ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 16.10.2024
Просмотров: 138
Скачиваний: 2
Е. 3. Р А Б И Н О В И Ч
ГИДРАВЛИКА
Допущено Управлением кадров и учебных заведений Министерства нефтяной промышленности
в качестве учебника для нефтяных техникумов
ИЗДАТЕЛЬСТВО « Н Е Д Р А*
М О С К В А 1974
УДК 532 (071.2 Г#с.публичная
научно - техни,в ная
библиотек* ССОГ
ЭКЗЕМПЛЯР ЧИТАЛЬНОГО ЗАЛА
Рабинович Е. 3. Гидравлика. М., «Недра», 1974.
296с.
Вкниге изложены основы общего и специального курса гидравлики применительно к основным техно
логическим процессам нефтяной промышленности. В ней приведен материал по гидростатике, гидро динамике, гидравлическим сопротивлениям, истече нию жидкости из отверстий, движению жидкости в напорных трубопроводах, безнапорному движению жидкости в пористой среде. Рассмотрены типовые примеры гидравлических расчетов из различных
областей нефтяной техники.
Книга предназначена в качестве учебника для студентов нефтяных техникумов; может быть исполь зована как учебное пособие студентами техникумов смежных отраслей — газовой, нефтеперерабаты вающей, строительной, а также студентами высших учебных заведений соответствующих специальностей н инженерно-техническими работниками предприятий нефтяной промышленности.
Таблиц 58, иллюстраций 219, список литературы—
23названия.
Ре ц е н з е н т ы :
1.Альтшуль А. Д. — докт. техн. наук, доц. кафедры «Гидравлика» Московского инженерно-стро ительного института им. В. В. Куйбышева.
2.Заломленков И. М. — преподаватель Бугурусланского нефтяного техникума.
Р |
0384-042 |
175-' 74 |
|
043 (01)— 74 |
© Издательство «Недра», 1974 |
ПРЕДИСЛОВИЕ
Настоящая книга является учебником по курсу гидравлики для нефтяных техникумов. Вместе с тем она может служить практиче ским руководством для инженерно-технического персонала, работа ющего на производстве и в проектных организациях, а также может быть использована в качестве учебного пособия студентами высших учебных заведений.
В книге излагаются основы общего курса гидравлики, а также ряд специальных задач нефтяной гидравлики; к ним относятся: дви жение неньютоновских жидкостей по трубам, расчет магистральных нефтепроводов, ламинарный режим в некруглых трубах и открытых каналах. При этом значительное внимание обращается на раскры тие физической стороны гидравлических явлений и на приложение законов гидравлики к решению практических инженерных задач и гидравлических расчетов в различных областях нефтяной техники.
Однако ограниченный объем книги не позволил выполнить чис ловые решения этих задач, и поэтому их решения даны в общем виде.
Автор считал необходимым рассмотреть также ряд чисто гидро механических понятий и задач и привести основные, наиболее суще ственные результаты, полученные теоретической гидромеханикой, без которых в настоящее время, даже в объеме элементарного курса, невозможно изучение многих важных гидравлических явлений.
Поэтому, несмотря на то, что материал курса изложен элемен тарно, в отдельных случаях, где это было необходимо, для полноты освещения вопроса автор использовал методы высшей математики. Подобные места выделены более мелким шрифтом и при желании могут быть опущены без ущерба для изучения остального материала.
Весь материал книги (за исключением отдельных, особо оговари
ваемых случаев), |
в том числе и помещенные в ней справочные таб- |
* |
3 |
лицы, содержащие необходимые для инженерных расчетов данные, приведены в соответствие с Международной системой единиц СИ.
В приложении дана сводная таблица размерностей и единиц изме рения основных физических величин, применяемых в гидравлике, в раз личных системах единиц, а также даны соотношения между этими еди ницами для перевода из одной системы в другую.
Приведенный список основной литературы по гидравлике (учебники, задачники, монографии, справочники) поможет читателям, желаю щим более углубленно и полно изучить материал, выбрать необхо димую для этой цели книгу.
Автор заранее выражает благодарность читателям за все замеча ния и предложения по материалу книги и просит направлять их по адресу. 103633, Москва, К-12, Третьяковский пр., 1/19, Издатель ство «Недра».
Глава первая
ВВЕДЕНИЕ
§ 1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГИДРАВЛИКИ И КРАТКАЯ ИСТОРИЯ ЕЕ РАЗВИТИЯ
Г и д р а в л и к о й называется прикладная наука, занима ющаяся изучением законов покоя и движения жидких тел и рассмат ривающая приложение этих законов к решению конкретных техни ческих задач. Практическое значение гидравлики весьма велико, так как она представляет собой основу для инженерных расчетов во многих областях техники и является базой для ряда специальных дисциплин: гидротехники, гидравлических машин (насосы и тур бины), водоснабжения и канализации, осушения и орошения, вод ного транспорта и т. д.
Особенно большое значение имеет гидравлика для специалистовнефтяников, поскольку все основные производственные процессы нефтяной промышленности в той или иной форме связаны с исполь зованием и перемещением разнообразных жидкостей (нефтей, нефте продуктов, химических реагентов, воды, глинистых растворов) по различным гидравлическим системам.
Еще в глубокой древности, задолго до нашей эры, с первых шагов своего исторического развития, человек был вынужден практически заниматься решением различных гидравлических вопросов. Об этом говорят результаты археологических исследований и наблюдений, которые показывают, что еще за 5000 лет до нашей эры в Китае, а затем и в некоторых других странах древнего мира уже существо вали оросительные каналы и были известны некоторые простейшие устройства для подъема воды. Во многих местах сохранились также остатки водонапорных и гидротехнических сооружений (водоводы, плотины, акведуки), свидетельствующие о весьма высоком уровне строительного искусства в древнем мире. Однако никаких сведений о гидравлических расчетах этих сооружений не имеется, и надо пола гать, что все они были построены на основании чисто практических навыков и правил.
Первые указания о научном подходе к решению гидравлических вопросов относятся к 250 году до нашей эры, когда Архимедом был открыт закон о равновесии тела, погруженного в жидкость. В даль нейшем, однако, на протяжении последующих более чем полутора
5
тысячелетий гидравлика не получила сколько-нибудь заметного развития. В эту эпоху, характеризовавшуюся общим застоем в науке и культуре, были не только утеряны первые элементы знания, но и в значительной степени забыты практические навыки инженер ного искусства. И только в X V I—XVII вв., в эпоху Возрождения, когда появились работы Стевина, Леонардо да Винчи, Галилея, Паскаля, Ньютона, исследовавших, в частности, ряд весьма важных гидравлических явлений, было положено начало дальнейшему раз витию гидравлики как науки.
Помимо гидравлики, изучением покоя и движения жидкостей
занимается также |
и другая наука — т е о р е т и ч е с к а я г и д |
р о м е х а н и к а , |
развившаяся как самостоятельный раздел теоре |
тической механики. |
|
В X V II—XVIII |
вв. трудами ряда крупнейших ученых — мате |
матиков и механиков (Эйлер, Бернулли, Лагранж) были установлены основные законы и получены исходные уравнения гидромеханики. Эти исследования носили главным образом теоретический харак тер и, включая ряд допущений в отношении физических свойств жидкости, давали больше качественную, а не количественную оценку явлений, значительно расходясь иногда с данными опыта, который до недавнего времени не играл в гидромеханике значительной роли. Естественно, что гидромеханика не могла удовлетворить много численным запросам практики, особенно возросшим в X IX в. в связи с бурным ростом техники, требовавшей немедленного, конкретного решения различных чисто инженерных задач. Это и явилось причиной развития особой прикладной науки, созданной в X V III-XIX вв. трудами Шези, Дарси, Буссинеска, Вейсбаха, Н. Е. Жуковского и многих других ученых и инженеров, которую в настоящее время называют г и д р а в л и к о й .
В отличие от гидромеханики гидравлика строит свои выводы на основе рассмотрения упрощенных схем гидравлических явлений, вводя в то же время в теоретические уравнения эмпирические коэф фициенты, получаемые в результате обработки данных опыта, име ющего в гидравлике весьма большое значение. Так, при исследова нии движения потока жидкости в гидравлике обычно ограничиваются определением средних скоростей движения и средних давлений в потоке, в то время как в гидромеханике в большинстве случаев рассматривают изменение этих величин в потоке при переходе от одной точки к другой.
В течение долгого времени развитие гидравлики и гидромеха ники шло обособленными путями. Однако, если вначале методы исследования, применяемые в гидравлике и гидромеханике, значи тельно отличались друг от друга, то с течением времени эта разница постепенно стиралась. Сближение между этими двумя направле ниями в науке, наметившееся в начале X X века и связанное с име нем выдающегося ученого Л. Прандтля, в значительной мере устра нило существенные недостатки, свойственные как гидравлике прош лого, представлявшей собой сугубо эмпирическую науку — науку
6
опытных формул и коэффициентов, так и классической гидромеха
нике, |
имевшей |
преимущественно |
теоретический характер. Совре |
||
менная |
гидравлика — это наука, |
в которой |
опыт обобщается тео |
||
рией, |
а |
теория |
исправляется и |
дополняется |
опытом, получившим |
в настоящее время весьма широкое применение и в гидромеханике. Гидравлика широко использует методы и результаты гидромеха ники, и, очевидно, со временем различие в понятиях «гидроме ханика» и «гидравлика» исчезнет и сохранит разве лишь историче ский интерес.
Большую роль в развитии гидравлики и гидромеханики сыграли наши отечественные ученые. Основоположники гидромеханики Да ниил Бернулли и Леонард Эйлер жили и работали в России и были членами Петербургской Академии наук. Широко известны работы Н. П. Петрова, создавшего гидродинамическую теорию смазки, Н. Е. Жуковского, выполнившего ряд замечательных исследований в различных областях гидромеханики, А. Н. Крылова, разработав шего теорию плавания корабля, Н. Н. Павловского — по теории неравномерного движения и фильтрации жидкости.
В области нефтяной гидравлики фундаментальное значение имеют исследования В. Г. Шухова по гидравлическому расчету магистраль ных нефтепроводов, Л. С. Лейбензона, положившего начало подзем
ной гидромеханике, И. Г. Есьмана, |
И. А. Парного, В. |
И. Черни- |
кина. |
|
|
§ 2. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ |
|
|
Ж и д к и м и т е л а м и , или |
ж и д к о с т я м и |
называют |
физические тела, легко изменяющие свою форму под действием сил самой незначительной величины. В отличие от твердых тел жидкости характеризуются весьма большой подвижностью своих частиц и по этому обладают способностью принимать форму сосуда, в который они налиты.
Различают два вида жидкостей: жидкости к а п е л ь н ы е
ижидкости г а з о о б р а з н ы е . Капельные жидкости предста вляют собой жидкости в обычном, общепринятом понимании этого слова. К их числу относятся различные жидкости, встречающиеся в природе и применяемые в технике: вода, нефть, керосин и т. д. Все капельные жидкости оказывают большое сопротивление измене нию объема и трудно поддаются сжатию. При изменении давления
итемпературы их объем изменяется весьма незначительно. Наоборот, газообразные жидкости (газы) изменяют свой объем под влиянием этих же факторов в значительной степени. В гидравлике обычно изучаются капельные жидкости, в дальнейшем для краткости назы
ваемые просто жидкостями. Газообразные жидкости, их свойства и применение рассматриваются в соответствующих специальных дисциплинах — термодинамике и аэромеханике.
Капельные жидкости практически не оказывают заметного со противления растягивающим усилиям. Силы сцепления, существу ющие между молекулами таких жидкостей, проявляются только на
их поверхности в виде так называемых сил поверхностного натяже ния, где и обнаруживается известная сопротивляемость жидкости разрыву. Этим объясняется, например, существование тонкой пленки мыльного пузыря, образование капли, удерживаемой от падения под действием силы тяжести, и т. п. Силы сопротивления жидкости раз рыву ничтожно малы; так, для разрыва воды достаточна сила, при мерно в десять миллионов раз меньшая, чем сила, необходимая для разрыва стали (железа). Поэтому для обычных задач гидравлики считают, что растягивающие усилия в жидкости отсутствуют *.
Наряду с этим следует особо подчеркнуть, что капельные жидко сти оказывают существенное сопротивление сдвигающим силам, ко торое проявляется при движении жидкости в виде сил внутреннего трения; правильный учет этих сил внутреннего трения при движе нии жидкости является одной из основных задач гидравлики.
В гидравлике жидкость рассматривается как совокупность ма териальных точек (частиц) в ограниченном объеме; различают твер дые поверхности, ограничивающие объем жидкости (например, стенки и дно сосудов, заключающих жидкость), и так называемые свободные поверхности, по которым жидкость граничит с другими жидкостями или газами (например, поверхность соприкасания
жидкости с |
воздухом в открытом сосуде). |
С и л ы , |
действующие на ограниченный объем жидкости, в гид |
равлике, как и в теоретической механике, принято делить на в н у т р е н н и е и в н е ш н и е . Внутренние силы представляют собой силы взаимодействия между отдельными частицами рассматривае мого объема жидкости; внешние силы делятся на с и л ы п о в е р х н о с т н ы е , приложенные к поверхностям, ограничивающим объем жидкости (например, силы, действующие на свободную поверхность, силы реакции стенок и дна сосудов), и с и л ы о б ъ е м н ы е , не прерывно распределенные по всему объему жидкости (например, сила тяжести).
Для облегчения и упрощения ряда теоретических выводов и иссле дований в гидравлике иногда пользуются понятием и д е а л ь н о й , или с о в е р ш е н н о й ж и д к о с т и , которая обладает абсолют ной несжимаемостью, полным отсутствием температурного расшире ния и не оказывает сопротивления растягивающим и сдвигающим усилиям. Конечно, идеальная жидкость — жидкость фиктивная, не
существующая |
в |
действительности. Все р е а л ь н ы е , |
встреча |
ющиеся в природе |
ж и д к о с т и в той или иной степени характери |
||
зуются всеми |
перечисленными выше свойствами. Однако, |
как уже |
|
было отмечено выше, сжимаемость, температурное расширение и со противление растяжению для реальных жидкостей ничтожно малы и обычно не учитываются. Таким образом, основной и по существу единственной особенностью, отличающей идеальную жидкость от1
1 Отметим, однако, что, как показывают новейшие работы по физике жид костей, в некоторых особых случаях (например, в области кавитации; см. § 73) и в жидкости возможно возникновение весьма больших кратковременных растя гивающих усилий.
8