М.В.Лурье, И.М.Астрахан, В.В.Кадет

ГИДРАВЛИКА

И ЕЁ ПРИЛОЖЕНИЯ В

НЕФТЕГАЗОВОМ ПРОИЗВОДСТВЕ

Москва- 2010

УДК 532.5 (075.8)

ББК 26.325.31

Рецензенты:

Доктор физ.-мат. наук, ведущий научный сотрудник НИИ Механики МГУ им. М.В. Ломоносова А.Е. Якубенко

Кандидат техн. наук, доцент кафедры «Гидравлика и гидромашины» Уфимского государственного нефтяного технического университета Л.Р. Байкова

Содержание пособия охватывает традиционный круг фундаментальных вопросов гидромеханики, однако, основной упор делается на ее приложения к проблемам нефтегазовой отрасли.

В пособие включен ряд глав и многочисленных примеров, связанных с нефтегазовым производством. Это пособие ориентировано на углубленную базовую подготовку студентов, обучающихся по направлениям подготовки бакалавриата 130500 «Нефтегазовое дело» и 130400 «Горное дело», а также студентов, обучающихся по специальности «Физические процессы нефтегазового производства» (направление 130400 «Горное дело») и ряда других специальностей нефтегазового профиля.

Предисловие

Современный этап развития техники, в том числе в нефтегазовой отрасли, диктует необходимость углубления базовой подготовки специалистов с высшим образованием. Одной из основных дисциплин в такой подготовке является гидравлика – инженерное приложение такой фундаментальной науки как механика жидкости и газа. Абсолютно во всех областях нефтегазового дела необходимо глубокое знание гидравлики. Геология и геофизика, бурение нефтяных и газовых скважин, добыча нефти и газа, их транспортировка по трубопроводам, машины и оборудование, нефтепереработка и нефтехимия не могут обойтись без ее широкого использования.

Однако гидравлика, которая, как и всякая наука, обладает своей собственной содержательной базой и методологией, сильно дифференцирована в зависимости от области технического приложения. Например, гидравлика гидротехнических сооружений и гидравлика трубопроводного транспорта нефти делают упор на различные гидравлические проблемы, которые имеют существенное значение для соответствующей области производства. Поэтому преподавание гидравлики в профессионально ориентированных вузах должно строиться по-разному.

Настоящий учебник охватывает традиционный круг фундаментальных вопросов гидравлики, определяемых существующим стандартом высшего нефтегазового образования, однако основной упор делается на ее приложения к проблемам нефтегазовой отрасли. Это проявляется в том, что в него включен целый ряд специальных глав (это главы 9 – 13), имеющих особое значение для нефтегазового производства. В качестве примеров, как правило, также предлагаются задачи, встречающиеся, прежде всего, в нефтегазовой практике.

Важнейшей особенностью учебника является современный методологический подход к изложению материала, основанный на базе механики сплошной среды и классической гидромеханики. В его основу положен курс лекций, многие годы читаемый преподавателями кафедры нефтегазовой и подземной гидромеханики Российского государственного университета нефти и газа имени И.М. Губкина студентам всех специальностей нефтегазового профиля.

Хорошим дополнением к настоящему учебнику послужит вышедший в 2007 году в издательстве Грифон «Сборник задач по гидравлике и газодинамике для нефтегазовых ВУЗов», также подготовленный на этой кафедре. «Тандем» этих двух учебных пособий позволит полностью обеспечить проведение как лекционных, так и практических (семинарских) занятий по дисциплине «Гидравлика» для нефтегазовых ВУЗов и факультетов.

Авторы выражают искреннюю признательность доценту Разбегиной Е.Г. за полезные обсуждения и помощь в оформлении рукописи.

Надеемся, что данное пособие позволит глубже понять и усвоить основные положения и законы гидравлики будущим специалистам-нефтяникам, а также будем благодарны за замечания и предложения по его улучшению.

Авторы

Содержание

1. Основы механики сплошной среды…..8

1.1. Строение реальных сред и допущение о сплошности

1.2. Основные определения сплошной среды

1.3. Метод Лагранжа и метод Эйлера

1.4. Установившееся движение сплошной среды

1.5. Закон сохранения массы. Уравнение неразрывности

1.6. Силы, действующие на частицы сплошной среды

1.7. Напряжения в сплошной среде

1.8. Уравнения движения сплошной среды в напряжениях

1.9. Жидкость как частный случай сплошной среды

2. ЖИДКОСТИ. ГИДРОСТАТИКА……………… …..44

2.1. Физические свойства жидкостей

2.2. Уравнения равновесия жидкости (уравнения Эйлера)

2.3. Распределение давления в покоящейся жидкости

2.4. Силы, действующие со стороны жидкости на элементы поверхности тел, погруженных в жидкость

2.5. Сила давления жидкости на плоскую стенку

2.6. Сила давления жидкости на криволинейную стенку

2.7. Относительный покой жидкости

3. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ КИНЕМАТИКИ И ДИНАМИКИ

ЖИДКОСТИ…………………………………… ……. 95

3.1. Линии тока и траектории частиц жидкости

3.2. Объемный, массовый и весовой расходы

3.3. Ламинарный и турбулентный режимы течения

вязкой несжимаемой жидкости

4. УРАВНЕНИЯ ДИНАМИКИ ЖИДКОСТИ

В ИНТЕГРАЛЬНОЙ ФОРМЕ.……………………..113

4.1. Применение основных теорем механики системы материальных точек к подвижному объему жидкости.

4.2. Закон сохранения массы

4.3. Закон изменения количества движения

4.4. Закон об изменении кинетической энергии

4.5. Закон об изменении полной энергии

4.6. Закон об изменении момента количества движения

5. УРАВНЕНИЯ ГИДРОМЕХАНИКИ В

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ФОРМЕ………………167

5.1. Интегральная теорема Гаусса-Остроградского

5.2. Дифференциальное уравнение неразрывности

5.3. Дифференциальные уравнения движения сплошной среды

5.4. Течение идеальной жидкости. Уравнения Эйлера

5.5. Течение вязкой ньютоновской жидкости. Уравнения Навье-Стокса

6. ТЕОРИЯ РАЗМЕРНОСТИ. ПОДОБИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ЯВЛЕНИЙ………………….181

6.1. Размерные и безразмерные величины

6.2. Формула размерности.

6.3. Основной вопрос теории размерности

6.4. Размерно-зависимые и размерно-независимые

величины

6.5. Доказательство основной теоремы теории

размерности ( теорема Букингема)

6.6. Пример: движение вязкой жидкости в

цилиндрических трубах

6.7. Подобие и моделирование физических явлений

7. ЛАМИНАРНОЕ ДВИЖЕНИЕ НЕСЖИМАЕМОЙ ЖИДКОСТИ В КРУГЛЫХ ТРУБАХ…………..204

7.1. Распределение касательного напряжения в сечении трубы

7.2. Распределение скорости жидкости в сечении трубы

7.3. Вычисление расхода жидкости

7.4. Ламинарное течение ньютоновской вязкой

несжимаемой жидкости в круглой трубе

8. ТУРБУЛЕНТНОЕ ТЕЧЕНИЕ ЖИДКОСТИ…..223

8.1. Коэффициент гидравлического сопротивления

в турбулентном течении жидкости в круглой трубе

8.2. Уравнения Рейнольдса

8.3. Полуэмпирическая теория Л.Прандтля

8.4. Метод управления гидравлическим сопротивлением путем введения в поток антитурбулентной присадки

9. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

ТРУБОПРОВОДОВ……………………………..270

9.1. Общие представления; электрическая аналогия

9.2. Принцип работы гидравлической системы

9.1. Местные гидравлические сопротивления

9.2. Расчет простого трубопровода

9.3. Расчет сифона

9.4. Расчет работы насосной установки.

9.5. Расчет сложных трубопроводов

9.6. Трубопровод с непрерывным расходом жидкости в пути

10. ИСТЕЧЕНИЕ ЖИДКОСТИ ЧЕРЕЗ

ОТВЕРСТИЯ И НАСАДКИ…………………331

10.1. Истечение жидкости через малые отверстия

10.2. Истечение жидкости через большие отверстия

10.3. Истечение жидкости через насадки

10.4. Определение времени опорожнения резервуаров

10.5. Расчет объемных потерь нефти при разгерметизации трубопровода

11. ТЕЧЕНИЕ НЕНЬЮТОНОВСКИХ

ЖИДКОСТЕЙ В ТРУБАХ………………….…365

11.1. Классификация неньютоновских жидкостей

11.2. Ламинарное течение вязкопластичной жидкости

в круглой трубе

11.3. Ламинарное течение степенной жидкости

в круглой трубе

11.4. Турбулентное течение неньютоновских

жидкостей в трубах

12. НЕУСТАНОВИВШЕЕСЯ ТЕЧЕНИЕ СЛАБО

СЖИМАЕМОЙ ЖИДКОСТИ В

ТРУБОПРОВОДЕ…………………………….390

12.1. Прямой гидравлический удар

12.2. Общий случай учета инерционных свойств

потока капельной жидкости в трубопроводе

12.3. Расчет неустановившихся течений жидкости

в трубопроводе

12.4. Метод характеристик для расчета

неустановившихся течений слабо сжимаемой

жидкости в трубопроводе

13. УСТАНОВИВШЕЕСЯ ТЕЧЕНИЕ ГАЗА

В ТРУБОПРОВОДЕ…………………………..….430

13.1. Физические свойства природного газа

13.2. Уравнения установившегося течения газа

в трубопроводе

13.3. Распределение давления на участке

трубопровода

13.4. Распределение температуры газа на участке

трубопровода

13.5. Термобарический расчет газопровода

в общем случае

Литература………………………………...454