Министерство образования и науки РФ

Ульяновский государственный университет

Инженерно-физический факультет высоких технологий

Кафедра нефтегазового дела и сервиса

П.К.Германович

ГИДРАВЛИКА И НЕФТЕГАЗОВАЯ ГИДРОМЕХАНМКА

Часть 1 Гидравлика

Курс лекций

Электронное учебное пособие

УЛЬЯНОВСК 2013

Содержание…………………………………………………………………..2.

Введение………………………………………………………………………2

Вводная лекция. Предмет, задачи и методы гидравлики.

Краткая история развития гидравлики. Роль гидравлики в нефтегазовом ……………………………. 3

Лекция 1.Общие сведения о жидкостях и газах………………………….. 9

Лекция 2. Гидростатическое давление…………………………………. .. 22

Лекция 3.Гидростатическое давление жидкости на поверхности ….. ... 40

Лекция 4. Плавание тел……………………………………………………51

Лекция 5 Основные понятия и определения кинематики и динамики

жидкостей и газов……………………………..………………. 56

Лекция 6 Уравнение Бернулли для реальной и идеальной жидкости….. 67

Лекция 7 Теория гидродинамических сопротивлений …………………..75

Лекция 8.Местные гидравлические сопротивления……………………….98

Лекция 9.Истечение жидкости через отверстия и насадки……………….115

Лекция 9Гидравлическая характеристика трубопровода…….…………..128

Лекция 10 Гидравлический удар……………………… …………………..143

Заключение………………………………………………………………….. 157

Использованные литературные источники………………………………...158

Вводная лекция Предмет, задачи и методы гидравлики.

Краткая история развития гидравлики.

Роль гидравлики в нефтегазовом деле.

Введение

В конце XIX и начале XX веков в промышленно развитых странах началась новая техническая эра—эра применения двигателей внутреннего сгорания.

Быстро развиваясь и совершенствуясь, двигатели внутреннего сгорания начали находить самое широкое применение в промышленности и в военном деле.

Быстрое оснащение Вооружённых сил техникой, приводимой в движение моторами, привело к возникновению потребности в горючем.

Специфика обеспечения горючим в отличие от других снабженческих грузов заключается в том, что здесь приходится иметь дело с жидкостями (бензины, дизельные топлива, реактивные топлива, специальные жидкости и т.п.). Кроме того, все горюче-смазочные материалы обладают пожароопасностью и токсичностью. Поэтому офицеру службы горючего при обращении с ними необходимо знать все свойства этих жидкостей и законы, которым они подчиняются.

1. Предмет, задачи и методы гидравлики. Краткая история развития гидравлики.

При решении различных проблем связанных с использованием жидкости часто приходится встречаться с вопросами о поведении жидкости в состоянии покоя, при её движении, а также с вопросами о силовом (механическом) воздействии жидкости на те или другие поверхности и на обтекаемые твёрдые тела.

Исследование этих вопросов постепенно привело к созданию обширной науки, которую следует назвать «механикой жидкого тела» или механикой жидкости, или (если пользоваться греческими словами) «гидромеханикой».

Само собой разумеется, что механика жидкости (гидромеханика) разделяется на статику (гидростатику), кинематику и гидродинамику.

Можно сказать, что в механике жидкости (в гидромеханике) изучаются законы равновесия и движения различных жидкостей. Очевидно, что в ней должны даваться также способы практического применения этих законов, т.е. разрабатываться соответствующие методы гидромеханических расчётов различных конструкций, устройств и т.д.

Существенно подчеркнуть, что механика жидкости (гидромеханики) в силу целого ряда причин развивалась по двум направлениям:

первое направление свойственно техническим наукам, которое изучается в технических учебных заведениях;

второе направление чисто математическое с использованием обширного и относительно сложного математического аппарата, изучаемого, главным образом, в университетах.

В связи со сказанным выше создалось положение, когда в области единой науки—механики жидкости различают как бы две различных науки (строго говоря, два различных метода исследования):

техническую механику жидкости (техническую гидромеханику), называемую гидравликой и изучаемую в технических учебных заведениях;

математическую механику жидкости (математическую гидромеханику), изучаемую главным образом, в университетах.

Мы будем изучать в основном гидравлику, а в отельных разделах использовать теоретические подходы «математической гидравлики», тем более, что современная «техническая гидромеханика» (гидравлика) широко использует методы и результаты «математической гидромеханики» и поэтому в настоящее время различия в понятиях «техническая гидромеханика» (гидравлика) и «математическая гидромеханика» исчезли. По существу это два направления одной и той же науки—гидромеханики.

В настоящее время в промышленности нет области, где не проводятся гидравлические расчёты процессов, устройств и механизмов.

Современная гидромеханика использует в своих исследованиях различные методы.

Метод бесконечно малых величин, разработанный Л. Эйлером, лежит в основе классической гидромеханики и состоит в исследовании различных вопросов путём составления и интегрирования дифференциальных уравнений покоя и движения жидкости. Для применения указанного метода прибегают к модели жидкости, лишённой при своём движении всякого внутреннего трения (вязкости), т.е. идеальной жидкости.

Метод конечных объёмов. Основоположником этого метода является Д.Бернулли. Этот метод пользуется распространением в решении практических задач. При переходе от уравнений, составленных для элементарных частиц жидкой среды, к уравнениям для конечных объёмов применяется теорема о среднем значении интегралов и соотношении между объёмными и поверхностными интегралами.

Метод аналогий даёт возможность перенести разработанные методы анализа из одной области науки в другие, в которых аналогичные вопросы не получили ещё разрешения. Основоположником метода аналогий является академик Н.Н. Павловский.

Метод анализа размерностей создан Д.И.Менделеев, а в дальнейшем развит нашими отечественными учёными школы Н.Е. Жуковского, а так же зарубежными учёными. Этот метод получил широкое распространение в гидромеханике, особенно в случае обоснования и уточнения структуры эмпирических формул.

Метод подобия явлений базируется на теории подобия физических явлений и, являясь экспериментальным методом исследований отдельных гидравлических явлений, позволяет обобщать и распространять результаты опыта на все явления, подобные исследованному в раннем опыте. Применение этого метода имеет огромное практическое значение, так как позволяет производить исследования на малых моделях и пересчитывать результаты испытаний на натуральный объект. Теория подобия детально разработанная трудами отечественных учёных (Н.Е. Жуковским, М.В. Кирпичёвым), является по существу теорией эксперимента и играет в современной гидромеханике исключительно важную практическую роль.

Практическое значение гидромеханики весьма велико, так как она представляет собой основу для инженерных расчётов во многих областях техники и является базой для военно-специальных дисциплин: «Склады горючего», «Технические средства службы горючего», «Полевые трубопроводы», а также для решения многих инженерно-технических задач, связанных с использованием жидкостей.

Ещё в глубокой древности, задолго до нашей эры, с первых шагов своего исторического развития, человек был вынужден практически заниматься решением различных гидравлических вопросов.

Вода всегда играла большую роль в жизни человека. Ещё при первобытнообщинном строе человек использовал реки и озёра как пути сообщения, а в древнем мире воду использовали для самых различных целей.

Зарождение отдельных представлений из области гидромеханики следует отнести к глубокой древности, ко времени гидротехнических работ, проводившихся древними народами, населявшими Египет, Вавилон, Мессопотамию, Индию, Китай и другие страны. Однако, прошло много веков и тысячелетий, прежде чем начали появляться обобщения тех или иных наблюдений, относящихся к гидравлическим явлениям.

Период Древней Греции. В Греции ещё за 250 лет до нашей эры начали появляться трактаты, в которых выполнялись обобщения отдельных вопросов механики жидкости (Архимед 287-212 годы до н.э.).

Период Древнего Рима. В Древнем Риме строились сложные для того времени гидротехнические сооружения: акведуки, системы водоснабжения и т.п.

Период Средних Веков. Этот период длившийся после падения Римской империи около тысячи лет, характеризуется регрессом и в области механики жидкости.

Эпоха Возрождения. В течение второй половины XIV века и в XVI веке начали развиваться экспериментальные исследования, постепенно опровергавшие схоластические воззрения, поддерживаемые католической церковью. В этот период в Италии появляется гениальная личность Леонардо да Винчи (1452-1519), который положил начало экспериментальной гидравлики.

Симон Стевин (1548-1620)—Нидерландский математик-инженер.

Галилео Галилей (1564-1642).

Период XVII века и начала XVIII века. В это время механика жидкости всё ещё находилась в зачаточном состоянии. Вместе с тем здесь же можно отметить имена следующих учёных, способствовавших её развитию:

Кастелаи (1577-1644)—изложил принцип неразрывности;

Торичелли (1608-1647)—дал формулу расчёта скорости истечения жидкости из отверстия;

Паскаль (1623-1662); Ньютон (1643-1727).

Середина и конец XVIII века. Формируются теоретические основы современной механики жидкости. Эти основы были заложены тремя учёными.

Д. Бернулли (1700-1782)—член Петербургской Академии наук. Родился в Голландии.

Л. Эйлер (1707-1783)—родился в Швейцарии, член Петербургской Академии наук.

Ж.Д. Анамбер (1717-11783)—член Парижской, Французской и других Академий наук.

Зарождение и развитие гидромеханики в XIX в. в России.

Прикладное, инженерное направление механики жидкости, зародившееся у нас ещё в работах Ломоносова стало развиваться в России в XIX веке в стенах Петербургского института инженеров путей сообщения. Здесь можно отметить учёных:

П.П. Мельников (1804-1880)—инженер путей сообщения, профессор, член Петербургской Академии наук, Министр путей сообщения. Создал первый на русском языке курс «Основания практической гидравлики».

В.С. Глухов, Н.М. Соколов, П.Н. Котляревский, Ф.Е. Максименко—они опубликовали ряд трудов, относящихся к технической механике жидкости (гидравлике), в которых обобщили соответствующие исследования, выполнение в стенах института инженеров путей сообщения.

Большой вклад внесли в развитие гидравлики следующие русские инженеры и учёные:

Н.П.Петров (1836-1920)—выдающийся русский учёный-инженер впервые сформулировал законы трения при наличии смазки;

Н.Е.Жуковский (1847-1921)—великий русский учёный, профессор Московского высшего технического училища и Московского университета создал теорию гидравлического удара, исследовал многие вопросы механики жидкости;

И.С. Громека (1851-1889)—профессор Казанского университета разработал теорию капиллярных явлений и заложил основы теории винтовых потоков. И другие.

Большой вклад в формирование технической механики жидкости внесли наши отечественные учёные: Н.Н.Павловский, И.И.Агроскин, И.И.Левин, Р.Р.Чугаев и др

За годы Советской власти были организованы крупные гидравлические лаборатории при ВУЗах, научно-исследовательских институтах и больших строительствах. Эти лаборатории дали богатейший экспериментальный материал, позволивший научным работникам и инженерам развивать гидравлику.

На крупнейших реках—Волге, Ангаре, Днепре, Оби и других воздвигнуты гигантские гидротехнические узлы. Сооружение таких гигантов как Волжская ГЭС им. В.И.Ленина, Волжская ГЭС, Братская и Красноярская ГЭС свидетельствуют о высоком уровне развития гидромеханики в то время.