- •2 Гидродинамика ……………………………………………………......68
- •3 Истечение жидкости через отверстия и насадки………………………………………………………………………..............144
- •4 Гидравлические струи………………………………………………...166
- •6 Гидравлический расчет трубопроводов ………………………186
- •7 Равномерное движение потока в открытых руслах…..220
- •Заключение………………………………………………………………...261 Библиографический список……………………………………………………262 приложение а………………………………………………………………262
- •Определение гидравлики и ее краткая история
- •2 Основные определения и физические свойства жидкости
- •3 Вес, масса и плотность жидкости
- •Удельный вес (объёмный вес)
- •5 Сжимаемость жидкости
- •6 Температурное расширение жидкостей
- •Упомянутые процессы – частные случаи политропного процесса
- •7 Вязкость жидкости. Динамический и кинематический коэффициенты вязкости
- •Сила внутреннего трения в жидкости
- •8 Аномальные жидкости
- •9 Идеальная жидкость
- •Контрольные вопросы:
- •1 Гидростатика
- •1.1 Силы, действующие на жидкость
- •1.2 Гидростатическое давление и его свойства
- •1.3 Дифференциальные уравнения равновесия жидкости (Уравнения л. Эйлера)
- •1.4 Поверхность уровня, поверхность равного давления, свободная поверхность
- •1.5 Основное уравнение гидростатики
- •1.6 Виды давлений
- •1.7 Пьезометрическая, вакуумметрическая высоты
- •1.8 Закон Паскаля
- •1.9 Относительный покой жидкости
- •1.9.1 Относительный покой жидкости, перемещаемой вместе с сосудом по вертикали вверх или вниз с ускорением
- •1.9.2 Сосуд с жидкостью движется горизонтально с ускорением а
- •1.9.3 Равновесие жидкости в цилиндрическом сосуде, вращающемся вокруг вертикальной оси, совпадающей с осью сосуда
- •1.10 Сила давления покоящейся жидкости на плоскую поверхность
- •1.11 Центр давления и определение его положения
- •1.12 Давление жидкости на плоскую горизонтальную поверхность. Гидростатический парадокс
- •1.13 Сила давления жидкости на криволинейные поверхности
- •1.14 Основные понятия о равновесии плавающего тела
- •1. 14. 1 Закон Архимеда. Плавучесть тела
- •1. 14. 2 Остойчивость
- •1. 14. 3 Равновесие плавающего тела частично погруженного в жидкость
- •Контрольные вопросы
- •2 Гидродинамика
- •2.1 Основное положение
- •2.2 Виды движения жидкости
- •2.3 Основные элементы потока
- •2.4 Уравнение неразрывности потока жидкости
- •2.5 Дифференциальное уравнения движения идеальной жидкости (уравнения Эйлера)
- •2.6 Уравнение Бернулли для элементарной струйки идеальной жидкости
- •2.7 Вывод уравнения Бернулли из закона живых сил
- •На основании уравнения неразрывности потока
- •2.8 Геометрическая, энергетическая и механическая сущность уравнения Бернулли
- •2.9 Уравнение Бернулли для элементарной струйки реальной жидкости
- •2.10 Уравнение Бернулли для потока реальной жидкости
- •2.11 Понятие о гидравлическом и пьезометрическом уклонах
- •2.12 Практическое использование уравнения Бернулли
- •2.12.1 Расходомер Вентури
- •2.12.2 Прибор для измерения скорости потока (трубка Пито)
- •2.13 Уравнения Навье-Стокса
- •2.14 Основное уравнение равномерного движения жидкости
- •2.15 Гидравлические сопротивления и потери напора при движении жидкости
- •2.15.1 Физическая природа гидравлических сопротивлений
- •2.15.2 Режимы движения и число Рейнольдса
- •2.16 Ламинарный режим движения жидкости
- •2.16.1 Распределение скорости по сечению трубы
- •2.16.2 Определение расхода и средней скорости течения жидкости в трубе
- •2.16.3 Потери напора при ламинарном режиме течения
- •Контрольные вопросы
- •2.17 Турбулентный режим движения жидкости и его закономерности
- •2.17.1 Структура турбулентного потока
- •Воспользуемся уравнением равномерного движения
- •Интегрируя дифференциальное уравнение (2.58), получают
- •2.17.2 Понятие о гидравлически гладкой и шероховатой поверхности
- •2.17.3 Экспериментальные исследования турбулентного режима движения
- •Контрольные вопросы
- •2.18. Местные гидравлические сопротивления
- •2.18.1 Внезапное расширение трубопровода
- •2.18.2 Внезапное сужение трубопровода
- •2.18.3 Потери в диффузоре
- •2.18.4 Постепенное сужение трубы
- •Потери на трение определяются аналогично диффузору:
- •3 Истечение жидкости через отверстия и насадки
- •3.1 Истечения жидкости через малое отверстие в тонкой стенке при постоянном напоре
- •3.2 Экспериментальное определение коэффициента скорости
- •3.3 Истечение жидкости через затопленное отверстие
- •3.4 Опорожнение резервуаров
- •3.5 Физический смысл работа насадка
- •3.6 Внешний цилиндрический насадок
- •3.7 Внутренний цилиндрический насадок
- •3.8 Конически сходящийся насадок
- •3.9 Коноидальные насадки
- •3.10 Конически расходящийся насадок
- •3.11 Энергетическая характеристика насадков
- •4 Гидравлические струи
- •4.1 Незатопленные струи
- •4.2 Затопленные свободные струи
- •4.3 Воздействие струи на твердую преграду
- •4.4 Воздействие струи на криволинейную стенку
- •5 Истечение жидкости через водослив
- •5.1 Классификация водосливов
- •Водослив характеризуется шириной отверстия b, шириной порога s, высотой водосливной стенки со стороны верхнего рв и нижнего рн бьефов (рисунок 5.1).
- •6 Гидравлический расчет трубопроводов
- •6.1 Классификация трубопроводов
- •6.2 Гидравлический расчет коротких трубопроводов
- •6.2.1 Определение скорости и расхода при движении жидкости из трубопровода под уровень
- •6.2.2 Гидравлический расчет сифона
- •6.2.3 Гидравлический расчет всасывающей линии насоса
- •6.3 Расчет длинных простых трубопроводов
- •6.3.1 Гидравлический расчет длинного простого трубопровода
- •6.3.2 Практический расчет длинного простого трубопровода
- •6.4 Гидравлический расчет сложного трубопровода
- •6.4.1 Расчет сложного трубопровода из последовательно соединенных труб разного диаметра
- •6.4.2 Расчет сложного трубопровода с параллельным соединением труб разного диаметра и разными длинами
- •6.4.3 Гидравлический расчёт тупикового трубопровода
- •6.4.4 Гидравлический расчёт трубопровода с непрерывной раздачей расхода по его длине
- •6.5 Гидравлический удар
- •Контрольные вопросы
- •7 Равномерное движение потока в открытых руслах
- •7.1 Виды движений жидкости в открытых руслах
- •7.2 Типы русел
- •7.3 Поперечные профили каналов и их основные параметры
- •7.4 Уравнение равномерного движения потока в открытых руслах
- •7.5 Формулы для определения коэффициента Шези
- •7.6 Гидравлически наивыгоднейший поперечный профиль канала
- •7.7 Допустимые скорости движения воды в каналах
- •7.8 Основные задачи при расчёте каналов на равномерное движение воды
- •8. Моделирование гидравлических процессов
- •8.1 Методы моделирования
- •8.2 Виды подобия
- •8.3 Три теоремы подобия
- •8.4 Гидродинамически подобные потоки
- •8.5 Критерии гидродинамического подобия
- •8.6 Подобие потоков в случае преобладающего влияния сил тяжести
- •8.7 Подобие потоков в случае преобладающего влияния сил вязкости
- •8.8 Другие критерии подобия
- •Приложение а
- •Гидравлика, гидро- и пневмопривод
- •150405.65 И направлений 250400.62, 151002.62
- •660049, Красноярск, пр. Мира, 82.
6.4.4 Гидравлический расчёт трубопровода с непрерывной раздачей расхода по его длине
Рассмотрим частный случай, когда точки разбора находятся на одинаковых расстояниях друг от друга, и расходы разбора в этих точках также одинаковы. Этот случай называется непрерывной раздачей расхода.
Определим потери напора в трубопроводе, на участке АВ которого имеется непрерывный путевой расход (рисунок 6.11). Обозначим длину участка l, путевой расходQП , причём этот расход распределяется равномерно по длине, т.е. на единицу длины участкаАВприходится расходql.
Расход проходящий транзитом обозначимQТР. Следовательно общий расход в точкеА будет составлять
(6.44)
Рисунок 6.11
Расход будет постепенно уменьшатся и в сечении Вбудет равенQTP. Расход же в некотором произвольном сечениис, расположенном на расстоянииxот начального сеченияА, составит
Предположим, что в пределах бесконечно малого участка трубопровода, расположенного в пределах точки С, потери напора
Тогда, имея в виду уравнение (6.47), будем иметь
Для определения потерь напора проинтегрируем это выражение в пределах отх=0 до х=1, тогда
Принимая , окончательно будем иметь
или, имея в виду, что , после несложных преобразований получим
(6.45)
В частности, если транзитный расход QTР = 0 (весь расход Q непрерывно отводится на сторону), уравнение (6.45) принимает следующий вид:
(6.46)
Отсюда следует, что при непрерывном расходе жидкости вдоль трубопровода, потери напора в 3 раза меньше потерь напора при транзите такого же расхода. Заметим, что уравнение (6.45) можно записать и в несколько ином виде. Так как
то
(6.47)
Расход называют расчетным расходом. Тогда уравнение (6.47) можно представить в общем виде так:
(6.48)
6.5 Гидравлический удар
Гидравлический удар - явление, возникающее в текущей по трубопровду жидкости при резком изменении скорости в одном из сечений. Это явление характеризуется возникновением волн повышения и понижения давления. Повышение давления может быть настолько большим, что способно привести к разрыву трубопровода, а резкое падение давления - к разрыву сплошности потока, что нарушает нормальную работу трубопровода.
Первые исследования гидравлического удара были выполнены Н. Е. Жуковским в 1898 г.
Причинами возникновения гидравлического удара являются: быстрое закрытие или открытие запорного и регулирующего устройств; внезапное включение и отключение насоса; выход оставшегося в трубопроводе воздуха.
Характер процесса гидравлического удара зависит от вызвавших его причин. При закрытии затвора в конце трубопровода гидравлический удар начинается с волны повышения давления, а при отключении насоса - с волны понижения давления, которое после закрытия обратного клапана сменится повышением давления. Помимо этого, процесс гидравлического удара зависит от быстроты закрытия или открытия запорного устройства и многих других факторов.
Рассмотрим случай гидравлического удара при закрытии затвора, расположенного в конце горизонтального трубопровода круглого поперечного сечения, подсоединенного к резервуару (рисунок 6.12). При этом примем следующие допущения: размеры резервуара столь велики, что уровень в нем остается постоянным, независимо от явлений, происходящих в трубопроводе; потери напора и скоростной напор до закрытия затвора малы, пьезометрическая линия практически совпадает с горизонтальной линией, проведенной на отметке свободной поверхности в резервуаре; движение жидкости принимается одномерным.
Теоретическими и экспериментальными исследованиями было установлено, что при резком закрытии задвижки в трубах скачком возрастает давление, причем 1 м/с потерянной скорости движения жидкости соответствовало повышение давления на 10 - 12 aт.
Рассмотрим трубу (рисунок 6.12) длиной l, диаметром d, с толщиной стенок и модулем объемной упругости материала труб, по которому со скоростьюдвижется жидкость с плотностьюи модулем объемной упругостиЕж. Труба присоединена к большой емкости. Для изменения скорости движения жидкости труба оборудована задвижкой.
Если бы жидкость была абсолютно несжимаема, а труба не деформируема, то при резком закрытии задвижки произошла бы мгновенная остановка жидкости по всей длине трубы. Кинетическая энергия движения преобразовалась бы в потенциальную энергию давления. Это вызвало бы мгновенное повышение давления в жидкости по всей длине трубы - абсолютно жесткий гидравлический удар.
В реальных условиях (при движении сжимаемой жидкости в трубе с деформируемыми стенками) возникновение ударного повышения происходит по иному.
За время после резкого закрытия задвижки около нее остановится слой жидкости толщиной(рисунок 6.12, б), в котором произойдет быстрое преобразование кинетической энергии в потенциальную энергию давления. Остановившийся слой сожмется от воздействия на него остальной движущейся жидкости; давление в этом слое возрастет, наОдновременно произойдет деформация стенок трубы.
В следующий момент времени около остановившегося слоя жидкости остановится следующий слой. В нем также произойдет повышение давления, а в трубе - деформация стенок.
Такой процесс повышения давления и деформации стенок трубы будет распространяться по всей ее длине со скоростью “c”, называемой скоростью распространения ударной волны, - прямой гидравлический удар. В конечном итоге стенки всей трубы окажутся деформированными, а давление в жидкости возрастет до ( - начальное давление в жидкости).
Когда, волна ударного повышения давления достигнет резервуара, последний слой окажется не сжатым. Под действием образовавшегося перепада давлений жидкость начнет послойно двигаться из трубы в резервуар. Давление в слоях уменьшается до начального р0, а возникшие деформации стенок трубы исчезают. Работа деформации преобразуется в кинетическую энергию и жидкость приобретает начальную скорость , но направленную в противоположную сторону (рисунок 6.11, в).
Со скоростью жидкость стремится оторваться от задвижки, вследствие чего возникает ударная волна пониженного давления, направленная от задвижки к резервуару со скоростьюс. Кинетическая энергия жидкости вновь преобразуется в работу деформации, теперь только противоположного знака (рисунок 6.12, г). Давление в жидкости уменьшается до
Процесс повышения и понижения давления происходил бы бесконечно долго, если бы энергия жидкости не расходовалась на преодоление сил трения жидкости о стенки трубы, на сжатие жидкости и деформацию стенок трубы.
В реальных условиях этот процесс является затухающим.
При разработке теории гидравлического удара и выводе формулы для определения величины ударного повышения давления Н.Е. Жуковский исходил из теоремы равенства кинетической энергии жидкости работе сил деформации стенок трубы и жидкости, т.е.
Рисунок 6.12
Эта же задача может быть решена, если воспользоваться и другой теоремой - теоремой равенства изменения количества движения импульсу силы гидродинамического давления в проекциях на ось трубы (силами трения пренебрегаем, а проекция силы веса жидкости на ось трубы равна нулю).
Количество движения массы жидкости, заключенной в трубе в начальный момент времени (после закрытия задвижки)
Через время волна ударного повышения давления достигнет резервуара, скорость движения жидкости и количество движения станут равными нулю.
Таким образом изменение количества движения за время составит
Импульс силы гидродинамического давления за то же время
Согласно исходной теореме
а
(6.49)
где - скорость распространения ударной волны.
Скорость распространения ударной волны Н.Е. Жуковским была определена аналитически:
(6.50)
Для стальных труб модуль объемной упругости Ет =1,96-10 кГ/см, а для воды Еж =2,1-104 кГ/см2.
В формуле 6.50 величина характеризует скорость распространения ударной волны в материале, из которого изготовлена труба, а
- в жидкой среде.(6.51)
Формула 6.50 для определения ударного повышения давления справедлива при прямом ударе, когда длительность его фазы больше времени, затрачиваемого на закрытие задвижки -. Это означает, что отраженная ударная волна возвратится к задвижке, когда она будет закрыта. Для уменьшения ударного повышения давления необходимо увеличить время закрытия задвижки. В этом случае, отраженная с ударная волна возвратится к задвижке, когда она будет еще не полностью закрыта.
Гидравлический удар будет непрямым, а определяется по формуле:
(6.52)
"Простейшим способом ограждения водопровода от гидравлических, ударов является приспособление к медленному закрытию кранов. При этом продолжительность закрытия должна быть пропорциональна длинам труб. Воздушные колпаки надежных размеров, поставленные при кранах и задвижках, почти совершенно уничтожают гидравлический удар" - такова рекомендация Н.Е. Жуковского по снижению вредного воздействия на гидросистему гидравлического удара.
Пример: по трубе из стали длиной , диаметроми толщиной стенокпротекает вода с расходом.
Определить ударное повышение давления в трубе в результате закрытия задвижки в течение и.
Решение. Средняя скорость движения воды в трубе
Скорость распространения ударной волны в трубе
.
Фаза гидравлического удара
При имеет место прямой гидравлический удар. Ударное повышение давления в этом случае
При будет непрямой гидравлический удар. Ударное повышение давления