Содержание
Лекция 1. Введение 5
Зачем гидравлика в машиностроении? 7
Жидкость как объект изучения гидравлики 10
Гипотеза сплошности 11
Лекция 2. Основные физические свойства жидкостей 12
Плотность 12
Удельный вес 13
Относительный удельный вес 13
Сжимаемость жидкости 15
Температурное расширение жидкости 17
Растворение газов 18
Кипение 19
Сопротивление растяжению жидкостей 19
Вязкость 20
Закон жидкостного трения – закон Ньютона 21
Анализ свойства вязкости 23
Неньютоновские жидкости 24
Определение вязкости жидкости 25
Лекция 3. Эксплуатационные свойства жидкостей 27
Изменение характеристик рабочих жидкостей 29
Загрязнение во время поставки, хранения и заправки 29
Загрязнение в процессе изготовления, сборки и испытания 30
Загрязнение в процессе эксплуатации 31
Распад жидкости под действием различных факторов 31
Последствия загрязнения рабочей жидкости 32
Применяемые жидкости 34
Лекция 4. Гидростатика 36
Силы, действующие в жидкости 36
Массовые силы 36
Поверхностные силы 37
Силы поверхностного натяжения 37
Силы давления 39
Свойства гидростатического давления 40
Основное уравнение гидростатики 42
Следствия основного уравнения гидростатики 43
Приборы для измерения давления 44
Лекция 5. Дифференциальные уравнения равновесия покоящейся жидкости 48
Частные случаи интегрирования уравнений Эйлера 50
Покой жидкости под действием силы тяжести 51
Физический смысл основного закона гидростатики 52
Прямолинейное равноускоренное движение сосуда с жидкостью 53
Покой при равномерном вращении сосуда с жидкостью 55
Лекция 6. Давление жидкости на окружающие её стенки 58
Сила давления жидкости на плоскую стенку 58
Центр давления 59
Сила давления жидкости на криволинейную стенку 62
Круглая труба под действием гидростатического давления 65
Гидростатический парадокс 66
Основы теории плавания тел 66
Лекция 7. Кинематика жидкости 68
Виды движения (течения) жидкости 68
Типы потоков жидкости 70
Гидравлические характеристики потока жидкости 71
Струйная модель потока 73
Лекция 8. Уравнения неразрывности 75
Уравнение неразрывности для элементарной струйки жидкости 75
Уравнение неразрывности в гидравлической форме для потока жидкости при установившемся движении 76
Дифференциальные уравнения неразрывности движения жидкости 76
Лекция 9. Динамика жидкостей 82
Дифференциальные уравнения Эйлера для движения идеальной жидкости 82
Преобразование уравнений Эйлера 84
Исследование уравнений Эйлера 84
Дифференциальные уравнения движения вязкой жидкости (уравнения Навье-Стокса) 86
До сих пор мы не рассматривали влияние сил вязкого трения на движение жидкости. Попытаемся учесть эти силы. Для простоты рассмотрим движение реальной (вязкой) жидкости в проекции на одну координату. Будем считать, что частица в форме параллелепипеда с размерами dx, dy, dz движется вдоль оси X. За счёт сил вязкого трения на верхнюю и нижнюю поверхности рассматриваемого объёма будут действовать силы трения dTв иdTн соответственно. Эти силы зависят от площади трения dydz и величины касательного напряжения на поверхностях трения τ. На нижней поверхности сила трения будет: 87
Лекция 10. Интегрирование уравнений Эйлера 89
Уравнение Бернулли 90
Уравнение Бернулли для струйки идеальной жидкости 90
Геометрическая интерпретация уравнения Бернулли 92
Энергетическая интерпретация уравнения Бернулли 95
Уравнение Бернулли для потока идеальной жидкости 96
Уравнение Бернулли для потока реальной жидкости 97
Лекция 11. Режимы течения жидкостей 100
Два режима течения жидкости 100
Физический смысл числа Рейнольдса 102
Основные особенности турбулентного режима движения 103
Возникновение турбулентного течения жидкости 104
Возникновение ламинарного режима 105
Лекция 12. Гидравлические сопротивления в потоках жидкости 107
Сопротивление потоку жидкости 107
Гидравлические потери по длине 109
Ламинарное течение жидкости 111
Лекция 13. Турбулентное течение жидкости 117
Вязкое трение при турбулентном движении 117
Турбулентное течение в трубах 119
Турбулентное течение в гладких трубах 120
Турбулентное течение в шероховатых трубах 121
Выводы из графиков Никурадзе 124
Лекция 14. Местные гидравлические потери 125
Местные гидравлические сопротивления 125
Виды местных сопротивлений 127
Внезапное расширение. Теорема Борда - Карно 127
Внезапное сужение потока 130
Постепенное расширение потока 131
Постепенное сужение потока 133
Внезапный поворот потока 134
Плавный поворот потока 134
Лекция 15. Критерии подобия 135
Основы теории подобия, геометрическое и динамическое подобие 135
Критерии подобия для потоков несжимаемой жидкости 136
Критерий подобия Ньютона 136
Критерий подобия Эйлера 137
Критерий подобия Рейнольдса 138
Критерий подобия Фруда 140
Заключение о подобии напорных потоков 141
Лекция 16. Истечение жидкости из отверстий и насадков 142
Сжатие струи 142
Истечение через малое отверстие в тонкой стенке 143
Истечение через насадки 146
Лекция 17. Гидравлический расчет трубопроводов 149
Простые трубопроводы постоянного сечения 149
Последовательное соединение трубопроводов 151
Параллельное соединение трубопроводов 153
Разветвлённые трубопроводы 155
Трубопроводы с насосной подачей жидкости 156
Лекция 18. Гидравлический удар в трубопроводах 159
Скорость распространения гидравлической ударной волны в трубопроводе 163
Ударное давление 167
Протекание гидравлического удара во времени 168
Разновидности гидроудара 168
Лекция 19. Особые случаи ламинарного течения 171
Ламинарное течение в зазорах 171
Ламинарное течение в плоских зазорах 171
Ламинарное течение в плоских зазорах с подвижной стенкой 173
Ламинарное течение в кольцевых зазорах 176
Ламинарное течение в трубах прямоугольного сечения 177
Смазочный слой в подшипнике 178
Лекция 20. Особые режимы течения жидкостей 182
Кавитационные течения 182
Течение с облитерацией 185
Течение с теплообменом 186
Течение при больших перепадах давления 187
Список литературы 191
Лекция 1. 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 или ограничивающими ее поверхностями, называется гидромеханикой.
Раздел механики, в котором изучают движение газов и жидкостей и обтекание ими тел, называют аэромеханикой.
Прикладную часть гидромеханики, для которой характерен определенный круг технических вопросов, задач и методов их решения, называют технической механикой жидкости, или гидравликой.
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, т. е. 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.
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»).
В математической механике жидкости широко используется относительно сложный математический аппарат. Решения, получаемые в этом 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.