Гидрогазодинамика. методические указания к лабораторным работам для студентов направления подготовки 20.03.01 «Техносферная безопасность». Скоморохов Г.И., Шматов Д.П

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Воронежский государственный технический университет»

Кафедра ракетных двигателей

ГИДРОГАЗОДИНАМИКА

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к лабораторным работам для студентов направления подготовки 20.03.01 «Техносферная безопасность» (профили «Защита в чрезвычайных ситуациях», «Безопасность

жизнедеятельности в техносфере», «Безопасность обращения с отходами») очной и заочной формы обучения

Часть 1

Воронеж 2019

УДК 532.5(07) ББК 22.253я7

Составители: д-р техн. наук Г. И. Скоморохов, канд. техн. наук Д. П. Шматов

Гидрогазодинамика: методические указания к лабораторным работам для студентов направления подготовки 20.03.01 «Техносферная безопасность» (профили «Защита в чрезвычайных ситуациях», «Безопасность жизнедеятельности в техносфере», «Безопасность обращения с отходами») очной и заочной формы обучения / ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»; сост. Г. И. Скоморохов, Д. П. Шматов. Воронеж: Изд-во ВГТУ, 2019. Ч.1. 37 с.

Методические указания содержат краткие теоретические сведения, схемы лабораторных установок и общие требования к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Гидрогазодинамика», раздел гидромеханика. Компьютерная лаборатория по разделу гидромеханики реализована в виде исполняемого программного файла «HYDLAB 1.EXE».

Методические указания предназначены для студентов бакалавриата, обучающихся по направлению 20.03.01 «Техносферная безопасность» (профили«Защита в чрезвычайных ситуациях», «Безопасность жизнедеятельности в техносфере», «Безопасность обращения с отходами») очной и заочной форм обучения.

Методические указания подготовлены в электронном виде и содержатся в файле

GidrogazTB1-2019.pdf.

Ил. 18. Табл. 6. Библиогр.: 5 назв.

УДК 532.5(07) ББК 22.253я7

Рецензент – А. В. Кретинин, д-р техн. наук, проф. кафедры нефтегазового оборудования и транспортировки

Издается по решению учебно-методического совета Воронежского государственного технического университета

2

ВВЕДЕНИЕ

Дисциплина «Гидрогазодинамика» является одной из основополагающих инженерных дисциплин при подготовке специалистов, работающих в области «Техносферная безопасность». Гидрогазодинамика (механика жидкости и газа) представляет собой теоретическую дисциплину, изучающую вопросы, связанные с механическим движением жидкости в различных природных и техногенных условиях. Предметом её исследований являются основные законы равновесия и движения жидкостей и газа и их силовое взаимодействие с твёрдыми телами. В гидромеханике (гидравлике) можно выделить общепринятые составные части: гидростатику, изучающую законы равновесия жидкости; кинематику, описывающую основные элементы движущейся жидкости и гидродинамику, изучающую основные законы движения жидкости и раскрывающую причины её движения.

Гидравлику можно назвать базовой теоретической дисциплиной для обширного круга прикладных наук, с помощью которых исследуются процессы, связанные с транспортом жидкостей и газов по трубопроводам, сопровождающие работу гидравлических машин и гидроприводов оборудования для аварийных служб МЧС.

При изучении курса студентам важно овладеть на практике (в лаборатории) методикой экспериментальных исследований гидравлических процессов, неустановившихся потоков, течения жидкости в напорных трубопроводахи принципом работы гидроприводов.

Компьютерная версия лаборатории по разделу прикладная гидромеханика реализована в виде и сполняемого программного файла «HYDLAB 1.EXE» и предназначена для имитационного выполнения лабораторных работ с целью выработки навыков измерения параметров гидравлических устройств и систем, обработки получаемых результатов, закрепления основных теоретических положений дисциплины. Программа позволяет имитировать измерения параметров физических процессов с помощью применяемых в практике гидравлического эксперимента приборов (пьезометры, манометры, вакуумметры, датчики скорости, мерные емкости и секундомеры для определения объемного расхода жидкости и др.).

Методика выполнения лабораторных работ в оболочке виртуальной лаборатории с применением компьютерной версии лаборатории сводится к следующему:

–обратиться к программам «HYDLAB 1.EXE» и выбрать выполняемую лабораторную

работу;

–войти в меню настройки лабораторной установки, ознакомиться при необходимости

синформацией по лабораторному стенду и произвести выбор постоянных параметров лабораторной установки;

–включить режим выполнения лабораторной работы, произвести измерения необходимых параметров и внести полученные данные в таблицу протокола;

–выйти из программы, обработать результаты измерений, построить необходимые графики и характеристики, сделать вывод по выполненной лабораторной работе;

–оформить лабораторную работу, ответить на контрольные вопросы и представить её к защите преподавателю.

Обработка результатов измерений и вычисления параметров эксперимента выполняются в табличной форме по формулам и уравнениям, приведенным в методических указаниях для соответствующей работы. Лабораторные работы оформляется в соответствии с требованиями СТП ВГТУ 62-2007 [1].

3

Лабораторная работа № 1

Измерение гидростатического давления и экспериментальное подтверждение закона Паскаля

Цель работы:

1.Измерить с помощью пружинных манометров гидростатическое давление в трёх точках (А, В, С), заглублённых на различную величину под уровень жидкости, находящейся

вабсолютном покое под действием силы тяжести;

2.Подтвердить на основании опытных данных закон Паскаля;

3.Построить по данным опыта №2 в масштабе эпюру манометрического давления по

глубине h .

Краткие теоретические сведения

В общем случае поверхностная сила ∆F , действующая в точке А на площадке жид-

кости ∆S , направлена под некоторым углом к ней, и её можно разложить на две силы: ∆Р- нормальную сжимающую силу и ∆T - тангенциальную силу или силу трения (рис. 1.1).

Рисунок 1.1 - Разложение поверхностной силы на две составляющие

Гидростатическим давлением p называют нормальное сжимающее напряжение, возникающее в покоящейся жидкости под действием поверхностных и массовых сил,

На внешней поверхности силы давления всегда направлены по нормали внутрь объёма жидкости и, следовательно, являются сжимающими. Таким образом, в неподвижной жидкости возможен лишь один вид напряжения - напряжение сжатия, т.е. гидростатическое давление.

Единицы давления. Как следует из самого определения давления, его размерность совпадает с размерностью напряжения, т.е. представляет собой размерность силы, отнесенную к размерности площади.

За единицу давления в Международной системе единиц (СИ) принят паскаль (Па) — давление, вызываемое силой 1Н , равномерно распределенной по нормальной к ней поверх-

5

ности площадью 1м2 , т.е. 1Па =1Нм2 . Наряду с этой единицей давления применяют укрупненные единицы: килопаскаль (кПа) и мегапаскаль (МПа):

1Па =1Нм2 ; 1кПа =103 Па ; 1МПа =106 Па .

В технике в настоящее время в некоторых случаях продолжают применять также техническую МКГСС (метр, килограмм-сила, секунда, а) и физическую СГС (сантиметр, грамм, секунда) системы единиц. Используются также внесистемные единицы — техническую атмосферу и бар. Соотношение между ними выражается следующим образом:

1ат =1кгссм2 =10000кгсм2 =10м вод.ст. = 735,6мм рт.ст. = = 0,98066 бар =98066,5Па ≈105 Па.

Давление абсолютное ( pабс ), избыточное ( pизб ) , вакуум ( pвак ) . Числовое

значение давления определяется не только принятой системой единиц, но и выбранным началом отсчета. Исторически сложились три системы отсчета давления: абсолютная, избыточная и вакуумметрическая (рис. 1.2).

Рисунок 1.2 - Шкалы давления. Связь между давлением абсолютным, избыточным и вакуумом

Абсолютное давление pабс отсчитывается от абсолютного нуля (рис. 1.2)

В этой системе атмосферное давление pат = p0 ≈100кПа. Следовательно, абсолютное давление всегда является величиной положительной.

Избыточное давление pизб отсчитывается от атмосферного давления, т.е. от условного нуля

Таким образом, гидростатическое давление, отсчитываемое от нуля, называют абсолютным ( pабс), а отсчитываемое от атмосферного ( pат) – избыточным ( pизб ).

В гидравлических расчётах величину нормального атмосферного давления можно принять равным pат =1ат = 98100Па ≈100кПа ≈ 0,1МПа. Иногда избыточное давле-

6

Избыточное давление показывает либо избыток над атмосферным давлением, либо недостаток до атмосферного.

Давление в любой точке покоящейся жидкости можно вычислить по формуле (1.6)

поверхности жидкости и давления γh, обусловленного весом вышележащих слоёв жид-

кости.

Закона Паскаля. Давление, приложенное к внешней поверхности жидкости, передается всем точкам этой жидкости и по всем направлениям одинаково, т.е. внешнее давление

p0 является одинаковым для всех точек объема жидкости. Это положение известно под названием закона Паскаля.

Из формул 1.3 и 1.4 видно, что в зависимости от соотношения между pабс и pат избыточное давление pизб может быть и положительной, и отрицательной величиной. Положительное избыточное давление называют манометрическим, а отрицательное – вакуумметрическим. Приборы, применяемые для измерения + pизб и - pизб , называют соответственно

манометрами и вакуумметрами.

По принципу действия манометры и вакуумметры делятся на две группы: жидкостные и механические.

Жидкостный манометр (пьезометр) представляет собой стеклянную трубку, верхний конец которой открыт в атмосферу, а нижний присоединён к точке, где измеряется манометрическое давление.

Манометрическое давление, выраженное через показания манометра, равно:

пьезометра до уровня жидкости в нём.

Действие механических приборов основано на деформации под действием давления упругого элемента (пружины или мембраны). Пружинный манометр показывает давление в точке жидкости на уровне оси вращения его стрелки. Если высотное положение оси враще-

где y – превышение оси вращения стрелки манометра над точкой его подключения, М.

Описание экспериментальной установки и методики эксперимента Описание установки. Виртуальная лабораторная установка (рис. 1.3) представляет

собой толстостенный стальной цилиндр 1, частично заполненный водой, уровень которой измеряется водомерной трубкой 2 со шкалой 3.

Для изменения гидростатического давления над свободной поверхностью жидкости (в т. М1) и в точках М2 и М3, заглублённых под уровень соответственно на hМ2 и hМ3 , подключены пружинные манометры 4 - М1, М2, М3.

7

Впространство над свободной поверхностью можно подавать сжатый воздух от компрессора 5. Для сброса избыточного гидростатического давления в цилиндре служит вентиль. В крышке цилиндра имеется предохранительный клапан, отрегулированный на давление 500 кПа.

Вданной лабораторной работе предусмотрено измерение манометрического давления пружинными манометрами.

Рисунок 1.3 – Схема установки для экспериментального определения давления и подтверждения закона Паскаля

Когда на покоящуюся жидкость действует только сила тяжести, распределение гидростатического давления p по глубине h (рис. 1.2) описывается основным уравнением гидро-

p0 – внешнее давление, т.е. гидростатическое давление на свободной поверхности жидкости, Па;

h – глубина погружения в жидкость рассматриваемой точки, М ;

ρgh – весовое давление, т.е. гидростатическое давление, создаваемое весом столба

h жидкости, Па.

Из уравнения (1.9) видно, что при p0 = const и ρg = const давление p с изменением величины h изменяется по линейному закону (см. рис. 1.4).

8

Рисунок 1.4 – Закон распределения давления по глубине

Вычислив по уравнению давление p в двух точках, заглублённых на разную величи-

ну h , можно построить диаграмму распределения гидростатического давления по глубине, называемую эпюрой гидростатического давления (см. рис. 1.4). Диаграмма наглядно подтверждает справедливость закона Паскаля.

Порядок выполнения работы и обработки опытных данных

Необходимо выполнить два опыта, обеспечив в первом случае

p0абс = pат p0изб = 0, а во втором - p0абс > pат p0изб > 0 . Результаты эксперимента записать в табл. 1.1.

Опыт №1.

1)Открыть вентиль и обеспечения и установить избыточное давление на внешнюю поверхность жидкости равным нулю - p0изб = 0;

2)Измерить с помощью водомерной трубки 2 и шкалы 3 глубины погружения hМ2 и

3) Затем измерить показания всех трёх манометров (М1, М2, М3). Полученные данные записать в табл. 1.1 (графы 4 и 6).

Опыт №2.

1) Включить компрессор и для подачи сжатого воздуха в цилиндр 1. Довести p0изб

до величины, указанной преподавателем, после чего компрессор отключить.

2) Измерить одновременно показания манометров М1, М2 , М3 . Результаты измере-

ний записать в графу 5 табл. 1.1.

3) Выполнить все вычисления, предусмотренные табл. 1.1. Построить диаграмму распределения гидростатического давления по глубине. Дать заключение по результатам работы.

Контрольные вопросы

1.Что такое гидростатическое давление и каковы его свойства?

2.Абсолютное и избыточное гидростатическое давление и связь между ними?

3.Что понимают под терминами: «внешнее давление» и «весовое давление»?

4.Основное уравнение гидростатики.

5.Закон Паскаля.

6.Приборы для измерения избыточного гидростатического давления и принцип их

действия.

9

7.Что такое пьезометрическая высота?

8.В чём состояло принципиальное отличие в условиях проведения первого и второго

опытов?

9.Для чего нужно знать превышение оси вращения стрелки пружинного манометра над точкой его подключения?

Таблица 1.1 – Протокол результатов измерений и вычислений

Примечание к табл. 1.1. Индексы «1» и «2» у величин гидростатического давления (см. позицию 3 таблицы) обозначают номер опыта.

10