VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014

Учебный лабораторный практикум развивает у будущего инженера правильное понимание диалектической взаимосвязи теоретической гипотезы или закона с реальным опытом и практикой, закрепляет его теоретические знания и позволяет лучше подготовиться к будущей практической деятельности. Далеко не все из перечисленных функций лабораторного практикума могут быть реализованы в рамках стремительно развиваемых в последнее время виртуальных компьютерных практикумов. Однако возникающая конкуренция стимулирует развитие традиционных реальных экспериментальных работ в направлении повышения наглядности, обеспечения возможности, простоты и высокой скорости самостоятельного выполнения студентами, снижения стоимости эксперимента и оборудования – тех направлений, где они очевидно уступают компьютерным работам.

Ранее [1] нами был предложен разработанный с учётом приведённых выше соображений лабораторный стенд для выполнения ряда работ по гидродинамике. В настоящей работе предлагается простая и наглядная лабораторная установка для изучения истечения жидкости через отверстия и насадки при постоянном напоре. С истечением через отверстия и насадки связаны многие часто встречающиеся в инженерной практике процессы и явления – истечение жидкости из резервуаров различного назначения, утечки через свищи в трубопроводах, распыление жидкости (топлива) через форсунки в топках котлов и в камерах сгорания тепловых двигателей и др.

Изучение процесса истечения в учебных лабораториях обычно проводят с использованием установок (например, [2]) , состоящих из вместительного металлического напорного бака, в дне или боковой стенки которого выполнено отверстие и смонтирован набор насадок различной формы и размеров. Тем или иным образом обеспечивается возможность их поочерёдного открытия. Подача воды в бак чаще всего осуществляется из городского водопровода, но иногда с помощью насоса обеспечивается её циркуляция. Уровень воды в баке контролируется по водомерному стеклу. Для предупреждения переполнения бака и обеспечения постоянства напора используется переливная труба.

Очевидные недостатки установок описанного типа:

• достаточно высокая стоимость изготовления и эксплуатации - объёмная и материалоёмкая конструкция из труднообрабатываемых материалов;

• малая наглядность – установка изготовлена из непрозрачного материала;

• из-за достаточно больших размеров установки эксперименты на ней более сложны, продолжительны и должны проходить под наблюдением преподавателя или лаборанта (ограничивается самостоятельность работы студентов);

• нет возможности изменить напор перед отверстием или насадком – ограничиваются набор условий эксперимента и возможности индивидуальных заданий.

Представляется, что в предлагаемой установке (рис. 1) эти недостатки в значительной степени удалось преодолеть.

Основой установки является напорный бак в виде доработанной пластиковой бутылки объёмом 1,25 л и широким горлышком диаметром 38 мм. В дне бутылки просверлено отверстие, в которое эпоксидным клеем вклеено горлышко обычного меньшего размера (диаметр 22 мм) от другой пластиковой бутылки.

Бутылка в перевёрнутом виде горлышком большего диаметра вниз закреплена вертикально в лабораторном штативе. Заполнение бака - бутылки осуществляется наливом воды сверху с использованием воронки, но предварительно снизу бутылка закрывается стандартными пластиковыми крышками соответствующего размера из подготовленного набора. В одной из крышек этого набора выполнено отверстие диаметром 2 мм, а в остальные крышки вмонтированы (вклеены эпоксидным клеем) соответственно внешний цилиндрический насадок, удлинённый внешний цилиндрический насадок и внутренний цилиндрический насадок с такими же внутренними диаметрами (рис. 2).

Пластиковая крышка меньшего диаметра для заливной горловины также доработана. В ней просверлено отверстие диаметром около 5 мм, через которое протянут отрезок поливинилхлоридной трубки длиной порядка 15 см. Достаточно плотная посадка трубки в отверстие не допускает протечки воздуха через зазор, но при необходимости позволяет регулировать положение трубки в крышке в продольном вертикальном направлении. Это даёт возможность изменять напор перед отверстием или насадком в отдельных опытах.

После заполнения водой напорный бак-бутылку плотно закрывают крышкой меньшего диаметра, предварительно отрегулировав положение трубки в ней на заданный напор. Если отверстие или насадок открыты, то начинается истечение воды при постоянном напоре, т.к. смонтированный резервуар по сути является вариантом сосуд Мариотта. При истечении жидкости из него в верхней части сосуда образуется вакуум и туда через трубку верхней крышки засасывается атмосферный воздух. Тогда на уровне нижнего конца этой трубки в резервуаре давление будет равно атмосферному давлению, пока уровень воды не опустится ниже конца трубки, и истечение будет происходить при постоянном напоре.

Проведённые испытания полностью подтвердили работоспособность установки. Расхождение определённых с её использованием коэффициентов расхода отверстия и насадков со справочными значениями не превысило 5%. При этом полную программу экспериментов лабораторной работы на одной установке при работе малыми группами по два человека за одну учебную пару сумела выполнить подгруппа из 12 студентов.

Список литературы

1. Швечиков Е.Д., Иванов Е.И. Стенд для лабораторного практикума по гидравлике // Современные наукоёмкие технологии.- 2013.- №8.- Ч. 2.- С. 236-237.

2. Потёмина Т.П., Кудрявцева Н.А. Гидравлика. Учебное пособие.- Тюмень: ТюмГНГУ, 2003. - С. 126-133.

Рис. 1. Установка Рис. 2. Крышки с отверстием и насадками