9449

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

«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»

М.И. Зонов, А.С. Золявин

Теоретические предпосылки и методика проведения гидростатических экспериментальных исследований при

выполнении лабораторных работ

Учебно-методическое пособие по выполнению лабораторных работ

по дисциплине «Механика жидкости и газа» для студентов, обучающихся по направлению подготовки 08.03.01 Строительство

и по специальности 08.05.01 Строительство уникальных зданий и сооружений

Нижний Новгород 2018

УДК 532(075)

Зонов, М. И. Теоретические предпосылки и методика проведения гидростатических экспериментальных исследований при выполнении лабораторных работ [Электронный ресурс]: учеб.- метод. пос. / М. И. Зонов, А. С. Золявин; Нижегор. гос. архитектур.-строит. ун-т. – Н. Новгород: ННГАСУ, 2018. – 27 c; 1 электрон. опт. диск (CD-RW)

Представлены теоретические основы выполнения лабораторных работ по гидростатике, а также методика постановки проведения и обработки результатов гидравлических экспериментальных исследований.

Предназначено для обучающихся в ННГАСУ по направлению подготовки 08.03.01 Строительство и специальности 08.05.01 Строительство уникальных зданий и сооружений.

© М.И. Зонов, А.С. Золявин, 2018 © ННГАСУ, 2018

Приложение 2. Моменты инерции IC (относительно горизонтальной оси, проходящей через центр тяжести С), координаты центра тяжести

4

ВВЕДЕНИЕ

Одной из методологических основ «метода гидравлики» является теория инженерного эксперимента, предназначенная для организации исследования сложных процессов, физические закономерности которых не могут быть выведены из существующих научных предпосылок.

Лабораторные работы, выполняемые в рамках изучаемой дисциплины, позволяют реализовать с достаточной полнотой экспериментальные исследования некоторых важных гидравлических процессов и факторов. При этом удается в некоторой степени повторить все основные шаги алгоритма организации эксперимента: этапы предварительного теоретического осмысления проблемной ситуации, формирования экспериментальной установки, постановки эксперимента, его проведения и обработки полученных данных.

5

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ БАЗИС ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

1.1.Гидростатическое давление

1)Напряжение сжатия жидкости при действии внешних сил давления. 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 (рисунок 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.

Показанные на схеме составляющие силы F называют:P – сила давления (сила сжатия);

поэтому напряжения также действуют во всех точках выделенного объема жидкости и можно говорить о её напряженном состоянии.

Таким образом, можно записать:

Выделена точка объема жидкости и произведена её пространственная привязка к координатной системе (см. рисунок 2).

Рисунок 2 – К основному уравнению гидростатики Используя уравнения Эйлера, можно получить следующее

математическое описание состояния равновесия жидкости:

абсолютное (полное) давление, выражающее напряжение сжатия в жидкости от действия всех внешних (массовых и поверхностных) сил;

p0 – давление на свободной поверхности объема жидкости;

z, z0 – отметки точек объема жидкости, измеренные от плоскости сравнения (в данном случае – от горизонтальной координатной плоскости XOY, совмещенной с дном сосуда);

h – глубина погружения точки объема жидкости (измеренная от свободной поверхности объема жидкости).

В некоторых случаях состояние объема покоящейся жидкости удобнее оценивать через обобщенную энергетическую характеристику – так называемый «гидростатический напор», т.е. полный запас удельной (отнесенной к единице веса жидкости) потенциальной энергии:

где H – гидростатический напор; H СИ Дж/Н = м. 3) Избыточное и вакуумметрическое давление.

Для расчета, проектирования и технологического контроля различных технических систем (трубопроводов, аппаратов и т.д.), испытывающих давление атмосферного воздуха, удобно использовать технические характеристики давления:

• избыточное (манометрическое) давление

где pабс – абсолютное давление (см формулу 4);

8

pат – атмосферное давление (в технических расчетах в основном используется значение технической атмосферы: 1 ат = 1 кгс/см 2 = = 9,8·104 Па 100 кПа = 0,1 МПа).

Для измерения давления используются механические и жидкостные приборы разных конструкций.

Рисунок 3 – К пояснению понятия «пьезометрическая высота»

О-О – плоскость сравнения (произвольная горизонтальная плоскость, обеспечивающая единство измерений в пространственно распределенных системах);

P-P – пьезометрическая плоскость;

П – пьезометры (простейшие жидкостные манометры).

Из рассмотрения равновесия частицы жидкости в точке m следует:

где hизб – пьезометрическая высота (высота столба жидкости, измеренная от выбранной точки до пьезометрической плоскости); если pизб 1 ат , то hизб 10 м вод.ст.

9

Согласно рисунку 3 пьезометрический напор Hp z hизб const (по объему жидкости).

hвакmax 10,33 м вод.ст.

10

4) Эпюры избыточного гидростатического давления Эпюра избыточного гидростатического давления – это график

зависимости pизб i f hизб i .

Рисунок 5 – Методика построения эпюр избыточного гидростатического давления

1.2. Сила гидростатического давления, действующая на плоские стенки

Для формирования универсального аналитического метода решения рассмотрим равновесие жидкости в закрытом неподвижном резервуаре с плоской наклонной стенкой (угол наклона – ); выберем фрагмент стенки – площадку площадью с центром тяжести в точке C. При дооформлении расчетной схемы координатная плоскость XOZ совмещается с плоскостью стенки резервуара (начало координат располагается на плоскости P-P, ось OZ направлена вниз), а также строится эпюра давления и намечаются все измерения (координаты точек и гидравлические высоты).