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

14 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

84499. Загальна характеристика системи крові. Склад і функції крові. Поняття про гомеостаз 56.9 KB
  Склад і функції крові. СИСТЕМА КРОВІ ВИКОНАВЧІ ОРГАНИ ТКАНИНИ МЕХАНІЗМИ РЕГУЛЯЦІЇ Кров циркулююча Нервові Гуморальні Кров депонована Органи кровотворення 1. Забезпечення оптимальної кількості складових частин крові як одиниць транспорту в одиниці об’єму крові.
84500. Електроліти плазми крові. Осмотичний тиск крові і його регуляція 44.63 KB
  Осмотичний тиск Росм. Загальний осмотичний тиск плазми крові пов’язаний в основному з розчиненими в ній йонами 80 Росм. Певну роль в утворені Росм. Осмотичний тиск є силою що змушує розчинник рухатись через напівпроникну мембрану з розчину де концентрація осмотично активних речовин Росм.
84501. Білки плазми крові, їх функціональне значення ШОЕ 43.84 KB
  Вміст білків в плазмі крові складає близько 70г л. Більша частина білків плазми крові представлена низькомолекулярними альбумінами близько 40г л менша – високомолекулярними глобулінами близько 30г л. Джерелом білків плазми крові є перш за все печінка.
84502. Онкотичний тиск плазми крові і його значення 43.64 KB
  Напівпроникною мембраною для онкотичного тиску є стінка капілярів – вона вільно пропускає розчинник вода але не пропускає білки що створюють онкотичний тиск Білки є осмотично активними речовинами – вони гідрофільні та утримують при собі достатньо велику кількість води. Оскільки стінка капілярів не пропускає білки в міжклітинну рідину то це сприятиме затримці води в капілярах. Впливає на обмін води між кров’ю та інтерстеціальною рідиною. На обмін води між кров’ю та тканинами за механізмом фільтраціїрезорбції впливають: Ронк.
84503. Кислотно-основний стан крові роль буферних систем крові та його забезпечення 50.37 KB
  К Механізми підтримки сталості рН в організмі: ислотноосновний стан КОС крові залежить від співвідношення концентрацій іонів Н та ОНˉ у плазмі крові. Його нормальна величина – 74 в артеріальній крові та 736 у венозній. Величина рН крові відображає величину рН інтерстиційної рідини та рідини в клітинах.
84504. ЕРИТРОН 44.13 KB
  Механізми регуляції Виконавчі органи Гуморальні Еритроцити що циркулюють в крові Нервові Депоновані еритроцити Забезпечення оптимальної кількості еритроцитів в ОЦК як засобу транспорту Органи кровотворення червоний кістковий мозкта руйнування макрофагальна система Механізми регуляції кількості еритроцитів в крові: 1. Нервові механізми регуляції – забезпечують швидку зміну кількості еритроцитів в одиниці об’єму крові за рахунок їх перерозподілу між депо та активною циркуляцією. Головним механізмом є активація симпатичного відділу...
84505. Види гемоглобіну та його сполук, їх фізіологічна роль 45.61 KB
  Особливості будови глобіну впливають на спорідненість Hb до кисню. HbF має більшу спорідненість до кисню ніж Hb кров плоду зв’язує кисень сильніше ніж кров матері в плаценті кров плода відбирає кисень у крові матері і перетягує його собі. Сполуки гемоглобіну: ВідновленийHb – не містить кисню; 2. В залежності від умов рівновага зміщується або в бік утворення оксигемоглобіну в крові легень яка має високу напругу кисню або в бік дисоціації оксигемоглобіну в крові тканин де напруга кисню низька.
84506. Лейкоцити, їх функції. Регуляція лейкопоезу. Фізіологічні лейкоцитози 51.34 KB
  При оцінці змін кількості лейкоцитів в клініці вирішального значення має показник зміни співвідношень між окремими групами та формами лейкоцитів в меншій мірі – їх кількості. Відсоткове співвідношення окремих форм лейкоцитів називають лейкоцитарною формулою або лейкограмою.
84507. Тромбоцити, їх фізіологічна роль 38.42 KB
  Тромбоцити або кров’яні пластинки – безколірні двояковпуклі утворення які за своїми розмірами в 2 – 8р. В крові тромбоцити перебувають в неактивному стані. Активовані тромбоцити виділяють ряд речовин які необхідні для гемостазу – тромбоцитарні фактори згортання тромбоцитарний тромбопластин антигепариновий фактор фібриноген тромбостенін судиннозвужуючий фактор фактор аґреґації. Окрім участі в гемостазі тромбоцити здійснюють транспорт креаторних речовин що є важливим для збереження структури судинної стінки.