсталиране, се удвоява почти двойно. Това означава, че консумацията на енергия, за да се преодолее съпротивлението на триене в тръба, пренасяща определен дебит, може да бъде значително намалена при относително малки капиталови разходи.

Целта на този експеримент е да се изследва загубата на глава поради триене в тръба и да се определи съответният коефициент на триене при диапазон от скорости на потока и режими на потока, т.е. ламинарен, преходен и турбулентен.

Коефициентът на триене се определя чрез измерване на разликата в напора на налягането между две неподвижни точки в права тръба с кръгло напречно сечение за постоянни потоци.

Следното оборудване е необходимо за извършване на енергийните загуби в експеримента с тръби:

  • F1-10 хидравлична пейка,
  • Апарат за триене на тръби F1-18,
  • Хронометър за синхронизиране на измерването на дебита,
  • Измервателен цилиндър за измерване на много ниски дебити,
  • Ниво на духа и
  • Термометър.

Апаратът за триене на тръбите се състои от изпитвателна тръба (монтирана вертикално на платформата), резервоар с постоянна глава, клапан за контрол на потока, клапан за изпускане на въздух и два комплекта манометри за измерване на загубите на глава в тръбата (Фигура 4.1) . За измерване на големи диференциали на налягането се използва комплект от два манометра с вода над живак, а за измерване на малки диференциали на налягането се използват два водни манометра. Когато не се използват, манометрите могат да бъдат изолирани, като се използват скоби на Хофман.

Тъй като живакът се счита за опасно вещество, той не може да се използва в бакалавърски лаборатории по механика на течности. Следователно за този експеримент манометрите над водата над живака се заменят с манометър за диференциално налягане, за да се измерват директно големи диференциали на налягането.

Този експеримент се извършва при две условия на потока: високи дебити и ниски дебити. За експерименти с висок дебит входящата тръба е свързана директно към водоснабдяването на стенд. За експерименти с нисък дебит входът към резервоара с постоянна глава е свързан към захранването на стенда, а изходът в основата на резервоара за глава е свързан с горната част на изпитвателната тръба [4].

Клапанът за контрол на потока на апарата се използва за регулиране на потока през изпитвателната тръба. Този клапан трябва да е обърнат към обемния резервоар и към него трябва да бъде прикрепена гъвкава тръба, за да се предотврати пръскането.

Вентилът за изпускане на въздух улеснява продухването на системата и регулирането на нивото на водата във водните манометри до удобно ниво, като позволява на въздуха да навлиза в тях.

наръчник
Фигура 4.1: Апарат за изпитване на триене на тръби F1-18

Загубата на енергия в тръба може да се определи чрез прилагане на енергийното уравнение към участък от права тръба с равномерно напречно сечение:

Ако тръбата е хоризонтална:

Разликата в налягането (Pout-Pin) между две точки в тръбата се дължи на съпротивлението на триене, а загубата на глава hL е пряко пропорционална на разликата в налягането.

Загубата на глава поради триене може да се изчисли от уравнението на Дарси-Вайсбах:

: загуба на глава поради съпротивление на потока

f: коефициент на Дарси-Вайсбах

D: диаметър на тръбата

v: средна скорост

g: гравитационно ускорение.

За ламинарен поток коефициентът на Дарси-Вайсбах (или коефициентът на триене f) е само функция от числото на Рейнолдс (Re) и не зависи от повърхностната грапавост на тръбата, т.е.:

За турбулентен поток f е функция както на числото на Рейнолдс, така и на височината на грапавостта на тръбата,. Други фактори, като разстоянието между грапавостите и формата, също могат да повлияят на стойността на f; тези ефекти обаче не са добре разбрани и в много случаи могат да бъдат незначителни. Следователно f трябва да се определя експериментално. Диаграмата на Moody се отнася f към относителната грапавост на стената на тръбата (/ D) и числото на Рейнолдс (Фигура 4.2).

Вместо да се използва диаграмата на Moody, f може да се определи чрез използване на емпирични формули. Тези формули се използват в инженерни приложения, когато се използват компютърни програми или методи за изчисляване на електронни таблици. За турбулентен поток в гладка тръба, добре известна крива, прилягаща към диаграмата на Муди, се дава от:

Числото на Рейнолдс се дава от:

където v е средната скорост, D е диаметърът на тръбата и и са съответно динамичен и кинематичен вискозитет на флуида. (Фигура 4.3).

В този експеримент hL се измерва директно от водните манометри и манометъра на диференциалното налягане, които са свързани с отворите за налягане към изпитвателната тръба. Средната скорост, v, се изчислява от обемния дебит (Q) като:

Следните размери от изпитвателната тръба могат да се използват при съответните изчисления [4]:

Дължина на изпитвателната тръба = 0,50 m,

Диаметър на изпитвателната тръба = 0,003 m.

Фигура 4.2: Moody Diagram Фигура 4.3: Кинематичен вискозитет на водата (v) при атмосферно налягане


Експериментът ще се проведе в две части: високи дебити и ниски дебити. Настройте оборудването, както следва:

  • Монтирайте тестовата платформа на хидравличната пейка и регулирайте краката с нивелир, за да сте сигурни, че основната плоча е хоризонтална, а манометрите вертикални.
  • Прикрепете скобите на Хофман към водните манометри и свързващите тръби на манометъра и ги затворете.

Експеримент с висок дебит

Големият дебит ще се подава към тестовата секция чрез свързване на входящата тръба на оборудването към хидравличния стенд, при изключена помпа. Следват се следните стъпки.

  • Затворете клапата на стенда, отворете докрай клапана за контрол на потока на апарата и стартирайте помпата. Отворете прогресивно клапата на стенда и пуснете потока, докато целият въздух се изчисти.
  • Отстранете скобите от свързващите тръби на диференциалния манометър и прочистете въздуха от вентила за обезвъздушаване, разположен отстрани на манометъра.
  • Затворете вентила за изпускане на въздух, след като в свързващите тръби не се наблюдават въздушни мехурчета.
  • Затворете клапана за контрол на дебита на апарата и отчетете нулев дебит от манометъра.
  • При напълно отворен клапан за регулиране на дебита измервайте загубата на глава, показана от манометъра.
  • Определете дебита чрез събиране по време.
  • Регулирайте клапана за регулиране на дебита поетапно, за да наблюдавате разликите в налягането на стъпки от 0,05 бара. Получете данни за десет скорости на потока. За всяка стъпка определете скоростта на потока чрез събиране по време.
  • Затворете клапана за регулиране на дебита и изключете помпата.

Разликата в налягането, измерена от манометъра за диференциално налягане, може да бъде преобразувана в еквивалентна загуба на напор (hL), като се използва коефициентът на преобразуване:

1 бара = 10,2 м вода

Експеримент с нисък дебит

Ниският дебит ще се подава към тестовата секция чрез свързване на изходната тръба на хидравличната скамейка към резервоара за глава с изключена помпа. Направете следните стъпки.

Моля, използвайте тази връзка за достъп до работната книга на Excel за този експеримент.

9.1. Резултати

Запишете всички показания на манометъра и манометъра, температурата на водата и обемните измервания в таблиците със сурови данни.

Таблици с необработени данни: Експеримент с висок дебит

Тест №. Загуба на глава (бар) Обем (литри) Време (а)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

Таблици с необработени данни: Експеримент с нисък дебит

Тест №. h1 (m) h2 (m) Загуба на глава hL (m) Обем (литри) Време (а)
1
2
3
4
5
6
7
8
Температура на водата:

9.2. Изчисления

Изчислете стойностите на изпускането; средна скорост на потока; и експериментален коефициент на триене, f, използвайки уравнение 3, и числото на Рейнолдс за всеки експеримент. Също така, изчислете теоретичния коефициент на триене, f, като използвате уравнение 4 за ламинарен поток и уравнение 5 за турбулентен поток за диапазон от числа на Рейнолдс. Запишете изчисленията си в следните примерни таблици с резултати.

Таблица с резултати - Експериментални стойности

Тест №. Загуба на глава hL (m) Обем (литри) Време (а) Разряд (m 3/s) Скорост (m/s) Коефициент на триене, f Номер на Рейнолдс
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11.
12
13
14.
15
16.
17
18.

Таблица с резултати - Теоретични стойности

Не. Режим на потока Номер на Рейнолдс Коефициент на триене, f
1 Ламинар (уравнение 4) 100
2 200
3 400
4 800
5 1600
6 2000 г.
7 Турбулентен (уравнение 5) 4000
8 6000
9 8000
10 10000
11. 12000
12 16000
13 20000

Използвайте предоставения шаблон, за да подготвите своя лабораторен отчет за този експеримент. Отчетът ви трябва да включва следното:

Разрешително

Наръчник по приложна механика на флуидната механика от Habib Ahmari и Shah Md Imran Kabir е лицензиран под Creative Commons Attribution 4.0 International License, освен ако не е посочено друго.