Файл: Основные сведения из гидравлики.doc

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 28.03.2024

Просмотров: 95

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.