Задачник по гидродинамике. Методические указания к выполнению контрольных и расчетнографических работ для студентов технических специальностей
 Скачать 1.65 Mb.
|
        МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИГосударственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «МАРИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» ГИДРОДИНАМИКА Методические указания к выполнению контрольных и расчетно-графических работ для студентов технических специальностей очной и заочной форм обучения Йошкар-Ола МарГТУ 2011 УДК 532.5 (07) ББК 22.253.3 Г 46 Рецензент: доктор технических наук, профессор МарГУ И.А. Полянин Печатается по решению редакционно-издательского совета МарГТУ Г 46 Даны решения типовых задач и контрольные задания по разделу «Гидродинамика» курса «Гидравлика». Предназначены для выполнения контрольных и расчетно-графических работ по гидравлике студентами водохозяйственных, строительных, машиностроительных и лесопромышленных специальностей очной и заочной форм обучения. УДК 532.5 (07) ББК 22.253.3 © Марийский государственный технический университет, 2011 Предисловие Курс «Гидравлика» базируется на знаниях по высшей математике, физике, теоретической механике и является основой при проектировании и строительстве гидротехнических сооружений, мелиоративных систем, систем водоснабжения и водоотведения, а также базой для расчета и эксплуатации гидрооборудования, гидропривода и гидроавтоматики, широко применяемых в производственных процессах различных отраслей (при разработке месторождений полезных ископаемых, в энергетике, металлургии, лесной промышленности, строительстве и т.д.). В рассмотренном в методических указаниях разделе «Гидродинамика» изучаются законы движения жидкости и способы применения этих законов к решению технических задач. Данные методические указания включают теоретический материал по теме и задания на расчетно-графические и контрольные работы для студентов технических специальностей очной и заочной форм обучения. При изучении теоретического материала следует обратить внимание на вопросы для самопроверки и самостоятельное решение задач. Настоящие методические указания составлены в соответствии с программой курса «Гидравлика», с учетом применения этой дисциплины в будущей деятельности инженера. Издание предназначено для оказания помощи в выработке умения решать задачи по разделу «Гидродинамика» курса «Гидравлика» у студентов водохозяйственных, строительных, машиностроительных и лесопромышленных специальностей. Введение Самостоятельная работа студентов очной формы обучения по следующим направлениям подготовки включает выполнение расчетно-графической работы по разделу «Гидродинамика» дисциплины «Гидравлика»: 280700 «Техносферная безопасность», 280100 «Природообустройство и водопользование», 250400 «Технология лесозаготовительных и деревоперерабатывающих производств», 270800 «Строительство». Самостоятельная работа студентов заочной формы обучения направлений подготовки 250400 «Технология лесозаготовительных и деревоперерабатывающих производств», 151900 «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств», 151000 «Технологические машины и оборудование», 190600 «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов», 270800 «Строительство», 280100 «Природообустройство и водопользование» предполагает выполнение контрольной работы по тому же разделу. В методических указаниях к выполнению контрольных и расчетно-графических работ приведены примеры решения задач, контрольные задания и указаны главы и параграфы учебников, рекомендуемых в качестве основных пособий. При изучении курса по этим учебникам студенты должны самостоятельно проработать необходимый материал раздела «Гидродинамика» по приведенному в методических указаниях перечню. В прилагаемом списке литературы указаны учебники, которые могут быть использованы при изучении курса. Приступая к решению задач каждой темы, необходимо ознакомиться с приведенными методическими указаниями к данной теме, что в значительной мере поможет уяснить физический смысл и практическое значение темы и задания. Студенты очной формы обучения выполняют расчетно-графическую работу, содержащую 7 задач, а студенты заочной формы обучения выполняют контрольную работу, которая включает 7 задач и 5 теоретических вопросов. Номера вопросов и задач выбираются по последней цифре шифра зачетной книжки студента из табл. П1 приложения, а числовые значения указанных в задаче величин – по предпоследней цифре шифра зачетной книжки студента из табл. П2 приложения. Например, если номер зачетной книжки студента 225613, то следует ответить на вопросы 6, 10, 13, 18, 26 и решить задачи 11, 14, 19, 20, 23, 27, 29 для студентов заочной формы обучения и решить задачи 11, 14, 19, 20, 23, 27, 29 для студентов очной формы обучения. Числовые данные следует выбирать из табл. П2 приложения для первого варианта. При оформлении работы следует полностью привести текстовое условие задачи, начертить схему, составить краткое условие задачи с указанием числовых значений заданных величин и подробное, с краткими пояснениями, решение задачи. При нарушении этих требований работа рассматриваться и рецензироваться не будет. 1. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ К ИЗУЧЕНИЮ ДИНАМИКИ ЖИДКОСТИ Расчетно-графическая и контрольная работы по гидродинамике включают в себя задания по темам: уравнение Бернулли, гидравлические сопротивления при движении жидкости в трубах, гидравлический расчет простых и сложных трубопроводов, истечение через отверстия и насадки. Эти темы отражены в заданиях 1-25. Перед выполнением заданий целесообразно изучить раздел «Гидродинамика» последовательно по темам, приведенным ниже. Сначала следует изучить теоретическую часть темы, затем решить и проанализировать представленные задачи с решениями. Учебный материал раздела можно считать проработанным и усвоенным только при условии, если студент умеет правильно применить теорию для решения практических задач. В списке литературы, помещенном ниже, указаны источники, по которым студент может изучать основные вопросы раздела «Гидродинамика» в рамках курса гидравлики высшей школы, выполнить контрольную или расчетно-графическую работу и подготовиться к экзамену или зачету. Основные темы и вопросы раздела «Гидродинамика» 1. Кинематика и динамика жидкости Виды движения жидкости. Основные понятия кинематики жидкости: линия тока, трубка тока, элементарная струйка, живое сечение, расход. Дифференциальные уравнения движения идеальной жидкости (уравнения Л. Эйлера). Уравнение Д. Бернулли для установившегося движения идеальной жидкости. Геометрическая и энергетическая интерпретация уравнения Бернулли. Уравнение Бернулли для потока вязкой жидкости. Коэффициент Кориолиса. Общие сведения о гидравлических потерях. Виды гидравлических потерь. Трубка Пито. Водометр Вентури. Уравнение равномерного движения жидкости, касательные напряжения. Литература: [1, с.46-47], [2, с.102-130], [3, с.32-44], [4, с.34-66], [5, с.72-100], [8, с.56-100]. 2. Режимы движения жидкости и основы теории гидродинамического подобия Ламинарный и турбулентный режимы движения жидкости. Число Рейнольдса. Основы теории гидродинамического подобия. Литература: [1, с.48-49], [2, с.141-146], [3, с.69-72, 225-235], [4, с.32-44], [5, с.100-143], [8, с.112-116, 584-594]. 3. Ламинарное движение жидкости Основные закономерности при ламинарном режиме движения жидкости в круглой трубе: распределение скоростей по сечению, расход, средняя скорость, потери напора по длине. Начальный участок потока. Ламинарное движение в плоских и кольцевых зазорах. Особые случаи ламинарного течения (переменная вязкость, облитерация). Литература: [1, с.50-51], [2, с.136-141], [3, с.46-49], [4, с.76-79], [5, с.100-143], [8, с.146-56, 183-184]. 4. Турбулентное движение жидкости Особенности турбулентного движения жидкости. Пульсация скоростей и давления. Актуальные, пульсационные и осредненные скорости и давления. Касательные напряжения в турбулентном потоке. Распределение осредненных скоростей по сечению (по Л. Прандтлю). Структура турбулентного потока, ограниченного твердой стенкой. Турбулентное ядро и ламинарная пленка. Потери напора по длине. Формула и коэффициент Дарси. Зависимость коэффициента Дарси от числа Рейнольдса и относительной шероховатости. Опыты по гидравлическим сопротивлениям в трубах с искусственной песчаной и технической шероховатостями (опыты Никурадзе и Мурина). Графики Никурадзе и Мурина-Шевелева. Гидравлически гладкие и шероховатые трубы. Три зоны (области) турбулентного сопротивления. Формулы для коэффициента Дарси. Обобщенная формула А.Д. Альтшуля для коэффициента Дарси. Определение потерь напора в трубах некруглого сечения. Эквивалентный диаметр. Литература: [1, с.50-51], [2, с.136-151], [3, с.44-45, 46-53], [4, с.79-87], [5, с.100-143], [8, с.116-146, 156-180]. 5. Местные гидравлические сопротивления Виды местных сопротивлений. Формула Вейсбаха для местных потерь напора. Коэффициент местных сопротивлений и зависимость его от числа Рейнольдса и других параметров. Внезапное расширение потока (теорема Борда). Диффузоры. Сужение трубы. Колена. Эквивалентная длина. Кавитация в местных сопротивлениях. Литература: [1, с.49-50], [2, с.146-151], [3, с.53-58], [4, с.87-97], [5, с.100-143], [8, с.184-184]. 6. Истечение жидкости через отверстия и насадки Классификация отверстий, сжатия струи, видов истечения. Истечение жидкости через малое круглое отверстие в тонкой стенке при постоянном напоре в атмосферу. Коэффициенты сопротивления, сжатия, скорости, расхода. Истечение через большое отверстие при постоянном уровне и через малое отверстие при переменном напоре. Опорожнение резервуара. Насадки, их классификация. Применение насадков в технике. Истечение жидкости через цилиндрический насадок. Вакуум в насадке, предельный напор. Литература: [1, с.78-80], [2, с.184-193], [3, с.58-64], [4, с.97-109], [8, с.196-231]. 7. Гидравлический расчет трубопроводов Классификация трубопроводов. Основное расчетное уравнение простого короткого трубопровода. Самотечный, сифонный трубопроводы, всасывающая линия лопастного насоса. Напорная и пьезометрическая линии. Простой длинный трубопровод. Сложные трубопроводы. Последовательное и параллельное соединение трубопроводов. Литература: [1, с.111-117], [2, с.151-184], [3, с.65-77], [4, с.109-110, 116-130], [5, с.100-143], [8, с.248-270]. 8. Неустановившееся движение жидкости Уравнение неустановившегося движения несжимаемой жидкости в жёстких трубах с учетом инерционного напора. Гидравлический удар. Формула Н.Е. Жуковского для прямого удара. Диаграмма давления. Сопутствующие явления. Непрямой гидравлический удар. Способы ослабления гидравлического удара. Литература: [2, с.167-175], [3, с.77-82], [4, с.131-136], [8, с.272-295]. 9. Взаимодействие потока со стенками Воздействие струи на твердые преграды. Силы воздействия потока на стенки. Использование теоремы об изменении количества движения (теоремы импульсов). Литература: [2, с.195-200], [8, с.245-247]. 2. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ И ПРОВЕРКИ ЗНАНИЙ ЗАОЧНИКОВ
3. ЗАДАЧИ И ПРИМЕРЫ ИХ РЕШЕНИЯ
Задача 1. Определить, какой расход  протекает по горизонтальному трубопроводу, имеющему сужение (рис.1), при следующих данных: диаметры  ,  , пьезометрические высоты  ,  . Потери напора и неравномерность распределения скоростей в сечениях не учитывать.Решение задачи: Примем  мм;  мм;  м; м.Напишем уравнение Бернулли без учета потерь для сечений 1-1 и 2-2 относительно плоскости сравнения, проходящей через ось трубопровода:  Из уравнения неразрывности  имеем После подстановки значения для  в уравнение Бернулли получим Решив последнее равенство относительно  , будем иметь   |
(корректива скорости) в уравнении Бернулли для потока жидкости.