книги / Гидравлика.-1
.pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
Березниковский филиал Кафедра технологии и механизации производств
ГИДРАВЛИКА
Учебное пособие
Березниковский филиал Пермского национального исследовательского
политехнического университета
2014
УДК 634.036-82.621.22 ББК 22.253
К 44
Рецензенты:
д-р техн. наук, профессор С.Х. Загидуллин (Пермский национальный исследовательский политехнический университет);
канд. техн. наук, доцент С.В. Лановецкий (Березниковский филиал Пермского национального исследовательского
политехнического университета)
Киссельман, И.Ф.
К 44 Гидравлика: учеб, пособие / И.Ф. Киссельман; Березниковский филиал Перм. нац. исслед. политехи, ун-та. - Пермь, 2014. - 248 с.
ISBN 978-5-398-01199-9
В учебном пособии рассмотрены основные законы и уравнения гидравлики, охватывающие разделы свойств жидкостей, гидростатики, кинематики и динамики жидкостей, гидродинамического подобия, расчета трубопроводов, гидравлического удара и особых случаев течения.
Изложены основные вопросы, направленные на приобретение студентами теоретических знаний и практических навыков по применению основ процессов, протекающих в жидких средах. В конце каждого раздела приведены вопросы для самопроверки знаний.
Предназначено для студентов вузов, обучающихся по техническим направлениям и специальностям.
УДК 634.036-82.621.22 ББК 22.253
ISBN 978-5-398-01199-9 |
©ПНИПУ, 2014 |
Оглавление |
|
ВВЕДЕНИЕ................................................................................................................................................. |
6 |
История развития гидравлики......................................................................................................... |
9 |
ЖИДКОСТЬ КАКОБЪЕКТИЗУЧЕНИЯГИДРАВЛИКИ.............................................................................. |
20 |
2ГИПОТЕЗА СПЛОШНОСТИ.................................................................................................................... |
22 |
ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЖИДКОСТЕЙ........................................................... |
24 |
П лотность............................................................................................................................................. |
24 |
Удельный в е с ................................................................................................................................ |
25 |
Сжимаемость жидкости.................................................................................................................. |
26 |
Температурное расширение жидкости....................................................................................... |
29 |
Растворение газов.............................................................................................................................. |
30 |
Кипение................................................................................................................................................. |
31 |
Сопротивление растяжению жидкостей.................................................................................... |
32 |
В язкость................................................................................................................................................ |
33 |
Закон жидкостного трения - закон Ньютона............................................................................. |
34 |
Анализ свойства вязкости.............................................................................................................. |
35 |
Неньютоновские жидкости............................................................................................................ |
38 |
Определение вязкости жидкости.................................................................................................. |
39 |
Эксплуатационные свойства жидкостей.................................................................................. |
40 |
Изменение характеристик рабочих жидкостей....................................................................... |
43 |
Загрязнение во время поставки, хранения и заправки............................................................ |
44 |
Загрязнение в процессе изготовления, сборки и испытания.................................................. |
45 |
Загрязнение в процессе эксплуатации........................................................................................ |
45 |
Распад жидкости под действием различных факторов........................................................... |
46 |
Последствия загрязнения рабочей жидкости........................................................................... |
47 |
Контрольные вопросы...................................................................................................................... |
50 |
ГИДРОСТАТИКА.................................................................................................................................... |
52 |
Силы, ДЕЙСТВУЮЩИЕ в жидкости................................................................................................... |
52 |
Силы ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ................................................................................................ |
54 |
Свойства гидростатического давления |
.56 |
Виды ДАВЛЕНИЯ.................................................................................................................................... |
59 |
Поверхности равного давления.................................................................................................... |
60 |
Приборы для измерения давления................................................................................................. |
62 |
Дифференциальные уравнения равновесия покоящейся жидкости................................. |
64 |
Основное уравнение гидростатики............................................................................................ |
68 |
Физический смысл основного закона гидростатики............................................................ |
70 |
Давление жидкости на окружающие её стенки....................................................................... |
74 |
Сила давления жидкости на плоское дно сосуда...................................................................... |
74 |
Сила давления жидкости на плоскую стенку |
75 |
Сила давления жидкости на криволинейную стенку |
78 |
Расчет тонкостенных цилиндрических сосудов, |
|
подверженных действию гидростатического давления.......................................................... |
80 |
Основы теории плавания т е л ........................................................................................................ |
83 |
Контрольные вопросы...................................................................................................................... |
89 |
КИНЕМАТИКА ЖИДКОСТИ............................................................................................................... |
91 |
Виды ДВИЖЕНИЯ (ТЕЧЕНИЯ) ж идкости........................................................................................... |
91 |
Гидравлические характеристики потока жидкости............................................................... |
95 |
Уравнение неразрывности для элементарной струйки жидкости..................................... |
98 |
Уравнение неразрывности для потока жидкости при установившемся движении |
.....99 |
Контрольные вопросы.................................................................................................................... |
100 |
ДИНАМИКА ЖИДКОСТЕЙ............................................................................................................... |
101 |
Дифференциальные уравнения Эйлера движения идеальной жидкости....................... |
101 |
Преобразование уравнений Эйлера............................................................................................ |
105 |
Интегрирование уравнений Эйлера............................................................................................ |
106 |
Уравнение Бернулли для элементарной струйки идеальной жидкости........................ |
107 |
Уравнение Бернулли для потока идеальной жидкости....................................................... |
110 |
Уравнение Бернулли для потока реальной жидкости......................................................... |
111 |
Геометрическая и энергетическая интерпретация уравнения Бернулли...................... |
113 |
Скоростной напор........................................................................................................................... |
116 |
Контрольные вопросы.................................................................................................................... |
117 |
РЕЖИМЫ ТЕЧЕНИЯ ЖИДКОСТЕЙ................................................................................................ |
119 |
Распределение скоростей при ламинарном режиме............................................................. |
124 |
Возникновение турбулентного течения жидкости............................................................... |
127 |
Возникновение ламинарного режима................................................................................. . |
128 |
Распределение скоростей при турбулентном режиме........................................................... |
129 |
Контрольные вопросы.................................................................................................................... |
133 |
ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ В ПОТОКАХ ЖИДКОСТИ.................................. |
134 |
Виды гидравлических сопротивлений и потерь напора................................................................ |
134 |
Гидравлические гладкие и шероховатые трубы..................................................................... |
136 |
Определение границ сопротивления при турбулентном режиме....................................... |
141 |
Коэффициент Шези.......................................................................................................................... |
142 |
Потери напора по длине................................................................................................................. |
143 |
Местные гидравлические сопротивления............................................................................... |
145 |
Внезапное расширение. Теорема Борда - Карно..................................................................... |
148 |
Внезапное сужение потока........................................................................................................... |
153 |
Поворот потока............................................................................................................................. |
156 |
Вход и выход из трубы................................................................................................................. |
157 |
Контрольные вопросы.................................................................................................................... |
157 |
Основы теории гидродинамического подобия...................................................................... |
159 |
Анализ размерностей. Я-теорема............................................................................................... |
164 |
Пример применения Я -теоремы................................................................................................... |
166 |
Контрольные вопросы.................................................................................................................... |
171 |
ИСТЕЧЕНИЕ ЖИДКОСТИ ИЗ ОТВЕРСТИЙ И НАСАДКОВ..................................................... |
172 |
Сжатие струи..................................................................................................................................... |
173 |
Истечение через малое отверстие в тонкой стенке при постоянном напоре................ |
175 |
Истечение через насадки............................................................................................................... |
179 |
Истечение при переменном напоре............................................................................................ |
186 |
Кошрольные вопросы.................................................................................................................... |
190 |
ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ТРУБОПРОВОДОВ.................................................................... |
192 |
Простые трубопроводы постоянного сечения........................................................................ |
193 |
Основные задачи при расчете простых трубопроводов....................................................... |
1% |
Последовательное соединение трубопроводов..................................................................... |
198 |
Параллельное соединение трубопроводов.............................................................................. |
199 |
Разветвлённые трубопроводы...................................................................................................... |
201 |
Сложные трубопроводы............................................................................................................... |
202 |
Трубопроводы с насосной подачей жидкости..................................................................... |
204 |
Сифонный трубопровод................................................................................................................ |
207 |
Контрольные вопросы.................................................................................................................. |
208 |
ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ УДАР В ТРУБОПРОВОДАХ................................................................... |
210 |
Скорость распространения гидравлической ударной волны................................................ |
|
в трубопроводе................................................................................................................................ |
213 |
Ударное давление............................................................................................. |
218 |
Протекание гидравлического удара во времени..................................... |
219 |
Разновидности гидравлического удара................................................................................. |
220 |
Меры борьбы с негативными последствиями............................................................................. |
|
ГИДРАВЛИЧЕСКОГО УДАРА................................................................................................................ |
221 |
Контрольные вопросы................................................................................................................... |
224 |
ОСОБЫЕ СЛУЧАИ ЛАМИНАРНОГО ТЕЧЕНИЯ....................................................................... |
225 |
Ламинарное течение в плоских зазорах................................................................................ |
226 |
Ламинарное течение в плоских зазорах с подвижной стенкой...................................... |
227 |
Ламинарное течение в кольцевых зазорах............................................................................. |
230 |
Ламинарное течение в трубах прямоугольного сечения................................................... |
232 |
ОСОБЫЕ РЕЖИМЫ ТЕЧЕНИЯ ЖИДКОСТЕЙ........................................................................... |
234 |
Кавитационные течения.............................................................................................................. |
234 |
Течение с облитерацией............................................................................................................... |
239 |
Течение с теплообменом............................................................................................................ |
240 |
Течение при больших перепадах давления............................................................................ |
242 |
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.................................................................................................................. |
247 |
ВВЕДЕНИЕ
Механика, как раздел физики, изучает законы равновесия и движения материальных тел различных видов. Она разделяется на:
-механику твёрдого тела, которая изучает покой и движение тел как совокупности сильно связанных материальных точек;
-механику сыпучих сред, изучающую движение песчаных грунтов, зерна и других аналогичных тел;
-механику жидких сред, в которой изучают равновесие и движение жидкости.
Часть механики жидких сред, которая рассматривает движение жидкости, а также силовое взаимодействие между жидкостью и обтекаемыми ею телами иди ограничивающими ее поверхностями, называется гидромеханикой (рис. 1).
Раздел механики, в котором изучают движение газов и жидкостей и обтекание ими тел. называют аэромеханикой.
Прикладную часть гидромеханики, для которой характерен определенный крут технических вопросов, задач и методов их решения, называют технической механикой жидкости или гидравликой. Название
б
«гидравлика» происходит от греческого «hydravlikos», что означает - водяной.
Обычно гидравлику определяют как науку о законах равновесия и движения жидкостей и о способах приложения этих законов к решению практических задач. В гидравлике рассматриваются главным образом потоки жидкости, ограниченные и направленные твердыми стенками, то есть течения в открытых и закрытых руслах (каналах). Можно сказать, таким образом, что в гидравлике изучают внутренние течения жидкостей и решают так называемую «внутреннюю» задачу в отличие от «внешней» задачи, связанной с внешним обтеканием тел сплошной средой, которое имеет место при движении твердого тела в жидкости или газе (воздухе). «Внешнюю» задачу рассматривают в собственно гидромеханике или аэрогидромеханике. Этот раздел в основном связан с потребностями авиации и судостроения.
Подавляющее большинство технологических процессов практически в любой отрасли современного производства в той или иной степени связаны с использованием жидкостей, газов или паров. Особенно это касается таких отраслей промышленности, как химическая и нефтехимическая отрасли, включая добычу, транспортировку и переработку нефти и газа. И во многом, благодаря накопленным знаниям о закономерностях поведения жидкостей и газов, в условиях современных производств удается не только успешно повышать эффективность существующих технологий, но и разрабатывать новые и весьма перспективные технологии. Это касается всех без исключения технологических процессов, которые протекают в динамических условиях, т.е. в таких условиях, которые не только непосредственно, но и, прежде всего, связаны с движением жидкостей и газов. Это такие технологические процессы, как гидромеханические, теплообменные и массообменные процессы, а также процессы, связанные с химическими превращениями.
При протекании указанных процессов в условиях движения в объеме жидкостей и газов зависимости от физико-химических свойств и внешних сил вначале формируются поля скоростей, затем температурные и поля концентраций. Эти поля в конечном итоге определяют величину движущих сил и направления протекания процессов. По этой причине при изучении любого технологического процесса особое значение приобретают вопросы, связанные с
изучением закономерностей течения жидкостей и газов, что является основным предметом изучения гидравлики.
В гидравлике при решении различных практических задач широко используются те или иные допущения и предположения, упрощающие рассматриваемый вопрос. Достаточно часто гидравлические решения основываются на результатах экспериментов, и потому в гидравлике применяется относительно много различных эмпирических и полуэмпирических формул. При этом, как правило, оцениваются только главные характеристики изучаемого явления и часто используются те или иные интегральные и осредненные величины, которые дают достаточную для технических задач характеристику рассматриваемых явлений.
По своему характеру техническая механика (гидравлика) близка к известным дисциплинам - сопротивлению материалов и строительной механике, в которых под тем же углом зрения изучаются вопросы механики твердого тела. Следует учитывать, что гидравлика, являясь общетехнической дисциплиной, может рассматриваться как «профессиональная физика жидкого тела», в которой, в частности, даются основы соответствующих гидравлических расчетов. Эти расчёты используются при проектировании инженерных гидротехнических сооружений, конструкций, а также гидросистем технологического оборудования, применяемых во многих областях техники.
Разумеется, что гидравлика разделяется на статику жидкости (гидростатику), кинематику потоков жидкости и динамику жидкости (гидродинамику).
Метод, применяемый в современной гидравлике при исследовании движения, заключается в следующем. Исследуемые явления сначала упрощают, и к ним применяют законы теоретической механики. Затем полученные результаты сравнивают с данными опытов, выясняют степень расхождения, уточняют и исправляют теоретические выводы и формулы для приспособления их к практическому использованию. Целый ряд явлений, крайне трудно поддающихся теоретическому анализу, ввиду своей сложности, исследуют экспериментальным путем, а результаты такого исследования представляют в виде эмпирических формул.
Особенно велико значение гидравлики в машиностроении, где приходится иметь дело с закрытыми потоками в трубах и давлениями, многократно превышающими атмосферное. Гидросистемы, состоящие из насосов, трубопроводов, различных гидроагрегатов, широко используют в машиностроении в качестве устройств передачи и преобразования энергии, жидкостного охлаждения, топливоподачи, смазки и др.
Можно также отметить, что имеет место и другой подход к классификации разделов механики жидких сред. В этом подходе говорят о двух разных методах исследования:
-метод «технической механики жидкости» («технической гидромеханики», «гидравлики»),
-метод «математической механики жидкости» («математической гидромеханики»).
Вматематической механике жидкости широко используется относительно сложный математический аппарат. Решения, получаемые
вэтом случае, оказываются более строгими в математическом отношении.
Как показал опыт, методы математической механики жидкости очень часто оказываются столь сложными, что громадное большинство практических задач, следуя этим методам, решить невозможно. Этим и объясняется возникновение и развитие технической, прикладной науки
-технической механики жидкости, т. е. гидравлики, которая стремится дать приближенные ответы на все те вопросы, связанные с движущейся или покоящейся жидкостью, которые ставит перед нами практика.
Можно сказать, что в технической гидромеханике (в гидравлике) приближенно решаются сложные задачи при помощи простых методов. В математической же гидромеханике относительно точно решаются только некоторые простейшие задачи при помощи сложных методов.
История развития гидравлики
Зарождение отдельных представлений из области гидравлики следует отнести еще к глубокой древности, ко времени гидротехнических работ, проводившихся древними народами, населявшими Египет, Вавилон, Месопотамию, Индию, Китай и другие страны. Однако прошло много веков и даже тысячелетий, прежде чем начали появляться отдельные, вначале не связанные друг с другом,
9
попытки выполнить научные обобщения тех или других наблюдений, относящихся к гидравлическим явлениям. В далекой древности гидравлика являлась только ремеслом без каких-либо научных основ.
Период Древней Греции. В Греции еще за 250 лет до н.э. начали появляться трактаты, в которых уже выполнялись достаточно серьезные для того времени теоретические обобщения отдельных вопросов механики жидкости. Математик и механик того времени Архимед (около 287 - 212 гг. до н.э.) выполнил анализ вопросов по гидростатике и плаванию тел. За истекшее время к труду Архимеда, посвященному гидростатике, мало что удалось добавить. Представитель древнегреческой школы Ктесибий (II или I век до н.э.) изобрел пожарный насос, водяные часы и некоторые другие гидравлические устройства. Герону Александрийскому (вероятно, I век н.э.) принадлежит описание сифона, водяного органа, автомата для отпуска жидкости и т. п.
Период Древнего Рима. Римляне заимствовали многое у греков. В Древнем Риме строились сложные для того времени гидротехнические сооружения: акведуки, системы водоснабжения и т. п. В своих сочинениях римский инженер-строитель Фронтин (40-103 г. н.э.) указывает, что во времена Траяна в Риме было 9 водопроводов, протем общая длина водопроводных линий составляла 436 км. Можно предполагать, что римляне уже обращали внимание на наличие связи между площадью живого сечения и уклоном дна русла, на сопротивление движению воды в трубах, на неразрывность движения жидкости. Например, Секст Юлий Фронтин писал, что количество воды, поступившей в трубу, должно равняться количеству воды, вытекающей из нее.
Период Средних веков. Этот период, длившийся около тысячи лет после падения Римской империи, характеризуется регрессом, в частности и в области механики жидкости.
Эпоха Возрождения. В течение второй половины XV века и в XVI веке начали развиваться экспериментальные исследования, постепенно опровергавшие схоластические воззрения, поддерживаемые католической церковью. В этот период в Италии появилась гениальная личность - Леонардо да Винчи (1452 - 1519), который, как известно, вел свои научные (экспериментальные и теоретические) исследования в самых различных областях. В частности, Леонардо изучал принцип