Лекции по гидравлике. Лекция введение. Предмет гидравлики и краткая история ее развития рис. Разделы гидромеханики
![]()
|
Лекция 1. ВВЕДЕНИЕ. ПРЕДМЕТ ГИДРАВЛИКИ И КРАТКАЯ ИСТОРИЯ ЕЕ РАЗВИТИЯ ![]() Рис. 1.1. Разделы гидромеханики Гидравлика (техническая механика жидкости) - прикладная часть гидромеханики, которая использует те или иные допущения для решения практических задач. Она обладает сравнительно простыми методиками расчета по сравнению с теоретической механикой жидкости, где применяется сложный математический аппарат. Однако гидравлика дает достаточную для технических приложений характеристику рассматриваемых явлений. 1.2. Жидкость и силы, действующие на неё Жидкостью в гидравлике называют физическое тело способное изменять свою форму при воздействии на нее сколь угодно малых сил. Различают два вида жидкостей: жидкости капельные и жидкости газообразные (рис.1.2). ![]() Рис. 1.2. Виды жидкостей ![]() Рис. 1.3. Сжатие жидкостей и газов
где F - сила, действующая на жидкость, Н (ньютоны); S - площадь, на которую действует эта сила, м² (кв.метры). ![]() Рис. 1.5. Схема к определению давлений За единицу давления в Международной системе единиц (СИ) принят паскаль - давление вызываемое силой 1 Н, равномерно распределенной по нормальной к ней поверхности площадью 1 м²: 1 Па = 1 Н/м² = 10-3 кПа = 10-6 МПа. Размерность давления обозначается как "Па" (паскаль), "кПа" (килопаскаль), "МПа" (мегапаскаль). В технике в настоящее время продолжают применять систему единиц МКГСС, в которой за единицу давления принимается 1 кгс/м². 1 Па = 0,102 кгс/м² или 1 кгс/м² = 9,81 Па. ![]() Рис. 1.6. Силы поверхностного натяжения ![]() Рис. 1.7. Профиль скоростей при течении вязкой жидкости вдоль стенки ![]() Рис. 1.8. Способы оценки вязкости жидкости Лекция 2. ОСНОВЫ ГИДРОСТАТИКИ Гидравлика делится на два раздела: гидростатика и гидродинамика. Гидростатикой называется раздел гидравлики, в котором рассматриваются законы равновесия жидкости и их практическое применение. 2.1. Гидростатическое давление В покоящейся жидкости всегда присутствует сила давления, которая называется гидростатическим давлением. Если эту силу P разделить на площадь дна Sabcd, то мы получим среднее гидростатическое давление, действующее на дно резервуара. ![]() Гидростатическое давление обладает свойствами. Свойство 1. В любой точке жидкости гидростатическое давление перпендикулярно площадке касательной к выделенному объему и действует внутрь рассматриваемого объема жидкости. ![]() Рис. 2.1. Схема, иллюстрирующая свойства гидростатического давления: а - первое свойство; б - второе свойство Свойство 2. Гидростатическое давление неизменно во всех направлениях. Свойство 3. Гидростатическое давление в точке зависит от ее координат в пространстве. 2.2. Основное уравнение гидростатики ![]() Рис. 2.2. Схема для вывода основного уравнения гидростатики 2.3. Давление жидкости на плоскую наклонную стенку ![]() Рис. 2.3. Схема к определению равнодействующей гидростатического давления на плоскую поверхность 2.4. Давление жидкости на цилиндрическую поверхность ![]() Рис. 2.4. Схема к определению равнодействующей гидростатического давления на цилиндрическую поверхность 2.5. Закон Архимеда и его приложение ![]() Рис. 2.5. Поперечный профиль судна Лекция 3. ОСНОВЫ ГИДРОДИНАМИКИ Гидродинамика - раздел гидравлики, в котором изучаются законы движения жидкости и ее взаимодействие с неподвижными и подвижными поверхностями. 3.1. Основные понятия о движении жидкости Живым сечением ω (м²) называют площадь поперечного сечения потока, перпендикулярную к направлению течения. ![]() Рис. 3.1. Живые сечения: а - трубы, б - клапана Смоченный периметр χ ("хи") - часть периметра живого сечения, ограниченное твердыми стенками (рис.3.2, выделен утолщенной линией). ![]() Рис. 3.2. Смоченный периметр Средняя скорость потока υ - скорость движения жидкости, определяющаяся отношением расхода жидкости Q к площади живого сечения ω: ![]() Линия тока (применяется при неустановившемся движении) это кривая, в каждой точке которой вектор скорости в данный момент времени направлены по касательной. Трубка тока - трубчатая поверхность, образуемая линиями тока с бесконечно малым поперечным сечением. Часть потока, заключенная внутри трубки тока называется элементарной струйкой. ![]() Рис. 3.3. Линия тока и струйка ![]() Рис. 3.4. Труба с переменным диаметром при постоянном расходе Уравнение Бернулли для идеальной жидкости ![]() Рис.3.5. Схема к выводу уравнения Бернулли для идеальной жидкости ![]() Уравнение Бернулли для реальной жидкости ![]() Рис.3.6. Схема к выводу уравнения Бернулли для реальной жидкости Уравнение Бернулли для реальной жидкости будет иметь вид: ![]() Измерение скорости потока и расхода жидкости ![]() Рис. 3.7. Трубка Пито и pасходомер Вентури Лекция 4. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ 4.1. Режимы движения жидкости ![]() Рис. 4.1. Схема установки Рейнольдса ![]() где ν - кинематическая вязкость; k - безразмерный коэффициент; d - внутренний диаметр трубы. ![]() 4.2. Кавитация ![]() Рис. 4.2. Схема трубки для демонстрации кавитации 4.3. Потери напора при ламинарном течении жидкости ![]() Рис. 4.3. Схема для рассмотрения ламинарного потока ![]() где λ - коэффициент гидравлического трения, который для ламинарного потока вычисляется по выражению: ![]() Однако при ламинарном режиме для определения коэффициента гидравлического трения λ Т.М. Башта рекомендует при Re < 2300 применять формулу ![]() 4.4. Потери напора при турбулентном течении жидкости Х ![]() арактер линий тока в трубе в данный момент времени отличается большим разнообразием (рис.4.5). Рис. 4.4. Пульсация скорости в турбулентном потоке Р ![]() ис. 4.5. Характер линий тока в турбулентном потоке Р ![]() ис. 4.6. Модель турбулентного режима движения жидкости формула, называемая формулой Вейсбаха-Дарси и имеющая следующий вид: ![]() ![]() Рис. 4.7. График Никурадзе
Таблица 4.1 Таблица для определения коэффициента гидравлического трения ![]() ![]() Рис. 4.8. Номограмма Колбрука-Уайта для определения коэффициента гидравлического трения 4.5. Местные гидравлические сопротивления ![]() Рис. 4.9. Внезапное расширение трубы ![]() где S1, S2 - площадь поперечных сечений 1-1 и 2-2. ![]() ![]() Рис. 4.10. Постепенное расширение трубы ![]() Рис. 4.11. Зависимость ζдиф от угла ![]()
Полная потеря напора определится по формуле ; ![]() ![]() Рис. 4.14. Сопло ![]()
Лекция 5. ИСТЕЧЕНИЕ ЖИДКОСТИ ИЗ ОТВЕРСТИЙ, НАСАДКОВ И ИЗ-ПОД ЗАТВОРОВ 5.1. Истечение через малые отверстия в тонкой стенке при постоянном напоре ![]() Рис. 5.1. Истечение из резервуара через малое отверстие ![]() Рис. 5.2. Истечение через круглое отверстие ![]() ![]()
5.2. Истечение при несовершенном сжатии Несовершенное сжатие наблюдается в том случае, когда на истечение жидкости через отверстие и на формирование струи оказывает влияние близость боковых стенок резервуара (рис.5.5). ![]() Рис. 5.5. Схема несовершенного сжатия струи 5.3. Истечение под уровень ![]() Рис. 5.6. Истечение по уровень 5.4. Истечение через насадки при постоянном напоре ![]() Рис. 5.7. Истечение через насадок Коэффициент расхода μ, зависящий от относительной длины насадка l / d и числа Рейнольдса, определяется по эмпирической формуле: ![]() ![]() Рис. 5.8. Второй режим истечения через насадок ![]() Рис. 5.9. Истечение жидкости через насадки а - расширяющиеся конические; б - сужающиеся конические; в - коноидальные; г - внутренние цилиндрические 5.5. Истечения через отверстия и насадки при переменном напоре (опорожнение сосудов) ![]() Рис. 5.10. Схема опорожнения резервуара
5.6. Истечение из-под затвора в горизонтальном лотке ![]() Рис. 5.13. Истечение из-под затвора через незатопленное отверстие ![]() Рис. 5.14. Истечение из-под затвора при затопленном отверстии 5.7. Давление струи жидкости на ограждающие поверхности ![]() Рис. 5.15. Взаимодействие струи жидкости с неподвижной поверхностью ![]() Рис. 5.16. Составные части свободной струи Лекция 6. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ПРОСТЫХ ТРУБОПРОВОДОВ 6.1. Простой трубопровод постоянного сечения ![]() Рис. 6.1. Схема простого трубопровода ![]() Рис.6.2. Зависимости потребных напоров от расхода жидкости в трубопроводе |