9247

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»

Кафедра гидравлики

М.И. Зонов, А.К. Битюрин, Д.И. Миндрин

Основы гидравлики

Учебно-методическое пособие по подготовке к лекциям и практическим занятиям (включая рекомендации

обучающимся по организации самостоятельной работы), выполнению лабораторных работ по дисциплине «Гидрогазодинамика» для обучающихся по направлению подготовки 20.03.01 Техносферная безопасность (профиль)

Безопасность технологических процессов и производств

Нижний Новгород ННГАСУ

2022

2

УДК 532(075)

Зонов, М. И. Основы гидравлики: учебно-методическое пособие. /

М. И. Зонов, А. К. Битюрин, Д. И. Миндрин; Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет. – Нижний Новгород: ННГАСУ, 2022. – 88 c. : ил. - [Текст]: электронный

Представлены теоретико-прикладные материалы и методические рекомендации по формированию необходимых и достаточных знаний и умений для решения гидравлических задач инженерной практики.

Предназначено обучающимся в ННГАСУ для подготовки к лекциям и практическим занятиям (включая рекомендации обучающимся по организации самостоятельной работы), выполнению лабораторных работ при изучении дисциплины «Гидрогазодинамика» по направлению подготовки

20.03.01 Техносферная безопасность (профиль) Безопасность технологических процессов и производств.

© М.И. Зонов, А.К. Битюрин,

Д.И. Миндрин, 2022

© ННГАСУ, 2022

3

4

РАЗДЕЛ 1. КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ ПО ГИДРАВЛИКЕ

1.1.Введение

1.1.1.Предмет и задачи гидравлики

Гидравлика – это наука, изучающая законы движения и равновесия жидкостей, их силового взаимодействия с твердыми телами, а также разрабатывающая способы приложения этих законов к решению задач инженерной практики.

С момента возникновения гидравлика отличается прикладным характером: для нее типичны как упрощенный подход к рассмотрению явлений, так и широкое применение экспериментальных исследований, что позволяет находить приближенные, но достаточно точные решения практически важных задач.

Теоретическими предпосылками (внешними теоретическими условиями) гидравлики являются:

1) Гипотеза сплошной среды.

Жидкость в целом рассматривается как континуум – сплошная среда,

заполняющая пространство без пустот (разрывов). Сплошная среда – это модель, характеристики которой являются непрерывными функциями,

имеющими непрерывные частные производные по всем своим аргументам.

2)Законы Ньютона и законы сохранения.

3)Теория инженерного эксперимента.

С помощью аналитических способов механики жидкости не всегда удается решить даже самые простые инженерные задачи с учетом сил вязкостного трения. Поэтому наряду с методами механики широко используются экспериментальные исследования, которые необходимо правильно планировать, ставить и интерпретировать (оценивать и обобщать результаты опытов, устанавливая нужные количественные зависимости).

6

1.1.2. Основные физические величины, характеризующие жидкость

1) Масса и плотность.

Согласно гипотезе сплошной среды масса распределяется по всему объему выделенного пространства, где находится жидкость или газ. При этом:

2) Силы, действующие на жидкость.

Различают две категории сил, действующих в жидкой и газовой среде:

массовые и поверхностные.

Массовые силы действуют на каждый элемент среды и пропорциональны массе и объему элемента. К ним можно отнести силы тяжести и силы инерции.

Поверхностные силы проявляются на граничных поверхностях рассматриваемого объема среды.

Пусть задан некоторый объем среды, ограниченный произвольной поверхностью (рис. 1.1.1). Рассечем его на две части и отбросим часть II.

Тогда внутренние силы действия части II на часть I станут внешними силами.

Эти силы называют поверхностными. Поверхностную силу F ,

действующую на элементарную площадку S , можно разложить на нормальную – P и тангенциальную – T , составляющие.

7

Рисунок 1.1.1 – К методу замены внутренних сил внешними

Поэтому напряжения также действуют во всех точках выделенного объема среды и можно говорить о его напряженном состоянии.

Таким образом, можно записать:

жидкой среды (рис. 1.1.2 б).

8

Рисунок 1.1.2 – К определению понятия «жидкость» в механике жидкости

В первом случае («а») касательные напряжения, вызванные действием сдвигающей силы T определяются по формуле:

Формула (1.1.8) выражает гипотезу Ньютона о природе трения в жидкости.

9

Если в твердом теле напряжения сдвига пропорциональны величине деформации, то в жидкости они зависят от скорости деформации; если в покоящейся касательные напряжения отсутствуют ( 0 при du 0 ), в

твердом теле они могут существовать. Внутренние силы, возникающие в жидкости при деформации сдвига, носят характер сил трения, в твердом теле

– сил упругости. Силы трения в жидкости отличаются от трения твердых тел:

в жидкости эффект трения зависит от градиента скорости, а в твердых телах он является функцией нормального давления.

1.1.3. Основные физические свойства жидкостей

1) Текучесть и вязкость.

Текучесть – это свойство, общее для всех жидкостей, означающее способность течь под влиянием самых малых сдвигающих усилий. Этим, в

частности, объясняется движение жидкости в трубе при наличии небольшой разности давлений. С другой стороны, самое незначительное относительное движение слоев (частиц) жидкости порождает эффект сопротивления,

называемый вязкостью.

Коэффициент пропорциональности, входящий в формулу (1.1.8),

называется коэффициентом динамической вязкости ( ).

В гидравлических расчетах широко используется коэффициент кинематической вязкости ( ν ):

Вязкость измеряется с помощью приборов – вискозиметров, различных типов и конструкций.

Жидкости, для которых справедлив закон внутреннего трения Ньютона, называются ньютоновскими. Существуют жидкости (суспензии,

растворы высокомолекулярных соединений, бетонные гидросмеси и др.), для

10