1.Cel ćwiczenia

Podstawowy cel obejmuje wyznaczenie wartości współczynnika wydatku dla otworu zatopionego ( przewodu łączącego dwa zbiorniki) w tym przypadku przewód numer 1 o średnicy d= 8mm. A także wyznaczenie wartości współczynnika wydatku dla otworu niezatopionego, tj. przystawki numer 1 o średnicy wewnętrznej Dw=10mm, zewnętrznej Dz=16mm i długości L=25mm. Oba przypadki dotyczą przepływu ustalonego.

2.Opis teoretyczny:

Otwór hydraulicznie mały- to taki otwór, w którym można przyjąć istnienie jednakowej prędkości wpływu w całym przekroju poprzecznym otworu(równej prędkości osi otworu). W praktyce można traktować otwór nie zatopiony jako mały, gdy spełniony jest warunek

gdzie:

H- wzniesienie swobodnego zwierciadła wody w zbiorniku ponad osią otworu,

h- wysokość otworu (mierzona w pionie) ,

W zależności od położenia zwierciadła cieczy po zewnętrznej stronie zbiornika, otwór może mieć charakter niezatopiony, częściowo zatopiony lub zatopiony.

Otwór niezatopiony- wypływ z otworu niezatopionego ma charakter swobodny, odbywa się do przestrzeni wypełnionej powietrzem.

Z otworu zatopionego strumień cieczy wpływa do obszaru wypełnionego cieczą (np. innego zbiornika), a zwierciadło cieczy po stronie zewnętrznej znajduje się powyżej górnej krawędzi otworu. Sytuacja pośrednia jest wypływem z otworu częściowo zatopionego.

Przepływem ustalonym nazywa się taki przepływ, którym parametry ruchu nie zmieniają się w czasie. Gdy warunek ten nie jest spełniony, mamy do czynienia z przepływem nieustalonym.

W celu obliczenia wypływu ustalonego z małego otworu należy posłużyć się wzorem:

gdzie:

Q - natężenie wypływu przez otwór w m³/s ,

-współczynnik wydatku otworu ,

-pole powierzchni otworu w m² ,

g – przyśpieszenie ziemskie , g=9,81 m²/s,

H -dla otworu niezatopionego : wzniesienie swobodnego zwierciadła cieczy w zbiorniku nad osią otworu w metrach ,

-dla otworu zatopionego: różnica poziomów cieczy po obu stronach otworu (w obu zbiornikach) w metrach,

Możliwe są cztery warianty tego doświadczenia:

Wariant I:

• wyznaczenie współczynnika wydatku przystawki , w warunkach ustalonego wypływu wody ze zbiornika

gdzie:

- parametr stały dla danego doświadczenia ,

V- objętość cieczy zmierzona w naczyniu pomiarowym w ,

- średni czas wypływu objętości V w sekundach ,

Pozostałe oznaczenia jak we wcześniejszym wzorze

Wariant II:

• wyznaczenie współczynnika wydatku przystawki , w warunkach nieustalonego wypływu wody ze zbiornika

gdzie:

- parametr stały dla danego doświadczenia ,

- początkowe () i końcowe () wzniesienie poziomu wody w zbiorniku nad osią otworu w metrach ,

- pole zwierciadła cieczy w zbiorniku na wysokości z nad osią otworu w ; =const ,

Wariant III:

• wyznaczenie współczynnika wydatku jednego z przewodów łączącego zbiorniki ,w warunkach ustalonego przepływu wody między zbiornikami ,

gdzie:

- różnica poziomów wody w obu zbiornikach głównych ( wielość stała dla danej serii pomiarowej) ,

Wariant IV:

• wyznaczenie współczynnika wydatku jednego z przewodów łączącego zbiorniki ,w warunkach nieustalonego przepływu wody między zbiornikami ,

gdzie:

- parametr stały dla danego doświadczenia,

- pola powierzchni zwierciadeł wody w obu zbiornikach ,

- średni czas częściowego lub całkowitego wyrównania poziomów wody w obu zbiornikach,

3.Schemat i opis stanowiska

Załącznik nr 1.

Stanowisko do badania współczynnika wypływu cieczy przez małe otwory składa się z dwóch zbiorników pomiarowych (1,2) oraz z pomocniczego zbiornika przelewowego(5) ,który utrzymuje stały poziom wody w zbiorniku pierwszym, a nadmiar wody ze zbiornika przelewowego jest odprowadzana do kanalizacji wylotem (6). Do zbiornika (1) doprowadzana jest woda z zewnątrz poprzez przewód zaopatrzony w zawór(4). Poziomy wody są odczytywane z piezometrów(7). Zbiorniki główne połączono ze sobą za pomocą 4 krótkich przewodów o różnych średnicach(8) na tym samym poziomie, a każdy z tych przewodów zaopatrzony jest w zawór kulowy(9). W ścianie bocznej zbiornika (2) znajdują się na jednakowym poziomie okrągłe otwory i kurek spustowy(3). W otworach można umieszczać dowolne przystawki. Opróżnienie zbiorników z wody można przeprowadzić za pomocą kurków spustowych(10). W głównych zbiornikach umieszczona jest ścianka (11) która ma za zadanie równomierne napełnianie zbiornika i pozwala na wyeliminowanie wpływu strumienia zasilającego na przepływ wody w krótkich przewodach łączących zbiorniki. Wypływ wody przez przystawkę następuje do naczynia pomiarowego (12) z rurka piezometryczna do objętościowego pomiaru wydatku.

Opis przebiegu doświadczenia:

Na początku sprawdzono model czyli zamknięto zawory: zasilający i zrzutowe. W przypadku dla otworu niezatopionego zamontowano przystawkę w zbiorniku drugim. Dokonano pomiaru rzędnej osi przystawki, i otwarto zawór zasilający, zawory w krótkich rurach były otwarte. Zmierzono temperaturę wody. Gdy poziom wody w drugim zbiorniku się ustabilizował zmierzono rzędne zwierciadła wody. Mierzono trzykrotnie czas t dla napełnienie zbiornika pojemnościowego o objętość 5 l. Następnie przymknięto jeden z zaworów i gdy poziom wody się ustalił zmierzono rzędne zwierciadeł wody i zaczęto pomiary czasu jak w poprzednim przypadku.

Dla otworu zatopionego w przypadku ustalonego przepływu : opróżniono zbiornik 2, zdemontowano przystawkę i zamknięto otwór, następnie został otwarty tylko przewód 1 łączący zbiorniki. Mierzymy rzedną poziomu wody w zbiorniku pierwszym.

Do wyznaczenia współczynnika wydatku dla otworu zatopionego. Zmierzono poziom wody w zbiorniku jeden, otworzono zawór na pierwszym przewodzie łączącym zbiorniki. Dokonano dwoma stoperami pomiaru czasu napełniania zbiornika. czas mierzono dla różnicy wysokości 5cm na zbiorniku drugim. W tym czasie odczytywano wysokości poziomu wody w drugim zbiorniku.

Po skończonych pomiarach, zamknięto dopływ wody i opróżniono zbiorniki.

Zastosowane przyrządy:

W doświadczeniu zastosowane zostały następujące przyrządy: piezometr, termometr cieczowy .

Piezometr-najprostszy typ otwartego manometru cieczowego. To rurka pionowa, najczęściej przezroczysta, otwarta u góry, podłączona do obszaru cieczy i nią wypełniona. Służy do pomiaru niezbyt dużych ciśnień.