12569

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ВЯЗКОСТИ ГАЗОВ МЕТОДОМ НЕСТАЦИОНАРНОГО ПОТОКА

Лабораторная работа

Физика

ОТЧЕТ по лабораторной работе №1М ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ВЯЗКОСТИ ГАЗОВ МЕТОДОМ НЕСТАЦИОНАРНОГО ПОТОКА ВВЕДЕНИЕ Целью данной лабораторной работы является ознакомление с существующими методами измерения коэффициентов динамической вязкости газов на примере ...

Русский

2013-05-02

456 KB

9 чел.

ОТЧЕТ

по лабораторной работе №1М

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ВЯЗКОСТИ ГАЗОВ МЕТОДОМ НЕСТАЦИОНАРНОГО ПОТОКА

ВВЕДЕНИЕ

Целью данной лабораторной работы является ознакомление с существующими методами измерения коэффициентов динамической вязкости газов на примере метода нестационарного потока, а также приобретение знаний и навыков в работе с вакуумным оборудованием.

. ТЕОРИЯ

Процессы внутреннего трения в жидкостях и газах возникают в тех случаях, когда различные участки жидкости движутся с неодинаковой скоростью и происходит необратимый перенос импульса из мест с большей скоростью в места с меньшей скоростью. При этом в направлении, противоположном движению (вдоль оси z). действует отнесенная к единице поверхности соприкосновения слоев сила F, пропорциональная изменению скорости υz в перпендикулярном движению направлении (вдоль оси х):

   (1.1)

 

Здесь коэффициент пропорциональности η есть коэффициент внутреннего трения или коэффициент динамической вязкости.

Из уравнения (1.1) следует, что величина η равна силе, которую испытывает единица поверхности одного из слоев со стороны другого слоя, если градиент скорости между ними равен единице.

Макроскопические методы термодинамики не в состоянии теоретически определить значение коэффициента динамической вязкости, как и других коэффициентов переноса

Простой вывод, основанный на использовании равновесной функции распределения скоростей и впервые выполненный Максвеллом, приводит к приближенной формуле для коэффициента внутреннего трения разреженных газов, столкновения атомов или молекул которых моделируется в виде сталкивающихся твёрдых шаров, следующего вида

  (1.2)

где n - числовая плотность молекул, м'3; m - масса молекулы, кг; λ- средняя длина свободного пробега молекул, м; υ - средняя тепловая скорость молекул, м/с; σ0- диаметр молекулы, м.

Из величин, определяющих η и входящих в определения (1.2), и, не зависит от давления Р, n прямо пропорциональна давлению(т.к. P=nkT), a  обратно пропорциональна давлению. Таким образом, для разреженных газов коэффициент динамической вязкости η не зависит от давления Р. Далее, из (1.2) следует, что коэффициент η  должен зависеть от температуры так же, как и и,, т.е. пропорционально Т 1/2(для реальных газов этот показатель изменяется в пределах 0 5-0 9). Следует заметить, что для жидкостей коэффициент динамической   вязкости   ηж.   определяется   полуэмпирической   формулой  ηж = А ехр(В/Т), где А и В - некоторые, как правило, полуэмпирические константы для конкретных жидкостей. Как видно из определений, если для газов с увеличением температуры Т коэффициент динамической вязкости η увеличивается, то для жидкостей ηж  уменьшается

Приведенные соображения оказываются несправедливыми для плотных газов и жидкостей. Более того, даже для разреженных газов полученные теоретические выражения имеют ограниченную применимость Отсюда понятна важность экспериментального определения коэффициентов вязкости Насущная необходимость в сведениях по вязкости определяется, прежде всего, тем, что при расчете гидравлических сопротивлений коэффициент динамической вязкости является одним нз основных параметров

Решение уравнения Навье-Стокса , описывающего стационарное движение вдоль оси z несжимаемого газа (жидкости) в цилиндрическом капилляре радиуса R под действием градиента давления dP/dz, даёт следующее распределение скорости и, υz по радиусу капилляра:

  (1.3)

Формула (1.3) получена в предположении, что скорость газа (жидкости) на стенке капилляра равна 0, т.е. движущаяся среда «прилипает» к стенке. Если для жидкости такое предположение правомерно, то для газа оно не вполне корректно по следующим физическим соображениям, которые подтверждаются экспериментально.

Выделим вблизи стенки на расстоянии средней длины свободного пробега Х единичную площадку, параллельную стенке. Предполагается, что в слое возле стенки толщиной Л, частицы между собой не сталкиваются. Из общей физики известно, что число молекул, пересекающих единичную площадку в том и другом направлениях за единицу времени, равно . Таким образом, полный перенос импульса в направлении движения вдоль оси z через единичную площадку можно записать в виде , где - средние скорости молекул, отраженных от стенки и падающих на стенку соответственно. Этот перенос импульса эквивалентен силе, с которой газ, расположенный с отрицательной стороны площадки, действует на газ с положительной стороны (за положительное обычно выбирается направление единичного нормального вектора, проведённого от единичной площадки на стенке в сторону газа). Эта сила равна ньютоновской вязкой силе F:. Поэтому можно записать

  (1.4)

Средняя скорость газа у стенки может быть принята как средняя скорость для двух групп (отражённых и падающих) молекул и равная .

Значение скорости  зависит от типа взаимодействия молекул со стенкой. В простейшем случае, когда на стенке происходит диффузное рассеяние (равновероятное во все стороны с температурой стенки).

Если  ввести величину σ, значение которой для данного вывода равно 1, а полученное при строгом теоретическом анализе для твердых сферических молекул равно ~1.13, то распределение скорости в цилиндрическом капилляре имеет вид:

  (1.5)

Величину σ называют константой скольжения газа на стенке.

Если (1.5) умножить на элементарную площадку поперечного сечения капилляра dS = rdrdφ и полученное выражение проинтегрировать, то можно получить следующую формулу для определения объёмного расхода газа в цилиндрическом капилляре Q,:

  (1.6)

. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Принципиальная схема экспериментальной установки

1-емкостной датчик давления, 2-образцовый вакумметр, 4- форвакуумный насос; 3,5,11-вентили; 6-запирающее устройство, 7-затвор; 8-рабочие объемы; 9-перегородка; 10-капиляр; 12-байпасный кран, 13-сильфонное устройство; 14-мембрана из бериллиевой бронзы; 15-диск-электрод, 1б-г LС-генератор; 17-частотомер.

Рис. 1

Измерение абсолютного давления осуществляется с помощью образцового вакуумметра 2 класса точности 0.16.

Откачка газа из установки осуществляется через вентили 3 и 5 при закрытом вентиле 11 и открытом байпасном кране 12 с помощью форвакуумного насоса 4. Напуск газа в вискозиметр производится с помощью вентиля 11 при открытом байпасном кране 12

. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

3.1. Задание

3.1.1 .Ознакомиться с теорией и методикой измерений расхода газа.

3.1.2.Измерить расход газа через капилляр для двух давлений (75 и 112 мм рт.ст.). Для каждого давления провести три измерения.

3.1.3.Методом наименьших квадратов вычислить расходы и определить среднее значение коэффициента динамической вязкости предложенного газа.

3.1.4. Оценить случайную и систематическую погрешности в измерении коэффициента динамической вязкости.


. ОПЫТНЫЕ ДАННЫЕ И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

4.1. ОПЫТНЫЕ ДАННЫЕ

Результаты измерений приведены в таблице.

4.2. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей работе нами был определен коэффициент вязкости воздуха методом нестационарного потока (метода капилляра). Полученное значение коэффициента вязкости воздуха η=(1.835+0.026)*1011 согласуется с теоретическими расчетами в пределах погрешности. Данные были получены при значениях давления 75 и 112 мм. рт. ст.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

18526. Анализ чувствительности 146 KB
  Лекция 6 Анализ чувствительности. Задача расчёта коэффициентов чувствительности выходных параметров схемы логических уровней статической помехозащищённости времени задержки сигнала и т.д. к изменению её входных параметров т.е. параметров компонентов – сопротив...
18527. Оптимизация. Классификация методов оптимизации 329 KB
  Лекция 7 Оптимизация Сформулируем задачу оптимизации как задачу поиска экстремума целевой функции ФР. Классификация методов оптимизации 1. По числу параметров: одномерная оптимизация; многомерная оптимизация. 2. По использованию производных:
18528. Способы хранения разреженных матриц 79.5 KB
  Способы хранения разреженных матриц Разреженные матрицы целесообразно хранить таким образом чтобы обеспечить экономию памяти и числа операций необходимы для преобразования матрицы в процессе решения линейной системы а также простоту доступа к любому элементу ма
18529. Меры погрешности решения 359 KB
  Меры погрешности решения Пусть x вычисленное решение СЛАУ Ax=b. Существуют две общеупотребительные меры погрешности в х: вектор ошибки е = х х 1 и невязка r = b Ax = Ax x = Ae
18530. Основні прийоми роботи та підготовки документів в системі MATHCAD 411.5 KB
  Мат. моделювання в САПР. Основні прийоми роботи та підготовки документів в системі MATHCAD. Основні прийоми роботи та підготовки документів в системі MATHCAD. Методичні матеріали до лабораторної роботи № 1 з курсу: €œМатематичне моделювання в САПР€ для студенті
18531. Розв’язування звичайних диференціальних рівнянь в системі MATHCAD 391.5 KB
  Розв’язування звичайних диференціальних рівнянь в системі MATHCAD Розв’язування звичайних диференціальних рівнянь в системі MATHCAD. Методичні матеріали до лабораторної роботи № 2 з курсу: €œМатематичне моделювання в САПР€ для студенті
18532. Розв’язування диференціальних рівнянь з частинними похідними в системі MATHCAD 414.5 KB
  Розв’язування диференціальних рівнянь з частинними похідними Розв’язування диференціальних рівнянь з частинними похідними в системі MATHCAD. Методичні матеріали до лабораторної роботи № 3 з курсу: €œМатематичне моделювання в САПР€ д
18533. Символьные последовательности 18.96 KB
  Лабораторная работа № 3. Тема Символьные последовательности Если для решения задачи достаточно просмотреть исходный текст один раз то обычно текст вводится и обрабатывается посимвольно и не хранится целиком в памяти в виде массива. В программе используется перем
18534. Одномерные массивы. Упорядоченная совокупность однотипных данных 20.3 KB
  Лабораторная работа № 4. Одномерные массивы Массив используется когда дана упорядоченная совокупность однотипных данных чисел символов строк символов и т.д. с ограниченным числом элементов. Примеры описаний массивов: char text[10];/ массив из 10 символов/ int a[50];/ мас...