Лабораторная работа N1
Тольяттинский государственный университет
Кафедра “Энергетические машины и системы управления ”
Лабораторная работа N1
по дисциплине « Механика жидкости и газа»
“Определение вязкости жидкости
вискозиметром Энглера”
Выполнил студент группы ---------:
Принял преподаватель:
Тольятти 20014
1. Цель работы:
Приобретение навыков экспериментального определения вязкости исследуемой жидкости при помощи вискозиметра Энглера.
2.Описание лабораторной установки:
Вискозиметр Энглера (рис.2.1) состоит из металлического цилиндра 1, имеющего цилиндрическое дно с отверстием. Отверстие закрывается стержнем. При исследовании зависимости и изменения вязкости жидкости от температуры цилиндр помещают в водяную ванну 3 с регулируемым подогревом воды, 4 – электронагреватель, 5 – мерный стакан.
Рис. 2.1. Вискозиметр Энглера.
3.Физическая формулировка расчетных формул и их применения для определения вязкости испытуемой жидкости
При движении реальной жидкости между ее отдельными слоями возникают внутренние силы, величина которых зависит от вида жидкости и характера распределения скоростей между слоями.
Согласно гипотезе Ньютона, подтвержденной экспериментальными исследованиями, касательное напряжение трения в жидкости определяется зависимостью:
 |
(3.1)
где μ – коэффициент динамической вязкости;
- градиент скорости.
Коэффициент μ характеризует вязкость жидкости, т.е. свойство жидкости оказывать сопротивление относительному сдвигу ее частиц. Вязкость жидкостей зависит от температуры и давления. C увеличением температуры вязкость капельных жидкостей уменьшается, а газов увеличивается, что объясняется различным молекулярным строением жидкостей и газов. В капельных жидкостях вызывается силами молекулярного сцепления, которое уменьшается с увеличением температуры. В газах вязкость обусловлена беспорядочным тепловым движением молекул, интенсивность которого увеличивается с температурой, что приводит к увеличению взаимодействия молекул газа при их столкновении.
Для чистой пресной воды зависимость μ от температуры t определяется по формуле Пуазейля:
μводы = 0,0179/(1+0,0368t+0,000221t2) .(3.2)
Для воздуха применяется формула Милликена:
μвозд = 1,745 ·10-6 + 5,03 · 10-9 t.(3.3)
При давлениях, встречающихся на практике (до 200 ат), вязкость капельных жидкостей мало зависит от давления, и этим изменением обычно пренебрегают. Вязкость газов уменьшается с увеличением давления.
Динамическая вязкость измеряется в Па·с [СИ]:
1 Па·с = 0,102 кгс·с/м = 10 г/(c·см) = 10 П (Пуаз) .
Кроме динамической вязкости μ в гидравлике применяется кинематический коэффициент вязкости ν:
(3.4)
где ρ–плотность жидкости.
Кинематическая вязкость измеряется в м2/c:
1 м2/c = 1 · 104 см2/c = 1 · 104 Cт (Стокс) .
На практике вязкость жидкостей определяется вискозиметрами. Наибольшее распространение получил вискозиметр Энглера. При определении ν, см2/с, можно пользоваться формулой:
ν = (0,0731ºЭ – 0,0631/ºЭ),(3.5)
где ºЭ – градусы Энглера;
ºЭ = τ1/τ2 ,(3.6)
где τ1 – время истечения заданного объема испытуемой жидкости;
τ2 – время истечения эталонной жидкости (дистиллированная вода).
Градиент скорости в формуле (3.1) характеризует относительное изменение скорости между отдельными слоями потока.
Представим два слоя А и В (рис. 3.1), которые расположены на расстоянии ∆y один от другого.
Рис. 3.1. Распределение скоростей при течении жидкости в трубе.
Слой В движется со скоростью U, слой А со скоростью U+∆U. Величина ∆U является абсолютным сдвигом слоя А по слою В, а ∆U/∆y – есть градиент скорости. Если слои будут находиться бесконечно близко друг к другу, то для двух соседних слоев градиент скорости равен dU/dy.
4.Указания к выполнению работы:
1. Налить ≈250 см3 исследуемой жидкости в цилиндр 1 и установить мерный сосуд под отверстием.
2. Стержнем 2 открыть отверстие в цилиндре, одновременно включив секундомер.
3. Определить время τ1 истечения из цилиндра 200 см3 исследуемой жидкости при комнатной температуре. Опыт повторить не менее 3 раз.
4. Тщательно вытереть цилиндр и вылить в него в закрытом донном отверстии ≈250 см3 эталонной жидкости (дистиллированной воды).
5. Определить время истечения τ2 (не менее 3 раз).
6. Для определения плотности ≈200 см3 исследуемой жидкости налить в высокий стакан. В стакан опустить ареометр и по ареометрической шкале определить плотность жидкости.
7. Определить среднее время истечения τ1ср и τ2ср:
τср = (τ′ + τ″ + … + τn)/n ,
где n – количество измерений.
8. Вычислить градусы Энглера:
ºЭ = τ1ср /τ2cр .
9. Определить коэффициент кинематической вязкости ν по формуле (3.5).
10. Найти динамический коэффициент вязкости μ по формуле (3.4).
11. Выполнить перевод полученных значений ν и μ из системы СГС в систему СИ.
Программа работы:
1.Определить вязкость испытуемой жидкости при помощи вискозиметра Энглера.
2. Измерить ареометром плотность жидкости.
3. Установить динамическую вязкость испытуемой жидкости.
5. Результаты измерений и расчетов
| № опыта | жидкость | время истечения | Среднее время | температура | Плотность | Вязкос | ть испытуемой | жидкости | |||||
| τ | τср | t, c | ρ, кг/м3 | Э | ν | μ | |||||||
| см2/с | стокс | санти стокс | м2/с | г/с*см | пуаз | Па*с | |||||||
Таблица 5.1
6.Контрольные вопросы:
1. Определение и классификация жидкостей.
2. Какие физические свойства имеет жидкость?
3. Что называется вязкостью жидкости?
4. От чего зависит величина силы трения при движении жидкости?
5. Что такое градиент скорости сдвига?
6. Какие коэффициенты вязкости вы знаете, как они определяются и в каких размерностях?
7. Как изменяется вязкость жидкостей и газов с изменением температуры и давления?
8. Чем объясняется наличие вязкости в жидкостях и газах?
9. Что из себя представляют ньютоновские и неньютоновские жидкости ?