- •Содержание
- •Общие методические указания
- •Программа
- •Тема 1. Введение.
- •Тема 2. Свойства жидкостей.
- •Тема 3. Гидростатика.
- •Тема 4. Динамика жидкости.
- •Тема 5. Гидравлический расчет трубопроводов и насосов.
- •Темы практических занятий
- •Список лабораторных работ
- •8.Турбулентное движение жидкости
- •9.Местные сопротивления
- •Основная литература:
Список лабораторных работ
На ПК выполняются следующие виртуальные лабораторные работы:
1. Измерение гидростатического давления и экспериментальное подтверждение закона Паскаля;
2. Определение слагаемых уравнений Д. Бернулли при установившемся неравномерном движении жидкости в напорном трубопроводе;
3. Экспериментальная иллюстрация ламинарного и турбулентного режимов движения жидкости, определение законов сопротивления и критического числа Рейнольдса;
4. Изучение гидравлических сопротивлений напорного трубопровода с определением коэффициентов гидравлического трения и местных сопротивлений;
5. Изучение истечения жидкости через малые отверстия в тонкой стенке и насадки при постоянном напоре в атмосферу.
ПРИМЕРНЫЕ ВОПРОСЫ К ЭКЗАМЕНУ (ЗАЧЕТУ)
по дисциплине «Гидравлика»
1. Свойства жидкостей
1. Текучесть
2. Плотность
3. Несжимаемость
4. Вязкость
5. Характеристики основных свойств жидкостей
2. Силы, действующие в жидкости
Непрерывность распределения сил в жидкой среде
Силы внутренние и внешние. Направление действия сил
Силы объемные и поверхностные
Жидкость идеальная и реальная
Силы давления и силы трения
Деформации в жидкости
Скорости деформации Напряжения в жидкой среде
Равенство давлений по направлениям
Распределение давления в жидкости
3.Гидростатика
Условия равновесия жидкости
Дифференциальные уравнения равновесия жидкости
Основные уравнения гидростатики
Барометрические формулы
Закон Паскаля
Главный вектор и главный момент сил давления
Закон Архимеда
Равновесие погруженного тела
Давление жидкости на стенку сосуда
4.Кинематика жидкости
Методы кинематического анализа
Мгновенная и усредненная скорость
Траектории и линии тока
Трубка тока
5.Основные законы гидромеханики
Закон сохранения массы
Закон сохранения энергии. Уравнение Бернулли
Примеры применения уравнения Бернулли
Уравнения движения идеальной жидкости
Уравнения движения реальной жидкости
Полная система уравнений движения жидкости
Теорема о количестве движения…
Виды потоков жидкости
Диссипация механической энергии потока жидкости
8.Турбулентное движение жидкости
Неустойчивость ламинарного движения. Возникновение турбулентности. Переход ламинарного движения в турбулентное. Кризис сопротивления плохо обтекаемых тел.
Внутренняя структура турбулентного потока.
Пульсационные скорости.
Турбулентная вязкость.
Турбулентное течение в трубах.
Сопротивление гладких и шероховатых труб.
Уравнения турбулентного движения в форме Рейнольдса.
9.Местные сопротивления
Сопротивления при внезапном изменении сечения трубопровода.
Сопротивления диафрагм.
Сопротивления при входе и выходе из трубы.
Коэффициенты сопротивления приточных шахт.
Коэффициенты сопротивления вытяжных шахт.
Коэффициенты сопротивления дроссельных заслонок.
Сопротивления заслонок.
Сопротивления при изгибах трубопроводов; повороты с направляющими лопатками и без них, повороты в пучках труб.
ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЕ (ЗАЧЕТНЫЕ) ТРЕБОВАНИЯ
1. Выполнение учебного плана семестра.
2. Знать определение основных гидравлических величин, основные законы, используемые модели, соотношения, системы единиц.
3. Уметь использовать методы расчета различных характеристик гидравлических процессов.
ОСНОВНЫЕ ФОРМУЛЫ
Плотностью жидкости называют массу вещества М, заключенную в единице объема V: ρ = m/V [ρ] = кг/м3
Удельным весом жидкости γ называют вес G вещества, заключенного в объеме V; т.к. G = m·g, где g –ускорение силы тяжести, то
γ = G/V = m· g/V = ρg [γ] = Н/м3
Удельный объем жидкости – объем, который занимает единица массы жидкости Θ = V/m . Эта величина является обратной плотности жидкости:
Θ = 1/ ρ [Θ] = м3/кг
Сжимаемость жидкости характеризуется коэффициентом объемного сжатия βс = 1/V· ΔV/ΔΡ [βс] = м2/Н
Для того, чтобы перемещать верхнюю пластину по поверхности жидкости глубиной d с постоянной скоростью υ0, необходимо приложить к ней некоторую силу F, уравновешивающую силы внутреннего трения. Величина этой силы, отнесенная к площади пластины S, пропорциональна отношению υ0 /d, т.е. F/S = µ·υ0 /d
Величину µ называют динамическим коэффициентом вязкости жидкости, который является одним из важнейших ее параметров.
[µ] = Н· сек/м2 = кг/м· сек
Величину F/S называют величиной касательного напряжения τ приложенного к движущейся поверхности: τ = µ· υ0 /d
В гидравлике также часто пользуются величиной ν = µ/ ρ, которую называют кинематическим коэффициентом вязкости жидкости.
[ν] = м2/сек
Гидростатическим давлением называют отношение нормальной составляющей силы ΔF к площадке ΔS, на которую она действует:
P = ΔF/ΔS = ρgh [P] = Н/м2
где h – глубина, на которой в жидкости находится данная площадка.
Полное (абсолютное) давление Рабс, действующее в любой точке внутри жидкости складывается из атмосферного давления, действующего на поверхность жидкости и передаваемого во все точки жидкости, согласно закону Паскаля и давления, оказываемого весом столба жидкости, расположенного над ней. Оно называется основным уравнением гидростатики и равно:
Рабс = Ратм + ρgh
В гидравлических прессах, принцип действия которых основан на законе Паскаля, отношение усилий на большом и малом поршнях пропорциональны отношению их площадей или квадрату отношения диаметров.
P1/P2 = S1/S2 = D2/d2
Полная сила давления Р жидкости на плоскую стенку равна произведению площади смоченной поверхности стенки S на гидростатическое давление рц.т. в ее центре тяжести:
Р = рц.т.·S = (Ратм + ρghц.т.)·S
Данная формула справедлива не только для частного случая вертикальной прямоугольной плоской стенки, но и для более общего случая наклонной плоской стенки с произвольными очертаниями. Точку приложения равнодействующей сил давления называют центром давления. Центр давления обычно лежит ниже центра тяжести площади стенки. При горизонтальной стенке (дно резервуара) они совпадают. Центр давления прямоугольной стенки находится на расстоянии h/3 от основания.
Закон Архимеда: тело, погруженное в жидкость, испытывает со стороны жидкости выталкивающую силу, направленную снизу вверх и равную весу жидкости в объеме погруженной части тела.
Fвыталк. = ρж g Vж
Для однородного тела, плавающего на поверхности:
Vпогр. /V = ρт/ρж
где Vпогр. - объем погруженной части плавающего тела;
V - полный объем плавающего тела;
ρт - плотность тела.
Условие плавания тела: Fвыт. = Fтяж или ρж g Vж = m g
При Fвыталк. ˃ Fтяж - тело всплывает,
При Fвыталк. ˂ Fтяж - тело утонет.
Условия остойчивости судна. Пусть под влиянием внешних сил судно наклонилось на некоторый угол а, часть судна KLM вышла из жидкости, а часть K'L 'М', наоборот, погрузилось в нее. При этом получили новое положений центра водоизмещения d'. Приложим к точке d' подъемную силу R и линию ее действия продолжим до пересечения с осью симметрии О'-О”. Полученная точка т называется метацентром, а отрезок тС = h называется метацентрической высотой. Метацентр – точка пересечения подъемной силы с осью плавания. Если точка М лежит выше точки С, то метацентрическая высота считается положительной, если лежит ниже точки С – то она считается отрицательной. Считается h положительным, если точка т лежит выше точки С, и отрицательным - в противном случае.
Таким образом, можно сделать следующие выводы:
Остойчивость тела в полупогруженном состоянии зависит от относительного расположения точек метацентра М и центра тяжести С, т.е. от метацентрической высоты h;
1) если h > 0, то судно возвращается в первоначальное положение;
2) если h = 0, то это случай безразличного равновесия;
если h ˂ 0, то это случай неустойчивого равновесия, при котором продолжается опрокидывание судна.
Тело будет остойчивым, если метацентрическая высота будет положительной, т.е. метацентр расположен выше центра тяжести. Следовательно, чем ниже будет расположен центр тяжести и, чем больше метацентрическая высота, тем больше будет устойчивость корабля.
Уравнение неразрывности для потока жидкости:
υ 1S1= υ 2S2=Q
где υ 1 , υ 2 - скорость потока в точках 1 и 2,
S1, S2 - живое сечение потока,
Q - объемный расход потока.
Живым сечением S потока называют площадь сечения, нормального к общему направлению движения жидкости.
Если же течение жидкости стационарно, то для любого момента времени
υ·S = const
т.е. скорость обратно пропорциональна живому сечению потока:
υ 1/υ 2 = S1/S2
Смоченным периметром называют длину той части границы живого сечения, по которой поток соприкасается с ограничивающими его стенками. Отношение площади живого сечения S к смоченному периметру А называют гидравлическим радиусом сечения R = S/А
Режимы течения жидкости. Движение, при котором поток устойчиво движется в трубке параллельными не смешивающими струйками или слоями, называют ламинарным. С увеличением скорости потока выше определенного значения течение жидкости в трубе скачкообразно меняет свой характер. Движение становится беспорядочным и поток все время перемешивается, такое течение называется турбулентным. Рейнольдс установил, что режим движения жидкости зависит от безразмерного числа, составленного из основных параметров потока. Это число названо числом Рейнольдса и для круглых труб определяется формулой Re = υdρ/µ
где υ - средняя скорость потока, м/сек;
d - диаметр трубы, м;
ρ - плотность жидкости, кг/м3;
µ - динамическая вязкость, кг/м· сек.
При введении в формулу кинематической вязкости, формула примет вид
Re = υd/ν
Выразив диаметр трубы d через гидравлический радиус R (d= 4R), получим
Re = 4υR/ν
По данной формуле можно вычислить число Рейнольдса для потока любого сечения. Существует некоторое значение числа Рейнольдса Re, которое называют критическим. Установлено, что при Re ˂ Reкрит. течение всегда ламинарное, а при Re ˃ Reкрит. – турбулентное.
Уравнение Бернулли. Полный напор для идеальной жидкости есть величина постоянная.
H = z + P/ ρж g + υ2/2g = const
где Н - полный напор
z - геометрический напор
P/ ρж g - пьезометрический напор
υ2/2g - скоростной напор
В определении давления трех рассмотренных напоров из уравнения Бернулли заложен принцип действия приборов, измеряющих расход и скорость жидкости.
Трубка
Пито
является простейшим прибором для
измерения скорости в открытом потоке.
Она представляет собой изогнутую
стеклянную трубку небольшого диаметра,
установленную в потоке открытым концом
навстречу течению. При этом жидкость в
трубке поднимается на высоту h,
равную скоростному напору h
= υ2/2g
,
откуда υ
=
2gh.
Фактически наличие трубки в потоке несколько меняет общее распределение давления, поэтому скорость определяют по формуле υ =ψ 2gh,
где ψ – поправочный коэффициент, который находят экспериментально для каждой трубки Пито.
Трубка Прандтля предназначена для измерения скорости жидкости в закрытых трубопроводах. Она составлена из трубки Пито и обычной пьезометрической трубки. Трубка Пито показывает полный напор
P/ ρж g + υ2/2g, а пьезометрическая трубка - P/ ρж g. Разность этих напоров υ2/2g равна разности Δh уровней в обеих трубках. Таким образом
υ =ψ 2gΔh
Трубчатый водомер Вентури предназначен для измерения расхода жидкости.
Q = S2 2gh/[1- (S2/S1)2 ] = Ϭ h,
где Ϭ = S2 2g/[1- (S2/S1)2] – постоянная величина, которую обычно определяют при градуировке прибора.
Уравнение Бернулли для потока реальной жидкости
z1 + P1/ ρж g + α1· υ21/2g = z2 + P2/ ρж g + α2· υ22/2g
Поправочный коэффициент α определяют опытным путем. Для ламинарного режима течения жидкости в круглой трубе α = 2, а для турбулентного режима α = 1,04-1,13.
В гидравлике различают два вида потерь напора: линейные
потери hτ и потери на местные сопротивления hµ. Полная потеря напора равна h = hτ + hµ
Линейные потери напора. Линейные потери напора представляют собой потери на преодоление внутреннего трения между различными слоями жидкости, движущимися относительно друг друга. Его величина определяется по формуле Дарси-Вейсбаха, которая может быть использована при любых режимах течения:
hτ = λ·L/d· υ2/2g
где λ - коэффициент трения, являющийся функцией числа Рейнольдса.
Местные потери напора. Местными сопротивлениями называют различные препятствия в трубопроводах – вентили, колена, диффузоры и т.п. При протекании жидкости через местные сопротивления возникают области неупорядоченного движения. Потери напора на местные сопротивления обусловлены большими затратами энергии на внутреннее трение в подобных областях. Для самых разнообразных местных сопротивлений зависимость этих потерь от скорости можно считать квадратичной и записать в виде
hµ = ξ· υ2/2g
где υ – средняя скорость потока после местного сопротивления;
ξ – коэффициент местного сопротивления.
При внезапном расширении потока от сечения S1 к S2 коэффициент ξ можно рассчитывать по формуле
ξ = (S2/S1 - 1)2
В диффузоре – коническом расширении трубы от сечения S1 к S2 коэффициент ξ можно рассчитывать по формуле
ξ = k·(S2/S1 - 1)2
где k – экспериментальный коэффициент.
Для закруглений трубопровода с углом поворота φо коэффициент ξ можно определить по формуле Вейсбаха
ξ = [0,131 + 0,163 (d/r)3,5]·φо /90 о
где d - диаметр трубы;
r - радиус округления.
Гидравлический расчет простого водопровод. Водопровод, который не имеет разветвлений от точки забора воды до точки его потребления, называется простым. Полная потеря напора составит:
ΔH = (Pзабора – Pпотр.)/ρ g = z + Σλi·Li/di· υ2i/2g + Σξk· υ2k/2g
для трубопровода, состоящего из n участков труб с коэффициентами трения
λ1, λ2, λ3, …, λn , длинами L1, L2, L3, …,Ln, диаметрами d1,d2,d3, …, d4.
Расход жидкости при заданном перепаде напора равен:
Q = S/√ξсист·√2g(ΔH- z)
Оптимальный диаметр водопровода соответствует скорости течения жидкости, порядка 1 м/сек и определяется по формуле:
d = √4Q/ πυ
где d – внутренний диаметр трубопровода, м;
Q – расход жидкости, м/сек;
υ – скорость жидкости, м/сек.
Гидравлический удар. Гидравлическим ударом называется затухающий колебательный процесс чередования резкого повышения и понижения давления вызванный резким изменением скорости течения. Величина перепада давления ΔP при гидравлическом ударе определяется по формуле Н. Е. Жуковского: ΔP = ρυс
где ρ – плотность жидкости;
υ - скорость жидкости до остановки;
с - скорость распространения ударной волны, которая обычно близка к скорости распространения звука в данной среде.
Истечение жидкости из отверстия. Формула Торричелли определяет скорость истечения жидкости: υ0 = √2gH
Вычисление расхода вытекающей жидкости проводится по формуле:
Q0 = s0·√2gH
где s0 – площадь выходного отверстия;
H – геометрический напор в центре отверстия.
Поршневые насосы. Производительностью или подачей поршневого насоса называют количество жидкости, подаваемое насосом за один двойной ход поршня в единицу времени. Расчет производительности Q поршневого насоса простого действия производится по формуле:
Q = a·SnLi/60 м3/сек
где S - площадь сечения поршня, м2 ;
L - ход поршня, м;
n - число двойных ходов поршня или число оборотов вала в минуту, об/мин;
i - число цилиндров;
a - коэффициент подачи.
Полезная мощность насоса определяется как:
Nполн. = Qρgh
К.п.д. поршневых насосов меняется от η=0,6 у маломощных (менее 5 квт) до η =0,85 у мощных насосов. Отсюда мощность потребляемая насосом, равна
Nпотр. = Qρgh/ η
Центробежные насосы. Полный напор насоса рассчитывается по формуле:
H = z + (P1-P0)/ρg +hсопр.
где z - высота подъема жидкости
P1- P0 - разность давлений в резервуарах
h сопр. - гидравлическое сопротивление в трубопроводах .
Производительность насоса Q, напор H и потребляемая мощность N зависят от скорости вращения колеса n:
Q1/Q2 = n1/n2; H1/H2 = n21/ n22; N1/N2 = n31/n32
ЗАДАЧИ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РЕШЕНИЯ
1.С помощью гидравлического подъемника при отношении площадей поршней равном 20 можно, положив на малый поршень 100- килограммовый груз, поднять на большом поршне 2-х-тонный автомобиль. Достигаем ли мы при этом выигрыша в работе?
2.Каково давление в воде на глубине 10 м? Сравнить его с нормальным атмосферным давлением. То же самое - на глубине 50 м, 100 м и на глубине 11022 м (на дне Марианской впадины).
[≈ 2 атм.; ≈ 6 атм.; ≈11 атм.; ≈ 1070 атм.]
3.Поверхность воды в водонапорной башне находится на 30 м выше кухонного водопроводного крана. Вычислить давление воды в кране.
[Ар = ρgh = 2.9 атм.]
4.Какое минимальное избыточное давление должно быть в водопроводе, подводящем снизу воду к зданию, чтобы вода текла на 12-м этаже, на высоте 40 м?
[4 атм.]
5.На какой высоте H плотность воздуха (давление) уменьшается в 2 раза по сравнению с его значением при h = 0. Молярная масса воздуха - 29.0·10-3 кг/моль. Температуру воздуха принять равной 0°С.
[H= 5.3 км]
6.На какой высоте H плотность воздуха (давление) уменьшается в 2.72 раз по сравнению с его значением при h= 0. Молярная масса воздуха - 29.0·10-3 кг/моль. Температуру воздуха принять равной 0°С.
[H ~ 8 км]
7.Почему в Москве весьма редко бывает давление 760 мм рт. ст., но чаще бывает ниже «нормы»? Высота Москвы над уровнем моря порядка 100 ÷ 250 м.
8.Оценить, во сколько раз более разрежен воздух на вершине Эвереста по сравнению с воздухом на уровне моря. Высота Эвереста ≈ 8850 м.
[Примерно в 3 раза]
9.Оценить, какая доля атмосферы (по массе) располагается выше Эвереста. [Примерно 33%]
10.Какую долю объема айсберга мы видим над поверхностью воды?
11.Известно, что подводная лодка, легшая на мягкий грунт, не может иногда оторваться от него. Почему?
12.Баржа в форме прямоугольного параллелепипеда высотой H плавает на поверхности воды, так что глубина погружения под действием собственного веса составляет h. В центре дна баржи образовалось малое отверстие Ɵ, через которое вода начинает медленно поступать в нее. До какой максимальной высоты h’max, считая от дна, может подняться поступившая в баржу вода, чтобы баржа еще не тонула?
13.Почему деревянный карандаш плавает в воде горизонтально, а не вертикально?
14.Почему грузы на корабле складывают в трюм, а не на палубу. Как это связано с устойчивостью корабля?
15.Вода циркулирует в отопительной системе. Если в подвале дома вода поступает в трубу диаметром 4 см со скоростью 0.5 м/с под давлением 3 атм., то каковы скорость течения и давление в трубе диаметром 2.6 см на втором этаже, расположенном на 5 м выше.
[1.2 м/с; 2.5 атм.]
16.Цилиндрический сосуд с площадью основания S заполнен водой до высоты Н. На дне сосуда открыли маленькое отверстие площадью s « S. Пренебрегая вязкостью, определить, через какое время вода вытечет из сосуда.
[S/s·√2H/g]
17.Баржа в форме прямоугольного параллелепипеда высотой Н плавает на поверхности воды, так что глубина погружения под действием собственного веса составляет h. В центре дна баржи образовалось малое отверстие площадью Ɵ, через которое вода начинает медленно поступать в баржу. Площадь дна баржи равна S. Через какое время баржа затонет?
[S(H-h)/(√2gh·Ɵ)]
18.Подводная лодка находится на глубине h = 100 м. В корпусе лодки образовалось круглое отверстие диаметром d = 2 см. Какая масса воды проникнет за 1 с. в лодку, если давление воздуха в лодке превышает атмосферное давление на 2 кПа?
[~ 14 кг]
19.Радиус аорты равен примерно Rа = 1 см; кровь движется в ней со скоростью около Va = 30 см/с. Каким является течение крови - ламинарным или турбулентным? Вязкость крови ή=4 мПа·с, плотность крови ρ = 1.05·103 кг/м3. Считать, что переход к турбулентному течению происходит при ReKp = 2000.
[Ламинарным; Re ≈ 1600]
20.При большой физической нагрузке скорость кровотока иногда увеличивается вдвое. Определите, турбулентным или ламинарным будет течение крови в аорте.
[Турбулентным; Re ≈ 3200].
21.Определить максимальное количество крови, которое может проходить через аорту в 1 сек, чтобы течение оставалось ламинарным. Диаметр аорты D — 2 см, вязкость крови ή = 4 мПа·с, плотность крови ρ = 1.05·103 кг/м3. Считать, что переход к турбулентному течению происходит при ReKp. = 2000.
[dm/dt = ρ V π D2/4 = (ρ V D /ή) · (ή π D/4) = Rex (ή π D/4) ≈130 г/с.
dV/dt = (1/р)·dm/dt ≈120 см3/с.]
22.Радиус аорты равен примерно Rа = 1 см; кровь движется в ней со скоростью около V = 30 см/с. Вычислить скорость тока в капиллярах, если известно, что суммарная площадь сечения капилляров составляет около SK = 2000 см2 (хотя каждый капилляр имеет диаметр dK= 8·104 см, количество их исчисляется буквально миллиардами).
[≈ 0.47 мм/с]
23.Пользуясь данными предыдущей задачи, ответить на вопрос: где вероятнее всего произойдет переход течения крови в турбулентный режим — в аорте или в капиллярах?
24.Предполагая, что сила сопротивления движению капли дождя со стороны воздуха подчиняется закону Стокса Fсопр = 6 ή π RV, определить, какой наибольшей скорости может достичь дождевая капля диаметром d = 1 мм. Динамическая вязкость воздуха ή = 1.8·10-5 кг/(м·с). Закон Стокса справедлив, если число Рейнольдса Re = ρвозд. d V/ ή < 0.5. Проверить выполнимость этого неравенства.
[V ≈ 30 м/с, Re ≈ 2000, что противоречит условию Re < 0.5] t
25.Для больших чисел Рейнольдса силу сопротивления следует
вычислять по формуле Fсопр = Сх ·0,5·ρвозд. V2 π R2, где коэффициент Сх≈ 0.5 (для чисел Рейнольдса Re < 2000). Решить предыдущую задачу, пользуясь правильной формулой для силы сопротивления.
[V≈ 4.7 м/с, Re = 310]
26.В бочку заливается вода со скоростью v = 200 cм3/c. На дне бочки образовалось отверстие площадью поперечного сечения S = 0,8 см2. Пренебрегая вязкостью воды, определите уровень воды в бочке.
[31,9см]
27.В дне сосуда имеется отверстие диаметром d1. В сосуде вода поддерживается на постоянном уровне, равном h. Считая, что струя не разбрызгивается, и, пренебрегая силами трения в жидкости, определите диаметр струи d2, вытекающей из сосуда на расстоянии h1 = 2h от его дна.
[d2 = 0,76 d1]
28.Площадь поршня, вставленного в горизонтально расположенный налитый водой цилиндр, S1 = 1,5 см2, а площадь отверстия S2 = 0,8 мм2. Пренебрегая трением и вязкостью, определите время t, за которое вытечет вода из цилиндра, если на поршень действовать постоянной силой F = 5H, а ход поршня L = 5 см. Плотность воды ρ = 1000кг/м3.
[t = 1,15 с]
29.Определите на какую высоту h поднимется вода в вертикальной трубке, впаянной в узкую часть горизонтальной трубы диаметром d2 = 3 см, если в широкой части трубы диаметром d1 =9см скорость газа v1 = 25см/с.
[h = 25,5 см]
30.Пренебрегая вязкостью жидкости, определите скорость истечения жидкости из малого отверстия в стенке сосуда, если высота h уровня жидкости над отверстием составляет 1,5 м.
[v = 5,42 м/с].
