К.т.н. Балаклейский С.П., студент Орефков М.В.

Костанайский государственный университет им. А. Байтурсынова, Казахстан

МОДЕРНИЗАЦИЯ ЛАБОРАТОРНОГО МОДУЛЯ «ИЗУЧЕНИЕ РЕЖИМОВ ТЕЧЕНИЯ ЖИДКОСТИ»

На рисунке 1 представлена классическая схема широко используемой лабораторной установки, для изучения режимов течения жидкости. В состав установки входят следующие основные элементы: сосуд 1 с исследуемой жидкостью (обязательно прозрачной!); трубопровод 2 подвода исследуемой жидкости с запорным краном 3; емкость 4 с жидкостью, отличающейся по цвету от испытуемой; стеклянная труба 7 с запорным краном 8.

Рисунок 1. Схема лабораторной установки для демонстрации режимов движения жидкости

Напор на входе в стеклянную трубу определяется уровнем жидкости в баке 1, который, за счет подпитки из трубопровода 2, в процессе проведения эксперимента поддерживается постоянным. Величина расхода, а следовательно и средней скорости движения жидкости, в трубе 7 задается степенью открытия крана 8. Параметры стенда подбираются таким образом, чтобы имелась возможность получить в стеклянной трубе критическую скорость, т.е. такую скорость, при которой происходит смена режимов течения. При этом момент смены ламинарного режима турбулентным определяется по состоянию струйки подкрашенной жидкости, подаваемой в трубу 7 через трубку 6. При ламинарном режиме эта струйка, совпадающая с осью потока стеклянной трубе, зрительно воспринимается как тонкая цветная нить. В момент начала турбулизации основного потока струйка начинает размываться.

При проведении эксперимента определяется расход Q жидкости в трубе 7, а через него – значения критической скорости и критического значения числа Рейнольдса в соответствии с формулами [1]:

, (1)

где S – площадь поперечного сечения стеклянной трубы.

, (2)

где d – диаметр стеклянной трубы;

ν – кинематическая вязкость испытуемой жидкости.

Данная конструкция, как и множество других, похожих на нее, проста и наглядна, однако в ней есть ряд недостатков, некоторые из которых присущи самой конструкции, а некоторые проявляются при проведении эксперимента в конкретных условиях. К числу недостатков схемного решения, представленного на рисунке 1, можно отнести:

1. Ненадежную работу устройства для подачи подкрашенной жидкости, узкий канал трубки 6 которого со временем забивается частицами красящего вещества, делая проведение опытов невозможным;

2. Отсутствие возможности непосредственного измерения величины расхода жидкости в трубе 7;

3. Конструкция «не любит» операции разборки, так как при повторной сборке трудно обеспечить, используя старые детали, герметизацию соединений концов стеклянной трубы с баком 1 и краном 8, в то время как периодическая разборка (при отвратительном качестве нашей водопроводной воды) необходима для очистки внутренних стенок трубы от отложений;

4. Ограниченные возможности проведения исследований. Так, например, отсутствует возможность изучения поля скоростей жидкости в поперечном сечении трубы.

Стремление разработать лабораторный модуль, в определенной степени свободный от перечисленных недостатков, привело нас к следующей конструктивной схеме (см. рисунок 1).

Рисунок 1. Гидравлическая схема лабораторного модуля

Модуль состоит из вертикальной стеклянной трубы 4, нижний конец которой опущен в открытый бак с испытуемой жидкостью. Убыль жидкости в баке в ходе эксперимента компенсируется из трубопровода с запорным краном 1. Из стеклянной трубы жидкость поступает в мерный бак 7 и далее, при необходимости, в канализацию.

Данная конструкция имеет ряд принципиальных отличий от классической конструкции, и связаны они, в первую очередь, с вертикальным расположением трубы 4. Появилась возможность в качестве индикатора характера течения использовать не подкрашенную жидкость (хотя мы сохранили и такую возможность; бачок 5 на схеме - это бачок с подкрашенной жидкостью), а пузырьки воздуха, подаваемого в трубку 8 вместо «краски». С целью упрощения конструкции и минимизации ее габаритов работа установки организована по принципу работы сифонного трубопровода, образованного трубой 4 и шлангом 6. Необходимое для запуска системы разрежение в сифонном трубопроводе создается насосом 9.

Изменение скорости движения жидкости в трубе 4 может быть достигнуто двумя способами: изменением уровня жидкости в напорном баке за счет увеличения степени открытия крана 1 и – опускания свободного конца шланга 6.

Как видим, конструкция весьма проста, а чистка внутренней поверхности стеклянной трубы не вызывает никаких проблем.

Литература

1. Гейер В.Г., Дулин В.С., Заря А.Н. Гидравлика и гидропривод. – М.: Недра, 1991. – 331 с.