Определение расхода жидкости водосливом с тонкой стенкой

Вопросы определения расхода жидкости изучаются в дисциплинах механика жидкости и газов, гидравлика. Так в работе [11] описываются методики проведения виртуального практикума. Мы предлагаем самому студенту взять в руки лабораторный стенд (в буквальном смысле) и поставить серию экспериментов по определения расходов жидкости различными способами.

Лабораторные работы на портативной лаборатории «Капелька-2», выполненные по патенту на изобретение № 1721326 «Учебно-лабораторная установка для исследования установившегося движения жидкости» (авторы Слабожанин Г. Д., Слабо-жанин В. Г.) [8, 17], позволяют научиться определять расход жидкости водосливом с тонкой стенкой.

Для проведения эксперимента стенд устанавливаем в вертикальную позицию, представленную на рис. 2.1. Из верхнего резервуара 1 жидкость стекает в центральную часть стенда — щелевой канал 3 через отверстие 6. Далее жидкость поступает в нижний резервуар 2 по отверстию 5. Поступающая в бак 2 жидкость вытесняет воздух через отверстие 7 в верхнюю часть щелевого канала 3, откуда он в виде пузырьков через отверстие 4 поступает в верхний бак 7.

Переход воздуха из нижней части стенда в верхнюю обеспечивает постоянный на период работы стенда напор питания щелевого канала Нп и расход О.

Отклоняя от себя стенд (влево или вправо), можно регулировать расход в лотке.

Цель: изучение способа определения расхода жидкости через водослив с тонкой стенкой.

Схемы стенда

Рис. 2.1. Схемы стенда:

1,2 — резервуары; 3 — щелевой канал (лоток); 4, 5 и 6, 7 — отверстия, соединяющие баки; 8 и 9 — водосливы с тонкой стенкой и широким порогом; 10 — уровнемерная шкала

Общие сведения

Водослив — преграда, через которую переливается жидкость с более высокой отметки в более низкую. По профилю водосливы делятся на три типа:

  • 1) водосливы с тонкой стенкой;
  • 2) водосливы с широким порогом;
  • 3) водосливы практического профиля.

Водослив с тонкой стенкой (рис. 2.2) применяют при гидрометрических измерениях для определения расходов жидкости. Также с помощью водосливов с тонкой стенкой выравниваются уровни воды в резервуарах. Если жидкость касается только ее входной кромки, то стенка называется тонкой. Такой характер течения жидкости наблюдается, если толщина стенки 5 < 0,67Н [15], либо она имеет острую входную кромку.

Схема водослива с тонкой стенкой

Рис. 2.2. Схема водослива с тонкой стенкой

Поток жидкости, находящийся перед тонкой стенкой, называется верхним бьефом (В. Б.). Поток жидкости, находящийся после тонкой стенки, — нижним бьефом (Н. Б.). Верхняя кромка водослива называется гребень. Разница между отметкой зеркала воды в верхнем бьефе и отметкой гребня называется геометрическим напором Н. Отметка зеркала воды фиксируется перед водосливом на расстоянии не менее трехкратного значения геометрического напора. Глубина воды в нижнем бьефе называется бытовой глубиной И6.

Если бытовая глубина не оказывает влияния на величину напора Н, то водослив называется неподтопленным (на рис. 2.2 свободная поверхность воды показана сплошной линией). Если изменение бытовой глубины Иб вызывает изменение уровня в верхнем бьефе, водослив называют подтопленным (на рис. 2.2 свободная поверхность показана пунктиром).

Подтопление водослива наступает при соблюдении условий

где И — разница отметок свободных зеркал воды в верхнем и нижнем бьефах; Р — высота стенки водослива.

Разница между отметками зеркала воды в нижнем бьефе и гребня называется глубиной подтопления Ип.

Расход воды (2, м3/с, через неподтопленный водослив рассчитывается по формуле:

где Ь — ширина водослива, м; g — ускорение свободного падения, м2/с; т — коэффициент расхода, зависящий от типа и геометрии водослива; Но — полный напор на водосливе, м,

где а — коэффициент Кориолиса, принимаемый при турбулен-тром режиме движения жидкости равным 1,1, при ламинарном — 2; V — скорость жидкости перед верхним бьефом,

При Н < 0,5Р скоростным напором можно пренебречь и считать Но = Н.

Коэффициент расхода т определяют по формуле

Расход воды <2, м3/с, через подтопленные водосливы рассчитывается по формуле:

где суп — коэффициент подтопления (определяется на основании опытных данных).

Порядок выполнения работы

  • 1. Поставить стенд в состояние, соответствующее рис. 2.1. Дождаться момента, когда вся жидкость перельется в нижний бак 2.
  • 2. Перевернуть устройство на 180° (бак 2 должен оказаться вверху).
  • 3. При этом будет наблюдаться движение жидкости через водослив с тонкой стенкой (рис. 2.3). Отклоняя стенд влево или вправо, обратить внимание на изменение расхода жидкости. При этом можно наблюдать гидравлический прыжок в нижнем бьефе и отрыв струи от тонкой стенки.
Картина течения жидкости через водослив с тонкой стенкой

Рис. 2.3. Картина течения жидкости через водослив с тонкой стенкой

По окончании опыта повторить п. 1 и п. 2.

В процессе опыта замерить геометрический напор Н (см. рис. 2.2, 2.3) и продолжительность Г изменения уровня в баке до произвольно выбранного уровня воды 5 в баке со шкалой (к примеру, 2 см).

  • 6. С помощью линейки определить высоту водослива Р. Размеры горизонтального сечения бака А, Б и ширина водослива (лотка) Ъ указаны на корпусе устройства (рис. 2.3).
  • 7. Результаты измерений занести в табл. 2.1, сделать вычисления и сравнить опытное и расчетное значения коэффициентов расхода.

Таблица 2.1

№ п/п

Параметр

Обозначение, формулы

Значения величин

1

Высота водослива, см

2

Геометрический напор, см

3

Изменение уровня воды в баке, см

4

Продолжительность наблюдения, с

5

Расход жидкости, см3

6

Скорость потока до водослива, см/с

7

Полный напор, см

8

Коэффициент расхода экспериментальный

9

Коэффициент расхода расчетный

Примечание. Коэффициент Кориолиса а = 1,1; ускорение свободного падения ? = 981 см/с2.

Контрольные вопросы

  • 1. Что такое нормальный водослив?
  • 2. Напишите формулу для определения расхода через водослив.
  • 3. Как проявляется подтопление водослива?
  • 4. Укажите условия подтопления водослива с тонкой стенкой.
  • 5. Как учитывается в расчетах влияние подтопления на пропускную способность водослива?
  • 6. Изобразите схемы потока через неподтопленный и подтопленный прямоугольный водослив с вертикальной тонкой стенкой.

ТемаЗ

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >