Лабораторный практикум по курсам «Механика жидкости и газа» и «Гидравлика»

 
 
 
А. В. Баранов 
 
 
 
 
 
 
ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО КУРСАМ 
«МЕХАНИКА ЖИДКОСТИ И ГАЗА» И «ГИДРАВЛИКА» 
 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 
 
 
 

УДК 62-82 
ББК 34.447 
Б24 
 
 
 
 
 
Рецензенты: 
кафедра «Технология машиностроения» Костромского государственного  
технологического университета; 
заместитель главного инженера опытного завода ПАО «ОДК Сатурн»  
доктор технических наук, профессор Уваров Л. Б. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Баранов, А. В. 
Б24   
Лабораторный практикум по курсам «Механика жидкости и газа» и 
«Гидравлика» : учебное пособие / А. В. Баранов. – Москва ; Вологда : 
Инфра-Инженерия, 2024. – 108 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-2066-2 
 
Рассматриваются наиболее важные вопросы курсов «Механика жидкости и газа» 
и «Гидравлика». Лабораторные работы выполняются с целью получения практических навыков и закрепления теоретических знаний по данным дисциплинам. 
Для студентов, обучающихся по образовательным программам: 15.03.01 «Машиностроение»; 15.03.05 «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств»; 15.05.01 «Проектирование технологических машин и комплексов»; 24.05.02 «Проектирование авиационных и ракетных двигателей». 
 
УДК 62-82 
ББК 34.447 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-2066-2 
© Баранов А. В., 2024 
 
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
 
 

 
ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................. 5 
ОПИСАНИЕ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО УНИВЕРСАЛЬНОГО  
СТЕНДА ТМЖ-2 ......................................................................................................... 7 
Основные характеристики гидравлического универсального  
стенда ТМЖ-2 .......................................................................................................... 9 
Ротаметры ............................................................................................................... 10 
Технические данные используемых на стенде ротаметров 
............................... 11 
ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА КАПЕЛЬНЫХ ЖИДКОСТЕЙ 
................................... 13 
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1 «ПОТЕРИ НАПОРА ПО ДЛИНЕ  
В КРУГЛОЙ ТРУБЕ» 
................................................................................................ 25 
Основные теоретические сведения ...................................................................... 25 
Теория ламинарного течения в круглых трубах 
................................................. 25 
Турбулентное течение в шероховатых трубах 
.................................................... 31 
Основное содержание работы .............................................................................. 36 
Порядок выполнения измерений 
.......................................................................... 36 
Обработка опытных данных. ................................................................................ 37 
Отчет о работе ........................................................................................................ 37 
Контрольные вопросы ........................................................................................... 38 
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2 «ПОТЕРИ НАПОРА ПРИ ВНЕЗАПНОМ 
РАСШИРЕНИИ (ВНЕЗАПНОМ СУЖЕНИИ) ТРУБЫ» ...................................... 39 
Основные теоретические сведения ...................................................................... 39 
Гидравлические потери ......................................................................................... 39 
Внезапное расширение русла ............................................................................... 40 
Сужение русла 
........................................................................................................ 44 
Местные сопротивления при ламинарном течении ........................................... 45 
Потери напора при внезапном расширении трубы ............................................ 49 
Основное содержание работы .............................................................................. 49 
Порядок измерений 
................................................................................................ 50 
Обработка опытных данных ................................................................................. 51 
Потери напора при внезапном сужении трубы .................................................. 52 
Основное содержание работы .............................................................................. 52 
Порядок измерений 
................................................................................................ 53 
Обработка опытных данных ................................................................................. 53 
Отчет о работе ........................................................................................................ 53 
Контрольные вопросы ........................................................................................... 53 
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3 «РЕЖИМЫ ТЕЧЕНИЯ» 
.................................. 55 
Основные теоретические сведения ...................................................................... 55 
Режимы течения жидкости в трубах 
.................................................................... 55 
Начальный участок ламинарного течения .......................................................... 58 
Турбулентное течение ........................................................................................... 59 
Основное содержание работы .............................................................................. 63 
Порядок измерений 
................................................................................................ 63 
Обработка опытных данных ................................................................................. 65 
3 

 
Отчет о работе ........................................................................................................ 65 
Контрольные вопросы ........................................................................................... 65 
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4 «ДИАГРАММА УРАВНЕНИЯ  
БЕРНУЛЛИ» .............................................................................................................. 66 
Основные теоретические сведения ...................................................................... 66 
Уравнение Бернулли для элементарной струйки идеальной жидкости 
........... 66 
Уравнение Бернулли для потока реальной (вязкой) жидкости 
......................... 71 
Основное содержание работы .............................................................................. 77 
Порядок выполнения измерений 
.......................................................................... 77 
Обработка опытных данных ................................................................................. 77 
Отчет о работе ........................................................................................................ 78 
Контрольные вопросы ........................................................................................... 78 
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5 «ИСПЫТАНИЕ МЕРНОЙ ДИАФРАГМЫ.  
ИСПЫТАНИЕ ДРОССЕЛЬНОГО РЕГУЛЯТОРА РАСХОДА» 
.......................... 80 
Основные теоретические сведения ...................................................................... 80 
Истечение жидкости через малые отверстия в тонкой стенке  
при постоянном напоре ......................................................................................... 80 
Дроссельные регулирующие устройства 
............................................................. 85 
Линейные дроссели 
................................................................................................ 86 
Квадратичные дроссели ........................................................................................ 87 
Испытание мерной диафрагмы 
............................................................................. 90 
Основное содержание работы .............................................................................. 90 
Порядок измерений 
................................................................................................ 91 
Обработка результатов измерений 
....................................................................... 91 
Испытание дроссельного регулятора расхода .................................................... 92 
Основное содержание работы .............................................................................. 92 
Порядок измерений 
................................................................................................ 93 
Обработка результатов экспериментов ............................................................... 93 
Отчет о работе ........................................................................................................ 94 
Контрольные вопросы ........................................................................................... 94 
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6 «СИЛА ВОЗДЕЙСТВИЯ СВОБОДНОЙ  
НЕЗАТОПЛЕННОЙ СТРУИ НА ПРЕГРАДУ» ..................................................... 95 
Основные теоретические сведения ...................................................................... 95 
Силы действия потока на стенки канала ............................................................. 95 
Сила действия струи на стенку 
............................................................................. 97 
Основное содержание работы ............................................................................ 101 
Порядок измерений 
.............................................................................................. 103 
Обработка результатов экспериментов ............................................................. 103 
Отчет о работе ...................................................................................................... 103 
Контрольные вопросы ......................................................................................... 103 
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 
.................................................................... 105 
 
4 

 
ВВЕДЕНИЕ 
Целью преподавания дисциплин «Механика жидкости и газов»  
и «Гидравлика» является изучение физических основ механики жидкости 
и газов и способов математического моделирования их течения.  
Лабораторные работы выполняются с целью получения практических навыков и закрепления теоретических знаний по указанным дисциплинам. В пособии рассматривается ряд основных теоретических вопросов курсов. 
При подготовке к выполнению каждой работы студент должен: 
- изучить соответствующие теоретические разделы литературы, указанной в учебном плане; 
- познакомиться с описанием лабораторной работы; 
- составить таблицы для записи результатов; 
- изучить и усвоить правила техники безопасности при работе с приборами и устройствами согласно инструкции. 
Проверка подготовленности к выполнению очередной лабораторной 
работы осуществляется преподавателем при личном опросе. Если студент 
не знает содержания и методики проведения предстоящей лабораторной 
работы, то он не допускается к ее выполнению. 
По каждой лабораторной работе студент составляет индивидуальный отчет, который должен содержать принципиальные схемы и результат исследования в виде таблиц и графиков с необходимыми пояснениями 
и выводами. Отчет выполняется на листах бумаги формата А4 (или в отдельной тетради), а графики – на масштабной бумаге. Все листы отчета 
должны быть сброшюрованы. Отчет предъявляется преподавателю для 
проверки и служит основой для сдачи зачета по практикуму. 
Во время зачета студент должен показать прочные знания по соответствующим разделам дисциплины, а также по использованию методов 
экспериментального исследования и расчета. При отсутствии такого уровня знаний работа считается незачтенной. Если и при повторном зачете 
студент проявил неудовлетворительные знания, то он должен индивидуально вновь выполнить весь объем лабораторных работ. 
Перед началом работы непосредственно у лабораторного стенда 
каждый студент должен пройти специальный инструктаж по технике безопасности у преподавателя или лаборанта с обязательной отметкой в журнале по технике безопасности. 
Лабораторные работы выполняются только с разрешения преподавателя и в его присутствии. Если при эксплуатации лабораторного стенда 
появились визуально регистрируемые неисправности, необходимо его немедленно отключить и сообщить об этом преподавателю или лаборанту. 
5 

 
Все лабораторные работы выполняются на гидравлическом универсальном стенде ТМЖ-2: «Техническая механика жидкости» (по классификатору РНПО «РОСУЧПРИБОР»).  
 
6 

 
ОПИСАНИЕ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО УНИВЕРСАЛЬНОГО 
СТЕНДА ТМЖ-2 
Стенд гидравлический универсальный ТМЖ-2 (рис. 1) предназначен 
для исследования гидродинамических явлений при течении жидкости  
в каналах с различной пограничной геометрией. 
 
 
 
Рис. 1. Стенд гидравлический универсальный 
 
Общий вид стенда представлен на рис. 2. Стенд состоит из двух секций. В состав нижней секции входят двухтумбовый стол (1) с установленным на нем поддоном (2), двумя кронштейнами для установки исследуемых модулей, ящиком для хранения модулей (3). Внутри нижней секции 
стенда находятся напорный (4) и питающий (5) баки, насосный агрегат, 
всасывающая и часть напорной магистрали, краны для регулирования 
расхода воды, органы управления электрической частью стенда. 
 
7 

 
 
Рис. 2. Общий вид стенда 
 
В состав верхней секции входят: 
- панель с вертикальными пьезометрами (6) для измерения давления 
в поперечных сечениях изучаемых модулей. Верхние концы пьезометров 
соединены общей трубкой (7), а нижние концы соединены штуцерами на 
внешней панели; 
- три ротаметра (8) для измерения расхода жидкости, протекающей 
через модули; 
- кран (9) для регулирования расхода жидкости, протекающей через 
модуль; 
- напорный трубопровод с диафрагмой для измерения больших расходов. Перепад давления на диафрагме измеряется с помощью двух пьезометров, установленных на вертикальной панели; 
- планшеты для размещения в них справочных материалов. 
Гидравлическая схема стенда представлена на рис. 3. Вода из бака 
питания (1) с помощью насоса (2) закачивается в напорный бак (3) через 
параллельно соединенные ротаметры (4) и напорную магистраль (5). 
 
8 

 
 
 
Рис. 3. Гидравлическая схема стенда 
 
Исследуемые модули (7) устанавливаются и закрепляются на двух 
кронштейнах в нижней секции. С одной стороны модуль соединяется  
с напорным баком, а с другой стороны соединяется с краном (8), с помощью которого изменяется режим течения, кран (9) служит для слива  
и наполнения водой бака-питателя. Кран (10) служит для выпуска воздуха 
из напорного бака. 
Основные характеристики гидравлического 
универсального стенда ТМЖ-2 
Максимальный объемный расход жидкости, 
подаваемый на модули, м3/ч 
 
5 ± 0,5 
Питание электронасоса от сети переменного тока: 
 
380 ± 38 
напряжение, В  
частота, Гц 
50 ± 0,4 
Потребляемая мощность электронасоса, ВА 
1500 
Длина модулей, мм 
1100 
Вместимость питающего бака, л 
80 
Время подготовки стенда к работе, мин 
20 ± 5 
Габаритные размеры стенда, мм 
1900×920×1900 
Масса стенда, кг 
500 
9 

 
Ротаметры 
Ротаметр (рис. 4) представляет вертикально установленную конусную стеклянную или металлическую трубку, в которой помещен поплавок, плотность материала которого больше плотности протекающей жидкости. При движении жидкости по трубке снизу вверх поплавок поднимается вверх до тех пор, пока не займет такое положение, при котором перепад давления, обусловленный сопротивлением кольцевого сечения, образованного поплавком и трубкой, уравновесит разницу в весе самого поплавка и жидкости в объеме поплавка. Таким образом, определенному расходу жидкости соответствует определенная высота положения поплавка. 
 
 
                                      а)                           б) 
Рис. 4. Конструктивные особенности ротаметров 
 
Для повышения точности измерений и уменьшения влияния вязкости жидкости поплавку придается такая форма, при которой проходная 
щель имеет острые кромки. Обеспечение концентричного положения поплавка в трубке достигается металлической струной, натянутой вдоль оси 
трубки (рис. 4, а). В некоторых случаях центрирование поплавка осуществляется сообщением ему вращательного движения, для чего на верхнем буртике поплавка выполняются наклонные канавки (рис. 4, б). 
Ротаметры стенда представлены на рис. 5. 
 
10