ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 28.03.2024
Просмотров: 139
Скачиваний: 0
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Глава 1
ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ГИДРАВЛИКИ
Гидравлика — одно из направлений единой науки механики жидкости, называемой технической гидромеханикой, изучающей вопросы равновесия и движения различных жидкостей с известными допущениями и предположениями. Таким образом, гидравлику можно определить как прикладную науку о законах движения и равновесия жидкостей, о способах применения этих законов к решению конкретных технических задач. Гидравлика делится на две части: гидростатику, изучающую законы равновесия жидкости, находящейся в покое, и гидродинамику, изучающую законы движения жидкостей.
Гидравлика возникла как результат обобщения опыта, накопленного людьми еще в глубокой древности при сооружении водоемов и каналов. Ее развитие связано с такими именами, как Архимед, Леонардо да Винчи, Галилей, Паскаль, Ньютон. Большую роль в изучении законов гидравлики сыграли выдающиеся ученые Д. Бернулли, Л. Эйлер, М. В. Ломоносов, Д. И. Менделеев. Широко известны работы по гидравлике Н. П. Петрова, создавшего гидродинамическую теорию смазки, Н. Е. Жуковского, выполнившего ряд замечательных исследований по гидродинамике, Н. Н. Павловского, разработавшего теорию неравномерного движения и фильтрации жидкости, В. Г. Шухова, проводившего фундаментальные исследования по гидравлическому расчету магистральных нефтепроводов, и др.
Законы гидравлики широко используют во многих областях техники. На их основе создаются и работают насосы, гидроприводы, многие машины, аппараты и приборы, применяемые в химической, нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. Используя законы гидравлики, проектируют и строят различные гидротехнические сооружения.
В нашей стране построены крупнейшие в мире каналы для промышленного и питьевого водоснабжения и ирригации, водопроводные и канализационные системы городов и промышленных предприятий, большие водохранилища и мощные гидростанции. В них воплощены достижения отечественной гидротехники, занимающей одно из ведущих мест в мире.
§1.Свойства жидкостей
Свойства жидкого состояния вещества ближе к свойствам твердого состояния, чем к свойствам газообразного. Однако чем выше становится температура жидкости, тем больше ее свойства приближаются к свойствам плотных газов. Молекулы вещества в жидком состоянии расположены вплотную друг к другу, как и в твердом состоянии. Объем жидкости практически не зависит от давления. Вещество в жидком состоянии сохраняет свой объем, но принимает форму сосуда, в котором находится.
Возможность свободного перемещения молекул относительно друг друга обусловливает свойство текучести жидкости.
Плотностью жидкости называют массу вещества, заключенную в единице ее объема, и определяют по формуле
p= m/V,
где ρ—плотность, кг/м3; кг—масса, кг; V—объем, м3.
С увеличением температуры жидкости ее плотность уменьшается, так как увеличивается объем. Исключением является вода, которая имеет наибольшую плотность при температуре 4°С. Плотность жидкости определяют различными способами. В производственных условиях плотность обычно измеряют специальным прибором—ареометром.
Тепловое расширение жидкостей — увеличение объема жидкости при нагревании (исключение составляет вода) характеризуется коэффициентом объемного расширения, который показывает относительное увеличение объема жидкости при повышении ее температуры на 1°С: β =∆ V/(V0t), где ∆V—изменение объема жидкости в процессе повышения температуры; V0—объем жидкости при 0°С.
Единицей коэффициента объемного расширения служит °С-1.
Вода при нагревании от 0° до 4°С сжимается, а при охлаждении от 4° до 0°С расширяется.
Давлением насыщенного пара жидкости или упругостью паров называют давление, при котором устанавливается динамическое равновесие между процессами испарения и конденсации вещества, и число молекул, переходящих из жидкости в пар, равно числу молекул, совершающих обратный переход. Давление насыщенного пара различных жидкостей в значительной степени зависит от температуры и, как правило, увеличивается с ее повышением.
Вязкость характеризует свойство жидкости оказывать сопротивление относительному сдвигу ее частиц, возникающих под действием сил внутреннего трения. Чем больше вязкость жидкости
, тем больше силы внутреннего трения, возникающего в ней при перемещении одних слоев относительно других. Вязкость оказывает существенное влияние на характер течения жидкости по трубам и условия ее перекачки насосами.
Для количественной оценки вязкости служит динамический коэффициент вязкости р. Единица динамической вязкости— 1 Н·с/м2, или 1 Па·с.
В гидравлике вязкость жидкости чаще характеризуется кинематическим коэффициентом вязкости v, который равен отношению динамического коэффициента вязкости жидкости к ее плотности: v=µ/ρ. Единица кинематической вязкости - м2/с. В физической системе единиц кинематическую вязкость выражают в стоксах (Ст). Сотая часть стокса называется сантистоксом (сСт).
Практическое значение имеет относительная вязкость жидкости, выраженная в градусах Знглера. Градус Энглера (°Е) есть отношение времени истечения определенного объема жидкости ко времени истечения через то же отверстие такого же объема жидкости. По стандарту единицей относительной вязкости называется градус условной вязкости (°βУ), численно равный градусу Энглера. Как правило, при повышении температуры вязкость жидкости уменьшается.
§ 2. Сведения из гидростатики и гидродинамики
Гидростатика. Важнейшей характеристикой жидкости, находящейся в покое, служит гидростатическое давление, которое жидкость оказывает на стенки сосуда и на тела, погруженные в нее.
Гидростатическое давление обладает двумя свойствами: 1) оно всегда направлено перпендикулярно поверхности, на которую действует, так как в покоящейся жидкости отсутствуют силы внутреннего трения; 2) значение гидростатического давления в данной точке покоящейся жидкости одинаково во всех направлениях.
Для определения гидростатического давления в любой точке жидкости служит основное уравнение гидростатики:
Ρ=ρ0+ρh
где ρ—гидростатическое давление в данной точке, Па; ρ0— внешнее давление на свободную поверхность жидкости, Па; h — глубина точки под свободной поверхностью жидкости, м; ρ — плотность жидкости, кг/м3.
Из основного уравнения гидростатики вытекают еще два свойства жидкостей, определяемые законом Паскаля и архимедовой
силой.
Закон Паскаля: внешнее давление ρ0 , приложенное к свободной поверхности жидкости в замкнутом сосуде, передается в любую точку жидкости без изменения.
Архимедова сила: на всякое погруженное в жидкость тело действует выталкивающая сила, направленная вверх и равная вытесненной им жидкости.
Гидродинамика. Изучает поток жидкости, т. е. движение жидкости между ограничивающими поверхностями.
Различают два вида движения жидкости: установившееся и неустановившееся. Установившимся называется такое движение, при
котором скорость жидкости в каждой точке не изменяется во времени. При неустановившемся движении скорость в данной точке потока изменяется с течением времени.
Живым сечением потока называют сечение в пределах потока.
Равномерное установившееся движение жидкости - это такое движение, при котором живые сечения потока одинаковы по всей его длине и скорость потока в соответствующих точках всех живых сечений также одинакова.
При неравномерном установившемся движении средние скорости и живые сечения потока изменяются по его длине. Примером такого движения может служить движение воды в реках или жидкости в трубах с изменяющимся живым сечением.
Различают безнапорные и напорные потоки. Безнапорный (или свободный) поток имеет свободную поверхность, например поток воды в реке или канале. Напорный поток не имеет свободной поверхности и ограничен со всех сторон жесткими стенками, например поток воды в водопроводной трубе.
Расход жидкости — это количество жидкости, протекающее через живое сечение потока в единицу времени. Обычно расход выражается в единицах объема, отнесенных к единице времени (м3/с, м3/ч, л/с), или в единицах массы, отнесенных к единице времени (кг/с). В первом случае расход называют объемным, во втором — массовым.
Скорость движения частиц в потоке неодинакова: ближе к оси потока она больше, ближе к стенкам — меньше, поэтому в расчетах пользуются значением средней скорости потока.
Средней скоростью потока называется та условная скорость, с которой должны были бы двигаться все частицы жидкости, чтобы сохранился ее расход.
Среднюю скорость потока v определяют по формуле v = Q/S, где Q — объемный расход жидкости, м3/с; 5 —площадь живого сечения, м2.
При установившемся движении расходы жидкости во всех сечениях потока одинаковы: Q1=Q2=Q=-const.
Так как Q1 = S1 v 1 , a Q2 = S2v2, то S1 v 1=S2v2 или v1/v2=S2/S1.
При установившемся движении жидкости средние скорости потока обратно пропорциональны площади живых сечений, т. е. чем меньше сечение, тем больше скорость, и наоборот.
Уравнение Бернулли. Одно из основных уравнений гидравлики и технической гидродинамики — уравнение Д. Бернулли, представляющее собой закон сохранения энергии движущейся жидкости. Для струйки идеальной жидкости, т. е. такой жидкости, у которой нет вязкости, а значит, и сил внутреннего трения, при установившемся движении уравнение имеет вид
H=(p/ρ)+z + v2/(2g)=const
где Н — полный гидродинамический напор, м; p/ρ — пьезометрический напор, м; z — геодезическая высота (или геодезический напор), м; v2/(2g)—скоростной, или динамический, напор, м.
Сумма пьезометрического, геодезического и скоростного напоров при установившемся движении элементарной струйки идеальной жидкости остается постоянной во всех сечениях струйки.
При движении реальной жидкости возникают потери части напора на преодоление сил внутреннего трения жидкости, а также трения ее о стенки потока. Поэтому полный напор определяют выражением
H=(p/ρ)+z + v2/(2g)+hтр
Согласно уравнению Д. Бернулли, при установившемся движении жидкости сумма четырех высот (высоты положения z; пьезометрической высоты p/ρ, высоты, соответствующей скоростному напору, v2/(2g), и высоты, соответствующей потерянному напору, hтр) вдоль потока остается постоянной.
Так как статический напор в данном живом сечении Hст= p/ρ + z, то H=HCT+v2/(2g)+hтр, т. е. полный гидродинамический напор состоит из суммы напоров статического и динамического и потери напора на трение.
С помощью уравнения Бернулли выводят расчетные формулы для различных случаев движения жидкости и решают большое количество практических задач, связанных с движением жидкости в трубах и открытых руслах.
§ 3. Практическое использование законов гидростатики и гидродинамики
Измерительные приборы. Работа ряда измерительных приборов, машин и механизмов основана на законах гидростатики и гидродинамики.
Давление измеряют пьезометрами, жидкостными и механическими манометрами, вакуумметрами. Пьезометр — это открытая сверху стеклянная трубка диаметром 5—10 мм, имеющая измерительную шкалу, по которой отсчитывают высоту столба жидкости. Нижний конец пьезометра опускают в жидкость до уровня точки, в которой измеряют давление. Под действием атмосферного давления жидкость поднимается по трубке на определенную высоту.