Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги / Гидравлика.-1

.pdf
Скачиваний:
7
Добавлен:
20.11.2023
Размер:
9.14 Mб
Скачать

Министерство 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