Министерство образования и науки Российской Федерации
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий
А.Г. Новоселов
Гидравлика
Часть 2 Гидродинамика (основные теоретические положения и кинематика)
Текст лекций
Санкт-Петербург 2011
УДК 532.54
ББК 30.123
Н 76
Н 76
Гидравлика. Ч. 2. Гидродинамика (основные теоре-тические положения и кинематика): Текст лекций. СПб.: СПбГУНиПТ, 2011. 109 с.
Текст лекций предназначен для самостоятельного изучения курса студентами специальностей 260601 «Машины и аппараты пищевых производств», 260602 «Пищевая инженерия малых предприятий» всех форм обучения, а также обучающихся по направлениям бакалавриата 150400 «Технологические машины и оборудование», 190603 «Сервис транспортных и технологических машин и оборудования».
УДК 532.54
ББК 30.123
Рецензенты
Доктор техн. наук, проф. О.Б. Цветков
Канд. техн. наук, доц. C.Ф. Демидов
Рекомендовано к изданию редакционно-издательским советом уни-верситета
© Санкт-Петербургский государственный
университет низкотемпературных
и пищевых технологий, 2011
Введение
Вторая часть текста лекций по дисциплине «Гидравлика» включает в себя рассмотрение основных законов движения ньютоновских жидкостей и их взаимодействия с неподвижными и подвижными твердыми телами. Все изначальные подходы к изучению того или иного явления, возникающего при движении материи в жидком состоянии, непосредственно связаны с материалом, который изложен в первой части текста лекций «Гидростатика».
«Гидродинамика» является основным по значению и объему изучаемого материала разделом данной дисциплины.
Движение жидкости возникает всегда, как только появляется движущая сила. Движущей силой при напорном течении жидкостей является разность давлений, которая может быть создана либо с помощью насосов, либо за счет разности уровней или плотностей жидкости.
Знание законов гидродинамики дает возможность определять разность давлений, необходимую для перемещения заданного количества жидкости с требуемой скоростью, а в дальнейшем – оценивать расход энергии на это перемещение или, наоборот, определять скорость и расход жидкости при заданной движущей силе.
Различают внутреннюю и внешнюю задачи гидродинамики. Внутренняя задача гидродинамики связана с анализом движения жидкости внутри труб и каналов. Внешней задачей гидродинамики является изучение закономерностей обтекания жидкостями различных твердых тел.
В части «Гидродинамика» в объеме, предусмотренном Государственным стандартом данной дисциплины, будут рассмотрены обе задачи гидродинамики, связанные с движением ньютоновских жидкостей по трубопроводам и каналам некоторых технологических аппаратов в изотермических условиях.
При изучении гидродинамики студент должен прежде всего усвоить и понять причины, вызывающие движение жидкости, а также виды движения. Особое внимание нужно обратить на равномерное и неравномерное движение жидкости. Следует всегда помнить, что оба вида движения являются установившимися, т. е. такими, в которых скорость и давление в какой-либо выбранной точке потока не изменяются во времени и, следовательно, объемный расход жидкости также остается постоянным во времени.
Необходимо четко отличать равномерное движение от неравномерного, имея в виду, что при равномерном движении средняя скорость движения жидкости по всей длине потока остается постоянной, так как в данном случае сечение потока на всей его протяженности не меняется. При неравномерном движении средняя скорость изменяется по длине потока, так как изменяется площадь сечения. Это изменение средней скорости обратно пропорционально изменению площади живого сечения.
Важное значение для проведения инженерных расчетов имеет уравнение Бернулли. Следует уяснить, что уравнение Бернулли представляет собой уравнение сохранения энергии жидкости. Оно показывает, из каких величин складывается энергия жидкости и как она меняется в потоке. При движении вязкой жидкости ее энергетический запас всегда уменьшается вниз по течению. Это связано с расходованием ее на преодоление гидравлических сопротивлений. Графически изменение удельной полной энергии и удельной потенциальной энергии потока жидкости по длине трубопровода представляют в виде напорной и пьезометрической линий. Интенсивность изменения удельной полной энергии и удельной потенциальной энергии на рассматриваемом участке трубопровода характеризуется, соответственно, понятиями гидравлического и пьезометрического уклонов. Гидравлический уклон всегда положителен, т. е. больше нуля. Пьезометрический уклон может быть как больше нуля (положительный уклон), так и меньше нуля (отрицательный уклон), что связано с изменением удельной кинетической энергии. Так, уменьшение площади живого сечения приводит к увеличению скорости, что вызывает уменьшение удельной потенциальной энергии. В горизонтальных потоках это приводит к уменьшению давления. При увеличении живого сечения давление, наоборот, увеличивается и пьезометрический уклон становится меньше нуля. Следует четко представлять себе, что преодоление гидравлического сопротивления при равномерном движении осуществляется за счет расходования потенциальной энергии.
Должно быть совершенно ясно, какие виды гидравлического сопротивления встречаются на практике (сопротивление по длине потока и местные сопротивления) и что представляет собой принцип наложения потерь. Нужно помнить, чем вызваны потери напора по длине и местные потери напора. Важным этапом в раскрытии причин изменения энергетического состояния потока жидкости является вывод основного уравнения движения жидкости, который связывает величины касательных напряжений с геометрическими параметрами трубопровода и скоростью движения частиц жидкости. Основное уравнение равномерного движения показывает, что потеря напора по длине потока прямо пропорциональна касательному напряжению, выраженному высотой столба жидкости, а также прямо пропорциональна гидравлическому радиусу, т. е. диаметру трубопровода, если он круглого сечения. Наибольшее касательное напряжение имеет место на поверхности контакта жидкости с неподвижной твердой материей (стенки трубопровода), следовательно, именно там сила сопротивления движению жидкости наибольшая.
Изучая режимы движения жидкости, необходимо усвоить причины, вызывающие появление того или иного режима, а также причины, вызывающие смену режима. Нужно совершенно ясно понять, почему критическая скорость для различных жидкостей имеет разное числовое значение, а критическое число Рейнольдса одинаково для всех жидкостей.
В данной части текста лекций подробно рассмотрен ламинарный режим движения жидкости в каналах различных форм. Приведенные варианты течений в трубопроводах различных форм и зазорах гидравлических устройств имеют важное значение в технике.
Изучая основы теории подобия, нужно понять: в чем заключается принцип геометрического, кинематического и динамического подобия; что такое масштаб подобия; чем отличаются критерии подобия друг от друга и почему равенство критериев Эйлера в различных потоках не может служить указанием на существование подобия этих потоков.
Общий методический подход к изучению гидродинамических процессов включает:
– качественное рассмотрение физической сути наблюдаемого явления, а именно рассмотрение всех категорий сил, определяющих движение частиц жидкости;
– создание расчетной схемы процесса движения жидкости;
– составление дифференциальных уравнений движения;
– интегрирование дифференциальных уравнений применитель-но к конкретным рассматриваемым ситуациям.