12554

ЗВУКОВАЯ ДИАФРАГМА

Лабораторная работа

Физика

ОТЧЕТ по лабораторной работе № 3м звуковая диафрагма ВВЕДЕНИЕ Целью настоящей работы является ознакомление с основными законами истечения газа из резервуара через сужающиеся насадки в частности через звуковую диафрагму применяемую на практике для стабилизации...

Русский

2013-05-01

222 KB

15 чел.

ОТЧЕТ

по лабораторной работе № 3м

звуковая диафрагма

ВВЕДЕНИЕ

Целью настоящей работы является ознакомление с основными законами истечения газа из резервуара через сужающиеся насадки, в частности, через звуковую диафрагму, применяемую на практике для стабилизации расхода газа в трубопроводах.

. ТЕОРИЯ

Газ, движущийся с большой скоростью (больше числа Рейнольдса), можно рассматривать как идеальный в механическом смысле, т. е. лишенным вязкости и теплопроводности. Тогда для установившегося движения для любой линии тока в пренебрежении силой тяжести справедливо уравнение Бернулли

,  (1.1)

где  и h - кинетическая энергия и энтальпия единицы массы газа соответственно.

Рассмотрим истечение газа из резервуара через сужающийся насадок (рис. 1.1). Будем предполагать, что газ внутри сосуда покоиться . По мере уменьшения давления Р1 скорость истечения газа из сосуда  будет увеличиваться. По-видимому, скорость движения частиц газа в любой линии тока будет максимальной в самом узком месте насадка - на его срезе.

Схема истечения газа через сужающийся насадок.

Рис. 1.1.

Найдем скорость истечения в зависимости от отношения давлений . Для этого запишем уравнение Бернулли в виде

. (1.2)

Для газа, идеального в термодинамическом смысле, для энтальпии единицы массы имеем формулу:

, (1.3)

где  - показатель адиабаты;

 - теплоемкости при постоянном давлении и объеме соответственно;

 С - скорость звука;

 V,  - удельный объем и плотности газа.

Подставляя (1.3) в (1.2), находим

, (1.4)

При адиабатическом движении имеем

. (1.5)

Подставляя (1.5) в (1.4), получим

. (1.6)

Формула (1.6) называется формулой Сан-Венана-Вентцеля. Из формулы (1.6) следует, что при , что и следовало ожидать.

По мере уменьшения давления  скорость  увеличивается и, наконец, при некотором критическом значении  станет равной скорости звука на срезе насадка. При этом плотность и температура также примут критические значения .

Запишем значения  в зависимости от термодинамических параметров газа внутри сосуда.

, (1.7)

, (1.8)

. (1.9)

Найдем максимальный расход газа через насадок:

 . (1.10)

Объемный расход определяется формулой

. (1.11)

В формулах (1.10) и (1.11)  - площадь минимального сечения насадка. Для сужающегося насадка (рис. 1.1)  есть площадь среза насадка.

Из формул (1.10) и (1.11) следует, что массовый расход газа через насадок зависит от давления и температуры газа в сосуде, тогда как объемный расход зависит только от его температуры.

Принимая для воздуха =1.4, М=29 г/моль, R=8.315103 Дж/кмольК, получим

, м3/с (1.12)

Независимость расхода газа через сужающийся насадок от давления  используется в технике и лабораторной практике для стабилизации потока газа через трубопровод. Если параметры газа перед насадками не изменяются, а давление газа за насадком всегда меньше критического, то как массовый, так и объемный расходы будут оставаться постоянными при любых колебаниях давления  в пределах .

На практике в качестве сужающегося насадка часто применяется просто плоская диафрагма с отверстием. Если диаметр отверстия диафрагмы много меньше диаметра трубопровода, то скорость движения газа через отверстие будет много больше скорости газа.

. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Принципиальная схема экспериментальной установки

Рис. 2.1.

1 - образцовый вакуумметр; 2, 3, 4 - камеры; 5 - ротаметр; 6 - форвакуумный насос; 7, 8, 9, 10 - вентили; 11, 12 - диафрагмы.

Давление с одной стороны диафрагмы поддерживается равным атмосферному. С другой стороны давление изменяется с помощью форвакуумного насоса 6 и регулируется сильфонным вентилем 7. Величина давления фиксируется образцовым вакуумметром 1. Ротаметр, поставленный на входе всей системы, позволяет измерять объемный расход газа, протекающего через отверстие. При понижении давления за диафрагмой расход газа растет, но лишь до тех пор, пока давление на диафрагме не достигнет «критического» значения. При дальнейшем понижении давления за диафрагмой расход газа не изменяется и остается равным Qv max.

. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

3.1. Задание

3.1.1. Измерить зависимость расхода от давления для трех различных диафрагм.

3.1.2. По результатам измерений построить график зависимости объемного расхода газа от разности давлений на диафрагме.

3.1.3. Из графика найти значения максимального расхода газа и критического давления за диафрагмой.

3.1.4. Рассчитать соответствующие теоретические значения объемного расхода воздуха и провести сравнение с экспериментальными данными.

3.2. Проведение измерений

Измеряемыми величинами являются температура, разность давлений на диафрагме и объемный расход воздуха через диафрагму.

3.2.1. Температура воздуха принимается равной комнатной ввиду малых (до диафрагмы) скоростей течения газа.

3.2.2. Разность давлений на диафрагме. Давление воздуха перед диафрагмой принимается равным атмосферному, поскольку скорость газа перед диафрагмой мала. Давление воздуха за диафрагмой измеряется образцовым вакуумметром 1.

3.2.3. Объемный расход воздуха. После включения форвакуумного насоса 6, слегка приоткрывая вентиль 7, установить давление после диафрагмы, равное 10 делениям шкалы вакуумметра 1. С помощью ротаметра 5 измерить расход воздуха. Излученные результаты внести в таблицу приложения. Дальнейшие измерения повторять через 10 делений шкалы вакуумметра. Аналогичные измерения произвести для других диафрагм. Результаты измерений занести в таблицу приложения.

. ОПЫТНЫЕ ДАННЫЕ И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

Параметры установки:

Ротаметр:

 - расход;

k=0.4510-6 м3/с - цена одного деления;

n - число делений.

Вакуумметр:

Цена одного деления 999,917 Па = 7,5 мм рт. ст.

Диафрагма:

d1=(2.300.02)10-4 м;

d2=(3.160.02)10-4 м;

d3=(3.930.03)10-4 м.

Температура в лаборатории:

.


Результаты измерений приведены в таблицах.

Диафрагма №1

Число делений вакууметра

Р, мм.тр.ст

Число делений ротаметра

Qvi, м3

ξэ3

QTV, м3

ξт, м3

5

37,5

5

2,25E-06

5,E-07

1,29E-05

2,E-06

10

75,0

14

6,30E-06

15

112,5

19

8,55E-06

20

150,0

23

1,04E-05

25

187,5

25

1,13E-05

30

225,0

28

1,26E-05

35

262,5

29,5

1,33E-05

40

300,0

31

1,40E-05

45

337,5

32

1,44E-05

50-90

375,0

32,5

1,46E-05

Диафрагма №2

Число делений вакууметра

Р, мм.тр.ст

Число делений ротаметра

Qvi, м3/с

ξэ3

QTV, м3/с

ξт, м3/с

5

37,5

17

7,65E-06

2,E-06

2,44E-05

3,E-06

10

75,0

29

1,31E-05

15

112,5

36

1,62E-05

20

150,0

44

1,98E-05

25

187,5

49

2,21E-05

30

225,0

52

2,34E-05

35

262,5

55

2,48E-05

40

300,0

56

2,52E-05

45

337,5

57

2,57E-05

50-90

375,0

58

2,61E-05

Диаграмма №3

Число делений вакууметра

Р, мм.тр.ст

Число делений ротаметра

Qvi, м3/с

ξэ3

QTV, м3/с

ξт, м3/с

5

37,5

32

1,44E-05

3,E-06

3,77E-05

4,E-06

10

75,0

53

2,39E-05

15

112,5

64

2,88E-05

20

150,0

70

3,15E-05

25

187,5

76

3,42E-05

30

225,0

80

3,60E-05

35

262,5

84

3,78E-05

40

300,0

86

3,87E-05

45

337,5

88

3,96E-05

50-90

375,0

89

4,01E-05


Зависимость объемного расхода газа от разности давлений:

Вычислим среднее значение объемного расхода в области максимума и среднеквадратичную ошибку:

=(13.8 0.6)10-6 м3/с;

=(25,01.0)10-6 м3/с;

=(38,4 1.0)10-6 м3/с.

Найдем максимальное теоретическое значение объемного расхода газа и соответствующую ошибку, определяемую ошибкой измерения площади отверстия диафрагмы и ошибкой измерения температуры, которая является систематической и принимается равной половине деления шкалы термометра:

 QТ 1=(12.9 0.2)10-6 м3/с;

 QТ 2=(24,4 0.3)10-6 м3/с;

 QТ 3=(37,7 0.4)10-6 м3/с.

Сравним наблюдаемые расхождения между экспериментальными и теоретическими значениями расходов газов с вычисленными ошибками.

7,0%

2,5%

1,9%

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе лабораторной работы ознакомились с основными законами истечения газа из резервуара через сужающиеся насадки, в частности через звуковую диафрагму. Были рассчитаны экспериментальные и теоретические значения расхода газа и их расхождение. Данное расхождение мало, особенно для второй и третьей диафрагмы, а значит, опыт хорошо согласуется с теорией.


Ответы на вопросы

1. Применим ли данный опыт для жидкости?

Для жидкости показатель адиабаты равен единице.

Значит плотность и давление жидкости остаются постоянными. Но тогда расход жидкости в течении опыта также не меняется и, значит, опыт не имеет смысла.

2. С помощью какого устройства можно создать сверхзвуковое устройство с помощью перепада давлений для воздуха при нормальных условиях?

Сопло Лаваля — техническое приспособление, разгоняющее проходящий по нему газовый поток до сверхзвуковых скоростей. Сопло представляет собой канал, суженный в середине:

В сужающейся части насадка поток ускоряется. Когда его скорость в самом узком сечении достигнет скорости звука, то увеличение сечения будет приводить к дальнейшему ускорению потока при одновременном падении давления и плотности.

При этом угол раствора не должен превышать 10-11, иначе будет происходить срыв потока.

3. Как стабилизировать массовый расход с помощью сужающего насадка?

Согласно  расход газа через сужающийся насадок не зависит от давления P1 в его выходном сечении при P1<P*.Если параметры газа перед насадком не изменяются,а его давление за насадком всегда меньше или около критического, то массовый расход будет оставаться постоянным при любых колебаниях давления Р1 в пределах P*>P1>0. Если же давление Р1 сохраняется постоянным, а Р0 изменяется в области P0>P1/0,53, то массовый расход остается постоянным.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

31677. Поняття про мову та її функції 30 KB
  Біологічними передумовами виникнення мови були звуки та рухи які спостерігались у пращурів людини і слугували засобом спілкування задоволення потреби в обміні думками у пізнанні властивостей предметів та явищ що оточували людину і позначалися словами. Слово як одиниця мови має два боки зовнішній звуковий фонетичний та внутрішній смисловий семантичний. Унаслідок цього виникла багатозначність слів що також є продуктом історичного розвитку кожної мови. Основні елементи мови її словниковий склад і граматична будова.
31678. Різновиди мовлення 35.5 KB
  Усне мовлення. Це основний різновид мовлення який є звуковим і який інші сприймають за допомогою слуху. Усне мовлення поділяється на діалогічне та монологічне.
31679. Поняття про спілкування 25.5 KB
  Спілкування явище глибоко соціальне. Соціальна природа спілкування виражається в тому що воно завжди відбувається в середовищі людей де суб’єкти спілкування завжди постають як носії соціального досвіду. Соціальний досвід спілкування виявляється у змісті інформації що є його предметом знання відомості способи діяльності у засобах мовна та немовна комунікація при спілкуванні у суспільно вироблених у процесі історичного розвитку різновидах спілкування.
31680. Різновиди і форми уваги 35.5 KB
  Усі різновиди уваги тісно взаємопов’язані і за певних умов переходять один в одного. Мимовільна увага властива і людині і тваринам хоча її виникнення у людини якісно відрізняється від такої уваги у тварин. Фізіологічним підґрунтям мимовільної уваги є безумовнорефлекторна орієнтувальна діяльність.
31681. Поняття про відчуття 36.5 KB
  Отже у нас різні смаки оцінки відчуття. Відчуття це суб єктивне відображення окремих властивостей предметів і явищ навколишнього світу в корі головного мозку внаслідок їх безпоснрнднього впливу на наші органи чуття.хто не довіряє відчуттям той дурень і неминуче перетвориться на споглядача відчуття не одурюють одурюють судження .
31682. Поняття про сприймання 23.5 KB
  Таке цілісне їх відображення в мозку людини характеризує другу ланку єдиного процесу чуттєвого пізнання сприймання. Сприймання це психічний процес відображення в мозку людини предметів та явищ у цілому у сукупності всіх їх якостей та властивостей при безпосередній дії на органи чуття. У результаті сприймання виникають суб’єктивні образи сприйманих об’єктів уявлення.
31683. Поняття про мислення. Соціальна природа мислення 36.5 KB
  Соціальна природа мислення Пізнавальна діяльність людини починається з відчуттів і сприй мань. Вичерпні знання про об’єкти дійсності їх внутрішню безпосередньо не дану у відчуттях і сприйманнях сутність людина одержує за допомогою мислення вищої абстрактної форми пізнан ня об’єктивної реальності. Опосередкованість мислення виявляється і в тому що всі його акти відбуваються за допомогою слова та попе реднього досвіду який зберігається в пам’яті людини.