- •Часть I
- •1. Гидравлика. Основные понятия и
- •1.1. Физические свойства жидкостей
- •1.2. Гидростатика
- •1.3. Гидродинамика
- •1.3.1. Уравнения движения жидкости
- •1.3.2. Потери напора при движении жидкости
- •1.3.3. Режимы движения жидкости
- •1.4. Расчет напорных трубопроводов
- •1.4.1. Последовательное соединения трубопроводов
- •1.4.2. Параллельное соединение трубопроводов
- •1.4.3. Гидротранспорт
- •1.4.4. Гидравлический удар
- •1.5. Расчет безнапорных трубопроводов
- •1.6. Движение грунтовых вод
- •Часть II
- •2. Водоснабжение
- •2.1. Системы водоснабжения
- •2.2. Схемы водоснабжения населенных пунктов и
- •2.3. Краткая характеристика предприятий трубопроводного
- •2.4. Нормы и режимы водопотребления
- •2.5. Расчетные расходы и напоры воды
- •2.6. Источники водоснабжения
- •2.7. Водозаборные сооружения
- •2.7.1. Водозаборные сооружения для подземных источников
- •2.7.2. Водозаборные сооружения для поверхностных
- •2.8. Водоподъемные устройства
- •2.9. Водопроводная сеть
- •2.9.1. Расчет водопроводных сетей
- •2.9.2. Гидравлический расчет водопроводной сети
- •2.10. Трубы и арматура водопроводной сети.
- •2.11. Очистка и обеззараживание воды. Состав очистных
- •Часть III
- •3. Канализация
- •3.1. Системы и схемы канализации. Общие положения
- •3.2. Канализационные сети нефтебаз
- •3.3. Гидравлический расчет канализационной сети
- •3.4. Очистные сооружения нефтебаз
- •3.4.1. Методы и схемы очистки
- •3.4.2. Сооружения для очистки и обезвреживания сточных
- •3.4.2.1. Песколовки
- •3.4.2.2. Буферные резервуары
- •3.4.2.3. Нефтеловушки
- •3.4.2.4. Пруды дополнительного отстаивания
- •3.4.2.5. Фильтры
- •3.4.2.6. Флотационные установки
- •3.4.2.7. Биохимическая очистка
- •3.4.2.8. Установка для озонирования сточных вод
- •3.4.2.9. Пруды-испарители
- •3.4.2.10. Распыляющие установки. Термическое
- •3.4.2.11. Нефтесборные и разделочные резервуары
- •3.4.2.12. Шламонакопители
- •3.4.2.13. Иловые площадки
- •3.4.2.14. Насосные станции
- •3.4.3. Методы учета и контроль сточных вод
- •3.4.4. Выпуск сточных вод в водоемы
- •Термины и определения
- •Основы водопользования
- •443100. Г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244. Главный корпус
- •443100. Г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244. Корпус №8
Часть I
1. Гидравлика. Основные понятия и
определения
1.1. Физические свойства жидкостей
Жидкость характеризуется малым сцеплением между частицами, вследствие чего обладает текучестью и принимает форму сосуда, в который ее поместили.
Различают капельные и газообразные жидкости. Капельные жидкости обладают большим сопротивлением сжатию (практически несжимаемы), малым сопротивлением растягивающим усилиям и малым трением между частицами. Газообразные жидкости характеризуются практически полным отсутствием сопротивления сжатию.
К капельным жидкостям относятся: вода, нефть, нефтепродукты (бензин, керосин и др.), к газообразным - все газы.
Основные физические свойства жидкости: удельный вес, плотность, сжимаемость, температурное расширение, вязкость.
Удельный вес жидкости:
G = m∙g, (1.1)
где G – вес жидкости объемом V.
Плотность жидкости:
(1.2)
где m – масса жидкости в объеме V.
Сжимаемость жидкости, характеризуется коэффициентом объемного сжатия:
, (1.3)
где V1 и V2 – начальный и конечный объемы жидкости;
р1 и р2 – начальное и конечное давления на единицу объема жидкости.
В диапазоне давлений от 0,1 до 50 МПа коэффициент v практически остается неизменным.
Величина, обратная коэффициенту сжимаемости, называется модулем упругости жидкости:
Е0 = . (1.4)
Температурное расширение жидкости характеризуется коэффициентом температурного расширения t:
, (1.5)
где t1 и t2 – начальная и конечная температуры жидкости.
Следует отметить, что объем воды при ее нагревании от 0 до 4С уменьшается и при +4С плотность воды максимальна, при дальнейшем нагревании объем воды увеличивается.
Вязкость жидкости – это ее свойство оказывать сопротивление относительному сдвигу частиц, обусловленное силами внутреннего трения между слоями жидкости.
Сила внутреннего трения между частицами жидкости определяется как:
, (1.6)
где S – площадь поверхности соприкасающихся слоев;
- градиент скорости перемещения слоев;
h – расстояние между слоями;
- коэффициент внутреннего трения.
Коэффициент внутреннего трения определяет динамическую вязкость и находится как:
,(1.7)
где - касательные напряжения на поверхности слоев.
В системе СИ единицу динамической вязкости определяют как:
.
В практических задачах используют понятие кинематической вязкости :
= .(1.8)
В системе СИ имеет размерность:
1.2. Гидростатика
Гидростатика изучает законы равновесия покоящейся жидкости. На покоящуюся жидкость действуют два вида сил: массовые (сила тяжести, сила инерции) и поверхностные (силы давления, центробежные силы).
Под действием внешних сил в каждой точке жидкости возникают внутренние силы, характеризующие ее напряженное состояние. Предел отношения равнодействующей внешних сил к элементарной площадке называют гидростатическим давлением:
.(1.9)
Гидростатическое давление обладает двумя свойствами: первое – оно всегда направлено по нормали к площадке, второе – в любой точке жидкости оно всегда одинаково по всем направлениям.
Если покоящаяся жидкость находится под действием только силы тяжести, то дифференциальное уравнение равновесия запишется как:
g∙dz = 0.
Интегрируя получим z = const, т.е. свободная поверхность есть горизонтальная плоскость, рис 1.1 а.
Рис. 1.1 - Формы свободной поверхности под действием силовых факторов: а – воздействие силы тяжести; б - воздействие силы тяжести и сил инерции; в - воздействие силы тяжести и угловой скорости. |
Если жидкость заключена в сосуде, движущемся прямолинейно с постоянным ускорением j, то она находится в относительном покое (т.е. не перемещается относительно сосуда) и дифференциальное уравнение равновесия имеет вид:
- jdx + gdz = 0, (1.10)
откуда после интегрирования получим уравнение наклонной плоскости:
(1.11)
т.е. поверхность жидкости, находящейся под действием силы тяжести и силы инерции наклонена к горизонту под углом α (рис.1.1б):
(1.12)
Если жидкость заключена в сосуде, который вращается вокруг вертикальной оси с постоянной угловой скоростью ω, то она находится в относительном покое и уравнение равновесия опишется как:
(1.13)
Интегрируя, получим:
или(1.14)
т.е. свободная поверхность жидкости приобретает вид параболоида вращения, рис. 1.1 в.
Рассмотрим жидкость, находящуюся в покое и определим гидростатическое давление Р в точке А на элементарной площадке S, расположенной на глубине h от свободной поверхности и параллельной ей, рис. 1.2.
Рис. 1.2 – Схема к выводу основного уравнения гидростатики |
Сумма проекций всех сил на ось Z:
р∙dS - ∙h dS – р0 dS = 0 или р = р0 + ∙h, (1.15)
т.е. давление, приложенное к свободной поверхности жидкости, передается во все точки жидкости без изменения, это положение называется законом Паскаля.
Рассмотрим жидкость, находящуюся в сосуде под давлением Р0 и сообщающуюся с атмосферой, рис. 1.3. Абсолютное давление или полное гидростатическое давление в точке А состоит из:
рабс = ратм + hр, (1.16)
а с другой стороны:
рабс = р0 + h, (1.17)
откуда:
(1.18)
Величина hP называется пьезометрической высотой.
Высоту поднятия жидкости в трубке (пьезометре) относительно плоскости отсчета называют пьезометрическим напором.
Для закрытого сосуда;
(1.19)
Рис. 1.3 – Схема установки пьезометра |
Определим силы давления покоящейся жидкости на стенку сосуда. Рассмотрим случай давления на плоскую стенку, рис. 1.4.
Рис. 1.4 – Схема к определению сил давления покоящейся жидкости на плоскую стенку сосуда |
Если плоская стенка подвергается одностороннему давлению жидкости (на несмоченной стороне стенки – атмосферное давление), то полная сила давления Р воспринимая стенкой и нормальная к ней:
Р = рс∙F = ∙hc∙F, (1.20)
где F – смоченная площадь стенки;
рс – избыточное давление в центре тяжести площади F;
hc – расстояние по вертикали от центра тяжести площади F до пьезометрической плоскости или плоскости напора 0-0.
Положение центра давления (точка D) определяется формулой:
(1.21)
где yD и yС – расстояния центра давления D и центра тяжести С стенки до линии пересечения плоскости стенки с пьезометрической плоскостью;
IC – момент инерции площади стенки относительно оси С-С, проходящей через центр тяжести С.
|
Рис. 1.5 – Схема к определению сил давления покоящейся жидкости на криволинейную стенку сосуда |
Формулу (1.21) можно привести к виду:
(1.22)
Для вертикальной стенки:
(1.23)
Для криволинейной стенки полная сила Р находится в плоскости, нормальной к образующей, рис.1.5
(1.24)
Горизонтальная составляющая:
Рх = Fx∙pcx, (1.25)
где Fx – площадь проекции криволинейной стенки на вертикальную плоскость,
pcx = ∙hcx – избыточное давление жидкости на уровне центра тяжести этой жидкости.
Вертикальная составляющая:
Pz = V∙, (1.26)
где V – объем, ограниченный стенкой, вертикальным проектирующим цилиндром и пьезометрической плоскостью.
Положение линий действия горизонтальной составляющей (координаты hDX) определяется как для вертикальной стенки.
Результирующая сила давления жидкости на поверхность, погруженного в нее тела равна весу жидкости в объеме погруженной части тела и направлена вверх по вертикали – закон Архимеда:
P= VТ∙, (1.27)
где VТ – объем жидкости, вытесненной телом.
Линия действия выталкивающей силы проходит через центр тяжести вытесненного объема жидкости и называется центром водоизмещения, рис. 1.6. В общем случае центр водоизмещения (точка D) не совпадает с центром тяжести тела (точка С).
Рис. 1.6 – Схема действия сил на тело, погруженное в жидкость |
Устойчивость тела при подводном плавании достигается при расположении его центра тяжести ниже центра водоизмещения D.
Надводное плавание устойчиво, если метацентр М находится выше центра тяжести С. Метацентр – точка пересечения линии действия подъемной силы Р, действующей на выведенное из равновесия плавающее тело с осью симметрии тела 0-0.
Остойчивость – это способность плавающего тела сохранять устойчивое равновесие при кренах. Мерой остойчивости служит метацентрическая высота МС. Чем больше высота МС, тем выше остойчивость, рис. 1.7.
Рис. 1.7 – Схема к определению остойчивости плавающего тела |