Материал: Авдеев Е.Ф., Ющенко Н.Е. Лабораторный практикум по курсу Механика жидкости и газа

УДК 532 (076.8)

Авдеев Е.Ф., Ющенко Н.Е. Лабораторный практикум по курсу «Механика жидкости и газа». – Обнинск: ИАТЭ, 2007, – 68 с.

Лабораторный практикум знакомит студентов со способами экспериментального определения наиболее важных коэффициентов и характеристик потоков, помогает усвоению теоретических положений курса «Механика жидкости и газа» или интегрированных курсов, в которые «Механика жидкости и газа» входит в качестве раздела.

В новом издании устранены опечатки, допущенные в предыдущем издании [3]. Лабораторная работа №1 дополнена определением скорости воздуха в предположении адиабатического течения. Изменена методика определения скорости набегающего на пучок труб потока в лабораторной работе №9. В связи с использованием цифровых милливольтметров исключены градуировочные таблицы для определения температуры.

Илл. 20, табл. 18, библ. 3 назв.

Рецензенты: д.т.н. В.С. Федотовский, к.т.н. А.А. Казанцев

Темплан 2007, поз. 49

©Обнинский государственный технический университет атомной энергетики, 2007 г.

©Е.Ф. Авдеев, Н.Е. Ющенко, 2007 г.

2

ТРЕБОВАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ И ОФОРМЛЕНИЮ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

Название и единицы термодинамических параметров

Всистеме СИ, которая введена в России с января 1963 г., за единицу измерения давления принят паскаль (Па) – это давление,

вызываемое силой в 1Н, равномерно распределенной по площади

1м2 (1 Па = 1Н/м2).

Всистеме МКГСС за единицу измерения давления принимается один килограмм-сила на квадратный метр (кгс/м2). Кроме того, для измерения давления используются и другие, так называемые внесистемные, единицы: атмосфера, бар, миллибар, миллиметр ртутного столба, метр и миллиметр водяного столба.

Атмосфера − это давление силой в один килограмм-силы на квадратный сантиметр (кгс/см2); применяется для измерения давления в технике. Она соответствует 10 м водяного столба. Для отличия от физической атмосферы (равной 760 мм ртутного столба) к ее наименованию добавляют слово «техническая», причем,

1 ат = 9,80665 · 104 Н/м2 .

Бар – единица, равная 105 Н/м2 или

1 бар = 105Па.

В метрологии для измерения атмосферного давления применяют более мелкую единицу давления – миллибар (мбар):

1 мбар = 102 Па.

Миллиметр ртутного столба – это гидростатическое давление столбика ртути высотой в 1 мм:

1 мм рт.ст. = 133,322 Па.

Эта единица измерения применяется для измерения давления в барометрах, жидкостных манометрах и других приборах. За нормальное атмосферное давление принимается давление

p0 = 760 мм рт. ст.

Миллиметр водяного столба

1 мм вод. ст. = 9,80665 Па.

Эта единица применяется для измерения давления в напоромерах и тягомерах (для измерения тяги в топочных устройствах), а также разности давлений в дифференциальных манометрах

1 кгс/см2 = 10 4 кгс/м2 = 9,81·104Па = 735,6 мм рт. ст.

3

Нормальное атмосферное давление в различных системах единиц

760 мм рт.ст. = 1,013 · 105 Па = 10333 кгс/м2 = 10333мм вод. ст.

Плотность (ρ) – это масса вещества (жидкости) в единице объе-

[γ] = Н/ м3, в системе МКГСС [γ] = кгс/м3.

Важно не путать при расчетах размерности плотности и объемного веса, т.к. плотность в системе СИ и удельный вес в системе МКГСС имеют одно и то же численное значение. Например, для сухого воздуха при нормальных условиях (р0 = 760 мм рт. ст., t0 = 15 °С)

в системе МКГСС γ0 = 1,226 кгс/м3 и в системе СИ ρ0 = 1,226 кг/м3, однако в системе МКГСС ρ0 = 0,125 кгс·с2/м3, т.к. ρ= γ / g.

Вязкость. При движении реальной жидкости возникает внутреннее трение, обусловленное вязкостью жидкости. В 1687 г. И. Ньютоном предложена зависимость, получившая затем силу закона, согласно которой касательное напряжение трения пропорционально градиенту скорости по нормали к направлению течения:

τ =μ∂∂un .

Для большинства жидкостей экспериментально подтверждена справедливость этого закона; эти жидкости называются ньютоновскими. Воздух и вода относятся к их числу. Коэффициент µ зависит от рода жидкости, ее температуры и практически (в определен-

ных пределах) не зависит от давления. В системе СИ [μ]= H c/м2 , в МКГСС [μ]= кгс с/м2 . Для воздуха при малых отклонениях от

нормальных условий в системе МКГСС применяют формулу

μ =1.745 10−6 +5.03 10−9 t0 .

Для более широкого диапазона температур пользуются формулой

μ= μ0 T 0.754 .

T0

Кинематический коэффициент вязкости связан с динамическим через плотность:

ν = μ / ρ.

4

В системах СИ и МКГСС [ν] = м2/с, в системе СГС единица ки-

нематической вязкости называется стоксом (ст.): 1 м2 /с = 104 см2 /с = 104 ст.

При нормальных условиях для воздуха

μ = 1,82 ·10–6 кгс·с/м2 , ν = 1,45·10–5 м2/с.

Для воды коэффициент кинематической вязкости в зависимости от температуры определяется по формуле Пуазейля

Сравнивая коэффициенты воды и воздуха при нормальных условиях, получим, что коэффициент кинематической вязкости воздуха в 12,7 раза больше коэффициента кинематической вязкости воды.

Статическое и полное давление

Все манометры измеряют разность давлений. В частном случае, когда одно из давлений атмосферное, эта разность называется избыточным (манометрическим) давлением.

При исследовании стационарных течений различают статическое, динамическое (скоростной напор) и полное давление (давление торможения). Статическое давление р − это давление, которое измерил бы датчик, двигаясь с той же скоростью, что и частицы жидкости; давление торможения р0 − это давление, которое было бы, если бы поток в рассматриваемой точке изоэнтропически затормозить. Разность между давлением торможения и статическим называется динамическим давлением. Связь между ними для несжимаемой жидкости дает интеграл Д. Бернулли:

p0 = p + ρV2 2 .

Температура торможения и температура восстановления

В точке торможения, где скорость равна нулю, реализуются также наибольшая температура Т0 и наибольшая плотность ρ0.

Когда влияние сжимаемости за счет скорости становится заметным, температура торможения отличается от статической температуры Т. Эту температуру показал бы датчик (например, спай термопары), движущийся вместе с частицами газа при отсутствии излучения.

5