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.