9254
.pdfМинистерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»
Кафедра гидравлики
М.И. Зонов, А.К. Битюрин, Д.И. Миндрин
Основы гидравлики
Учебно-методическое пособие по подготовке к лекциям и практическим занятиям (включая рекомендации
обучающимся по организации самостоятельной работы), выполнению лабораторных работ по дисциплинам «Механика жидкости и газа» и «Гидравлика и аэродинамика» для обучающихся по направлению подготовки
08.03.01 Строительство, направленность (профиль) Водоснабжение и водоотведение
Нижний Новгород
2022
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»
Кафедра гидравлики
М.И. Зонов, А.К. Битюрин, Д.И. Миндрин
Основы гидравлики
Учебно-методическое пособие по подготовке к лекциям и практическим занятиям (включая рекомендации
обучающимся по организации самостоятельной работы), выполнению лабораторных работ по дисциплинам «Механика жидкости и газа» и «Гидравлика и аэродинамика» для обучающихся по направлению подготовки
08.03.01 Строительство, направленность (профиль) Водоснабжение и водоотведение
Нижний Новгород ННГАСУ
2022
2
УДК 532(075)
Зонов, М. И. Основы гидравлики: учебно-методическое пособие. /
М. И. Зонов, А. К. Битюрин, Д. И. Миндрин; Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет. – Нижний Новгород: ННГАСУ, 2022. – 88 c. : ил. - [Текст]: электронный
Представлены теоретико-прикладные материалы и методические рекомендации по формированию необходимых и достаточных знаний и умений для решения гидравлических задач инженерной практики.
Предназначено обучающимся в ННГАСУ для подготовки к лекциям и практическим занятиям (включая рекомендации обучающимся по организации самостоятельной работы), выполнения лабораторных работ при изучении дисциплин «Механика жидкости и газа» и «Гидравлика и аэродинамика» по направлению подготовки 08.03.01 Строительство,
направленность (профиль) Водоснабжение и водоотведение.
© М.И. Зонов, А.К. Битюрин,
Д.И. Миндрин, 2022
© ННГАСУ, 2022
3
|
Со дер жани е |
|
|
||
П р е д и с ло ви е ........................................................................................................ |
|
|
|
|
5 |
Раздел 1. Конспект лекций по гидравлике ...................................................... |
|
6 |
|||
1.1. В ве д е н и е ................................................................................................ |
|
|
|
|
6 |
1.2. Гидростатика .......................................................................................... |
|
|
|
|
14 |
1.3. Теоретические начала гидродинамики ................................................ |
|
25 |
|||
Раздел 2. Методика решения задач по гидравлике ...................................... |
|
38 |
|||
2.1. В ве д е н и е .............................................................................................. |
|
|
|
|
38 |
2.2. Гидростатические расчеты.................................................................... |
|
|
38 |
||
2.3. Гидравлический расчет напорных трубопроводов............................. |
|
47 |
|||
Раздел 3. Выполнение лабораторных работ по гидравлике....................... |
54 |
||||
3.1. В ве д е н и е .............................................................................................. |
|
|
|
|
54 |
3.2. Гидростатические экспериментальные исследования ....................... |
56 |
||||
3.2.1. Описание лабораторного стенда «Гидростатика – М3» ................. |
56 |
||||
3.2.2. Лабораторная работа |
№1 «Экспериментальное |
определение |
|
||
плотности жидкости»............................................................................................ |
|
|
|
|
59 |
3.2.3. Лабораторная работа №2 «Экспериментальное определение |
|
||||
силы давления жидкости на плоскую прямоугольную площадку» ................. |
62 |
||||
3.3. Гидродинамические экспериментальные исследования.................... |
66 |
||||
3.3.1. Характеристика |
основных |
контрольно-измерительных |
|
||
процедур ............................................................................................................... |
|
|
|
|
66 |
3.3.2. Лабораторная работа №1 «Исследование режимов движения |
|
||||
жидкости» .............................................................................................................. |
|
|
|
|
67 |
3.3.3. Лабораторная |
работа |
№2 |
«Градуировка |
(тарирование) |
|
расходомера Вентури».......................................................................................... |
|
|
|
|
70 |
3.3.4. Лабораторная |
работа |
№3 |
«Определение |
коэффициента |
|
гидравлического трения» ..................................................................................... |
|
|
|
|
74 |
3.3.5. Лабораторная работа №4 «Определение коэффициента местного |
|
||||
сопротивления» ..................................................................................................... |
|
|
|
|
77 |
С п и с о к ли т е р а тур ы ........................................................................................ |
|
|
|
|
80 |
П р и ло ж е н и е ....................................................................................................... |
|
|
|
|
81 |
4
ПРЕДИСЛОВИЕ
Представленное пособие является учебно-методическим комплексом, предназначенным для получения студентами знаний, умений и навыков по дисциплине «Механика жидкости и газа» («Гидравлика»). Ограничение объема и содержания теоретических материалов в конспекте лекций, а также практики решения задач, выполнения лабораторных работ и курсовой работы с элементами предпроектных гидравлических расчетов обусловлено лимитом учебного времени и целевой профессиональной потребностью инженерастроителя анализировать и решать проблемы, связанные с системами инженерного оборудования зданий, сооружений и других объектов.
Все приведенные материалы содержат, в основном, рецептуру обобщенного физического осмысления и алгоритмы достижения количественной оценки, целеобусловленного регулирования гидравлических процессов и явлений в соответствии с конструктивно-технологическими ограничениями, которые предписываются нормативно-техническими документами. В связи с отмеченным, во-первых, в лекционных материалах преимущественно отсутствуют теоретические выводы, но все расчетные формулы и зависимости, записанные в конечном виде, сопровождаются детальными физическими пояснениями и рекомендациями практического применения в различных проблемных ситуациях; во-вторых, условия и алгоритмы решения задач формулируются для упрощенных, но достаточно полных схем фрагментов систем инженерного оборудования; в-третьих, лабораторные работы моделируют, в определенной степени, процесс экспериментального исследования важных гидравлических процессов и явлений; в-четвертых, курсовая работа организуется и выполняется как предпроектная разработка с учетом рекомендаций действующих инструктивно-нормативных документов (СНиП, СП, ГОСТ и т.п.).
При организации изучения дисциплины уделяется большое значение правильному пониманию и применению действующей терминологии при формулировании гидравлических проблем в строительной практике. Во всех частях учебно-методического комплекса используются единые буквенные обозначения величин и параметров в соответствии с наработками источника
[1] и большинства других литературных источников.
5
РАЗДЕЛ 1. КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ ПО ГИДРАВЛИКЕ
1.1.Введение
1.1.1.Предмет и задачи гидравлики
Гидравлика – это наука, изучающая законы движения и равновесия жидкостей, их силового взаимодействия с твердыми телами, а также разрабатывающая способы приложения этих законов к решению задач инженерной практики.
С момента возникновения гидравлика отличается прикладным характером: для нее типичны как упрощенный подход к рассмотрению явлений, так и широкое применение экспериментальных исследований, что позволяет находить приближенные, но достаточно точные решения практически важных задач.
Теоретическими предпосылками (внешними теоретическими условиями) гидравлики являются:
1) Гипотеза сплошной среды.
Жидкость в целом рассматривается как континуум – сплошная среда,
заполняющая пространство без пустот (разрывов). Сплошная среда – это модель, характеристики которой являются непрерывными функциями,
имеющими непрерывные частные производные по всем своим аргументам.
2)Законы Ньютона и законы сохранения.
3)Теория инженерного эксперимента.
С помощью аналитических способов механики жидкости не всегда удается решить даже самые простые инженерные задачи с учетом сил вязкостного трения. Поэтому наряду с методами механики широко используются экспериментальные исследования, которые необходимо правильно планировать, ставить и интерпретировать (оценивать и обобщать результаты опытов, устанавливая нужные количественные зависимости).
6
1.1.2. Основные физические величины, характеризующие жидкость
1) Масса и плотность.
Согласно гипотезе сплошной среды масса распределяется по всему объему выделенного пространства, где находится жидкость или газ. При этом:
|
lim |
|
W 0 |
mW
,
(1.1.1)
где – плотность среды; |
кг/м |
|
|
|
3 |
|
СИ |
|
m |
– масса элемента среды; |
|
W |
– объем элемента среды. |
Для однородной среды плотность объема:
;
представляет собой массу единицы
|
m |
|
W |
||
|
,
(1.1.2)
2) Силы, действующие на жидкость.
Различают две категории сил, действующих в жидкой и газовой среде:
массовые и поверхностные.
Массовые силы действуют на каждый элемент среды и пропорциональны массе и объему элемента. К ним можно отнести силы тяжести и силы инерции.
Поверхностные силы проявляются на граничных поверхностях рассматриваемого объема среды.
Пусть задан некоторый объем среды, ограниченный произвольной поверхностью (рис. 1.1.1). Рассечем его на две части и отбросим часть II.
Тогда внутренние силы действия части II на часть I станут внешними силами.
Эти силы называют поверхностными. Поверхностную силу F ,
действующую на элементарную площадку S , можно разложить на нормальную – P и тангенциальную – T , составляющие.
7
Рисунок 1.1.1 – К методу замены внутренних сил внешними
|
Согласно рассмотренному можно записать: |
|
|
F S , |
(1.1.3) |
где |
– напряжение, т.е. мера внутренних сил, |
возникающих в теле под |
|
действием внешних сил. |
|
|
Показанные на схеме составляющие силы F |
называют: |
|
P – сила давления (сила сжатия); |
|
|
T – сила сопротивления (сила жидкостного трения). |
|
|
3) Гидромеханическое давление. |
|
|
В сплошной среде поверхностные силы распределяются непрерывно. |
Поэтому напряжения также действуют во всех точках выделенного объема среды и можно говорить о его напряженном состоянии.
Таким образом, можно записать:
где
p |
|
|
|
lim |
|
P |
|
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
S 0 |
|
S |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
p – гидромеханическое давление (давление); p |
Н/м |
2 |
= Па |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
СИ |
|
|
|
4) Касательные напряжения.
С учетом рассмотренного выше и по аналогии можно записать:
lim |
|
T |
|
, |
|
|
|||
|
S |
|
||
S 0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
.
(1.1.4)
(1.1.5)
где |
– касательные напряжения; возникают при деформации сдвига, где |
|
наиболее четко проявляются особенности жидкой (газовой) среды. |
|
Рассмотрим деформацию сдвига твердого упругого тела (рис. 1.1.2 а) и |
жидкой среды (рис. 1.1.2 б).
8
«а» |
«б» |
Рисунок 1.1.2 – К определению понятия «жидкость» в механике жидкости
В первом случае («а») касательные напряжения, вызванные действием сдвигающей силы T определяются по формуле:
TS
|
S E |
|
S |
||
|
E
,
(1.1.6)
где |
|
– угловая деформация; |
|
E |
– модуль упругости тела. |
Во втором случае («б») касательные
результате скольжения верхней грани куба деформация сдвига в этом случае:
tg |
du |
, |
|
dn |
|||
|
|||
|
|
напряжения возникают в относительно нижней и
(1.1.7)
где |
du |
– градиент скорости |
( du |
– изменение скорости |
течения при |
|||||
dn |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
удалении на расстояние |
dn |
от поверхности слоя в перпендикулярном к |
|||||||
|
нему направлении). |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
Касательные напряжения, вызванные действием сдвигающей силы T , |
|||||||||
определяются по формуле: |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
du |
|
|
|
||
|
|
|
|
T |
S dn |
|
du , |
(1.1.8) |
||
|
|
|
S |
|||||||
|
|
|
|
S |
|
dn |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
где |
– коэффициент пропорциональности; |
|
Па с . |
|
Формула (1.1.8) выражает гипотезу Ньютона о природе трения в жидкости.
9
Если в твердом теле напряжения сдвига пропорциональны величине деформации, то в жидкости они зависят от скорости деформации; если в покоящейся касательные напряжения отсутствуют ( 0 при du 0 ), в
твердом теле они могут существовать. Внутренние силы, возникающие в жидкости при деформации сдвига, носят характер сил трения, в твердом теле
– сил упругости. Силы трения в жидкости отличаются от трения твердых тел:
в жидкости эффект трения зависит от градиента скорости, а в твердых телах он является функцией нормального давления.
1.1.3. Основные физические свойства жидкостей
1) Текучесть и вязкость.
Текучесть – это свойство, общее для всех жидкостей, означающее способность течь под влиянием самых малых сдвигающих усилий. Этим, в
частности, объясняется движение жидкости в трубе при наличии небольшой разности давлений. С другой стороны, самое незначительное относительное движение слоев (частиц) жидкости порождает эффект сопротивления,
называемый вязкостью.
Коэффициент пропорциональности, входящий в формулу (1.1.8),
называется коэффициентом динамической вязкости ( ).
В гидравлических расчетах широко используется коэффициент кинематической вязкости ( ν ):
ν |
|
|
|
||
|
;
ν СИ
2 |
/с |
м |
,
(1.1.9)
Вязкость измеряется с помощью приборов – вискозиметров, различных типов и конструкций.
Жидкости, для которых справедлив закон внутреннего трения Ньютона, называются ньютоновскими. Существуют жидкости (суспензии,
растворы высокомолекулярных соединений, бетонные гидросмеси и др.), для
которых зависимость |
du |
не соблюдается – такие жидкости |
|
f |
|
||
|
dn |
|
10