Инженерные системы зданий и сооружений. Водоснабжение, водоотведение с основами гидравлики

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ТРАНСПОРТА»

РУТ (МИИТ)

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ

по дисциплине Инженерные системы зданий и сооружений. 
Водоснабжение, водоотведение с основами гидравлики

(наименование)

Направление подготовки/специальность: 08.03.01 Строительство

(код и наименование направления подготовки/специальности)

Профиль: Гидротехническое строительство

Форма обучения: очная

Москва

2022

Разработчик - Овсянников В.М.

Заведующий 
кафедрой 
«Водные 
пути, 
порты 
и 
гидротехнические 

сооружения» Сахненко М.А.

Оглавление

Лабораторная работа 1. Истечение жидкости из отверстия. . . . . . . . . . . . . . . . 4

Лабораторная работа 2. Измерение коэффициента сопротивления круглой 
трубы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12

Лабораторная работа 3. Течение жидкости между двумя плоскостями . . . . . .18
Лабораторная работа 4. Пограничный слой вязкой жидкости. . . . . . . . . . . . . 23

Лабораторная работа 5. Три задачи о течении в трубопроводах. . . . . . . . . . . . 27

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

Тема: Истечение жидкости из отверстия

Продолжительность  2 час.

1.
Исследованию подлежат закономерности истечения жидкости из 

отверстия: 
связь 
между 
скоростью 
истечения 
и 
напором 
или 

гидростатическим давлением перед отверстием, коэффициент объемного 
расхода, отражающий степень заполнения струей площади поперечного 
сечения отверстия.

2. Теоретические материалы.

Одним 
из 
первых 
базисных 
экспериментов 
для 
обоснования 

закономерностей гидродинамики был выполненный И.
Ньютоном 

эксперимент с истечением воды из сосуда через небольшое отверстие в 
стенке. Схема истечения представлена на рис. 1.

Рис. 1. Схема истечения жидкости из сосуда

Ввиду наличия у воды инерции струйки, стекающие вдоль внутренних 
стенок сосуда, дойдя до отверстия не могут резко изменить направление 
течения с вертикального на горизонтальное и вынуждены поворачивать 
постепенно с радиусом поворота r. Это приводит к сужению диаметра
поперечного  сечения струи, вытекающей из отверстия. (См. рис. 2.).
Площадь поперечного сечения струи в сжатом сечении будет меньше
площади отверстия S= πd2/4. Здесь d - диаметр отверстия.

x

y

Рис. 2. Схема вытекания струи из отверстия с сужением поперечного сечения.

При падении единичного объема воды с высоты H
он теряет

потенциальную энергию ρgH и приобретает кинетическую энергию ρv2/2 за 
счет набора скорости v. Здесь g - ускорение свободного падения (g = 9,8 м/с2;
ρ - плотность жидкости. Приравняв потенциальную и кинетическую энергии, 
получим  равенство

ρgH= ρv2/2,

из которого для расчета скорости истекающей из сосуда струйки воды 
найдем формулу

v=(2gH)0.5

Реальная скорость истечения бывает ниже рассчитанной по этой формуле 
примерно на 2%. Но на такое малое расхождение не будем обращать 
внимания.

Объемный 
расход
жидкости 
измеряется 
объемным 
способом.

Секундомером замеряется время t наполнения мерного стакана известного 
объема W. Деление объема стакана на время его заполнения дает объемный 
расход вытекающей из сосуда жидкости

Q=W/t.

Уменьшение площади отражает коэффициент объемного расхода μ, 
вводящийся в формулу

Q=μSv
(1)

r

где S – площадь отверстия, вычисляемая по его диаметру d

S=πd2/4

3. Рекомендации обучающимся по подготовке к лабораторной работе

Обучающейся должен ознакомиться с содержанием учебника
по теме

«Истечение жидкости из отверстия». 

4.Описание опытной установки.

В нижней части боковой цилиндрической стенки сосуда высверливается 
круглое отверстие диаметром 2 – 3 мм с горизонтальным расположением 
оси. Сосуд ставится на край стола и наполняется водой до верхней риски, 
расположенной на 12 – 15 см над отверстием. (См. рис. 1). Отверстие 
закрыто пальцем экспериментатора, чтобы вода не выливалась. Для 
проведения экспериментов необходимо иметь рулетку, позволяющую 
измерить длины до 1 метра, секундомер, мерный стакан объемом W=120 –
150 см3.

5.Содержание работы, выполняемой обучающимися в ходе занятия.

Производится измерение скорости вытекания жидкости из сосуда 
геометрическим и гидродинамическим методами.

6. Порядок проведения эксперимента.

До наполнения сосуда водой линейкой измеряется начальный уровень воды 
от центра отверстия до верхней риски H1 и уровень в конце истечения H2  с 
точностью до 0.5 мм . Имея несколько сверл с диаметрами от 2 до 4 мм 
уточняется 
диаметр 
имеющегося 
отверстия. 
Рулеткой 
измеряется 

расстояние y от центра отверстия сосуда, стоящего на столе, до пола.

После этого в сосуд заливается водопроводная вода до верхней метки. 
Экспериментатор в это время держит отверстие закрытым пальцем.

При начале истечения включается секундомер, открывается отверстие и 
первые капли воды падают на пол, а затем вода струи собирается в мерный 
стакан. Время заполнения мерного стакана t фиксируется секундомером.
Замеряется расстояние от центра отверстия до зеркала воды в сосуде H2 в 
конечный момент опыта.

Рулеткой измеряется расстояние x
–
длина пути струи воды в 

горизонтальном направлении.

Этих данных достаточно для вычисления скорости истечения воды из 
отверстия двумя способами.

При отсутствии мерного стакана можно объем вытекающей воды измерить 
по уровню понижения зеркала воды в сосуде. Для этого под меткой 
начального уровня воды в сосуде необходимо на расстоянии 2 см ниже 
нанести вторую метку. Для вычисления объема вытекшей воды надо знать 
диаметр  сосуда круглой цилиндрической формы. Величину диаметра D
точнее получить измерением длины окружности сосуда L рулеткой и 
использованием формулы L=πD. Объем вытекшей жидкости вычисляется 
по формуле

W=( H1 - H2 )D2/4

7.Техника безопасности.

При проведении опытов с водой в помещениях, имеющих электрические 
розетки, следует помнить о недопустимости попадания воды на 
электрические контакты. Поэтому следует проявлять осторожность и не 
использовать излишнего количества жидкости.

8.Обработка результатов эксперимента

Рис. 3. Схема измерения уровней жидкости в начале истечения и в конце 

истечения жидкости из сосуда

Скорость v истечения струи в начальный момент времени может быть 
вычислена геометрически по значениям координат точки падения струи на 
пол x и y. В горизонтальном направлении частицы воды перемещаются с 
постоянной скоростью v и за время τ до падения на пол проходят расстояние
x

x =vτ
(2)

x

y

H2

H1

По вертикали за время τ жидкая частица струи двигаясь с постоянным 
ускорением под воздействием притяжения Земли опускается на высоту y

y=gτ2/2
(3)

где τ
- время падения струи, 
g – ускорение свободного падения

g=981см/с2. Измерения координат удобно измерить в см поэтому ускорение 
свободного падения берется в см/с2.

Исключая время падения струи  из системы уравнений (2), (3), найдем связь 
скорости истечения v с координатами точки падения x и y. Возводя обе 
части уравнения (2) в квадрат

x2=v2τ2

получим, что

τ2=x2/v2
(4)

Из уравнения (4) находим, что

τ2=2y/g
(5)

Приравняв правые части формул (4) и (5), получим равенство

x2/v2=2y/g

из которого находим формулу для скорости истечения струи

v=(g x2/2y)0.5

Таким образом, для вычисления начального значения скорости истечения 
геометрическим способом получим

v1=(g x2/2y)0.5

Гидродинамический способ вычисления скорости струи в начальный 
момент времени

v2=(2gH1)0.5

использует начальный уровень воды H1.

Полусумма результатов измерения скорости истечения воды из отверстия

vср=( v1+ v2)/2

будет наиболее близка к правильному результату. Относительное отличие 
измеренных скоростей истечения от среднего значения

ε=[│ v1 - vср│/ vср ]100 %

Объемный расход жидкости определяем объемным способом

Q[см3/с]=W[см3]/t[с]

Для оценки величины коэффициента объемного расхода

разрешим формулу (1) относительно  μ и подставим в нее среднее значение 
скорости, измеренной двумя независимыми способами 

μ = Q/(S vср )

9. Оформление отчета по лабораторной работе

Результаты можно свести в таблицу

Физическая 
величина

Буквенное

обозначение

Численное

значение

Размерность

Диаметр отверстия
d
см

Начальный 
напор 

воды

H1
см

Конечный 
напор 

воды

H2
см

Скорость 
истечения, 
определенная 
гидродинамическим
методом

v2
см/с

Время истечения
t
с

Горизонтальный 
путь струи 

x
см

Вертикальный путь 
струи 

y
см

Скорость 
истечения, 
определенная 

v1
см/с

геометрическим 
методом

Среднее по двум 
методам 
значение 

скорости истечения

vср
см/с

Отличие 
измеренной 
скорости истечения 
от среднего в %

ε

Длина окружности 
цилиндрической 
емкости

L
см

Разность напоров
H1 - H2
см

Диаметр 
цилиндрической

емкости

D
см

Объем 
вытекшей 

жидкости

W
см3

Объемный 
расход 

вытекающей 
жидкости 

Q
см3/с

Площадь отверстия
S
см2

Коэффициент 
расхода

μ

10.Перечень изданий, которые рекомендуется использовать при 

подготовке к лабораторной работе

№ 
п/п
Библиографическое описание
Место доступа

1.
Исаев А.П. Гидравлика. - М.: НИЦ 
ИНФРА-М, 20195. - 420 с

https://znanium.com/catalog/document?id=333161

2.
Нигматулин Р.И., Соловьев А.А. 
Физическая гидромеханика. 
Учебное
пособие. М.: Гэотар, 2005.- 512 стр.

В библиотеке АВТ имеется 40 экз.

3.
Гиргидов А.Д. Механика жидкости 
и газа (гидравлика): - М.: НИЦ 
ИНФРА-М, 2021. - 704 с.

https://znanium.com/catalog/document?id=360296

4.
Шейпак А. А.
Гидравлика 
и 

гидропневмопривод. 
-
М.:НИЦ 

ИНФРА-М, 2019. - 272 с.

https://znanium.com/catalog/document?id=333181