10209
.pdfМинистерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»
Кафедры гидравлики
М.И. Зонов, А.К. Битюрин, Д.И. Миндрин
Основы гидравлики
Учебно-методическое пособие по подготовке к лекционным и практическим занятиям, выполнению
лабораторных работ по дисциплинам «Механика жидкости и газа» и «Гидрогазодинамика»
для обучающихся по направлениям подготовки 08.03.01 Строительство, 08.05.01 Строительство уникальных зданий и сооружений, 13.03.01
Теплоэнергетика и теплотехника, 20.03.01 Техносферная безопасность, 20.05.01 Пожарная безопасность
Нижний Новгород
2022
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»
Кафедры гидравлики
М.И. Зонов, А.К. Битюрин, Д.И. Миндрин
Основы гидравлики
Учебно-методическое пособие по подготовке к лекционным и практическим занятиям, выполнению
лабораторных работ по дисциплинам «Механика жидкости и газа» и «Гидрогазодинамика»
для обучающихся по направлениям подготовки 08.03.01 Строительство, 08.05.01 Строительство уникальных зданий и сооружений, 13.03.01
Теплоэнергетика и теплотехника, 20.03.01 Техносферная безопасность, 20.05.01 Пожарная безопасность
Нижний Новгород ННГАСУ
2022
2
УДК 532(075)
Зонов М. И. Основы гидравлики [Электронный ресурс]: учеб.- метод.
пос. / М. И. Зонов, А. К. Битюрин, Д. И. Миндрин; Нижегор. гос.
архитектур. - строит. ун - т – Н.Новгород: ННГАСУ, 2022. – 88 c; ил. 1
электрон. опт. диск (CD-RW)
Представлены теоретико-прикладные материалы и методические рекомендации по формированию необходимых и достаточных знаний и умений для решения гидравлических задач инженерной практики.
Предназначено для обучающихся в ННГАСУ по направлениям подготовки (специальностям) 08.03.01 Строительство, 08.05.01
Строительство уникальных зданий и сооружений, 13.03.01 Теплоэнергетика и теплотехника, 20.03.01 Техносферная безопасность, 20.05.01 Пожарная безопасность при изучении дисциплин «Механика жидкости и газа» и «Гидрогазодинамика».
© М.И. Зонов, А.К. Битюрин,
Д.И. Миндрин, 2022 © ННГАСУ, 2022
3
|
Содержание |
|
|
||
Предисловие ........................................................................................................ |
|
|
|
|
5 |
Раздел 1. Конспект лекций по гидравлике ...................................................... |
|
6 |
|||
1.1. Введение ................................................................................................ |
|
|
|
|
6 |
1.2. Гидростатика .......................................................................................... |
|
|
|
|
14 |
1.3. Теоретические начала гидродинамики................................................ |
|
25 |
|||
Раздел 2. Методика решения задач по гидравлике...................................... |
|
38 |
|||
2.1. Введение .............................................................................................. |
|
|
|
|
38 |
2.2. Гидростатические расчеты.................................................................... |
|
|
38 |
||
2.3. Гидравлический расчет напорных трубопроводов............................. |
|
47 |
|||
Раздел 3. Выполнение лабораторных работ по гидравлике....................... |
54 |
||||
3.1. Введение .............................................................................................. |
|
|
|
|
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 |
Список литературы ........................................................................................ |
|
|
|
|
80 |
Приложение ....................................................................................................... |
|
|
|
|
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 инженера-
строителя 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:
|
ρ = lim |
|
m |
|
, |
(1.1.1) |
||
|
|
W |
||||||
|
|
W →0 |
|
|
|
|
||
|
– плотность среды; [ρ] |
|
|
|
|
|
|
|
где ρ |
= кг/м3 ; |
|
|
|
||||
|
СИ |
|
|
|
|
|
|
|
|
m – масса элемента среды; |
|
|
|
|
|
|
|
|
W – объем элемента среды. |
|
|
|
|
|
|
|
Для однородной среды плотность представляет собой массу единицы |
||||||||
объема: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ρ = |
m |
, |
|
|
(1.1.2) |
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
W |
|
|
|
||
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:
DF = σ × DS , |
(1.1.3) |
где σ – 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:
|
p = |
|
σ |
|
= lim |
P |
|
, |
(1.1.4) |
||
|
|
|
|||||||||
|
|
|
S |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
S →0 |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где |
p – гидромеханическое давление (давление); [p] |
= Н/м2 = Па . |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
СИ |
|
4) Касательные напряжения. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
С учетом рассмотренного выше и по аналогии можно записать: |
||||||||||
|
|
|
|
T |
|
|
|
|
|
|
|
|
τ = lim |
|
|
|
, |
|
|
|
(1.1.5) |
||
|
|
|
S |
|
|
|
|||||
|
S →0 |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где |
τ – 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:
τ = |
DT |
= |
DS ×E ×ϕ |
= E ×ϕ , |
(1.1.6) |
DS |
|
||||
|
|
DS |
|
||
где ϕ – угловая деформация; |
|
|
|
|
|
E – модуль упругости тела. |
|
|
|
|
|
Во втором случае («б») |
касательные напряжения |
возникают в |
результате скольжения верхней грани куба относительно нижней и деформация сдвига в этом случае:
|
|
|
ϕ @ tgϕ = |
du |
|
|
|
|
|
|
dn , |
(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: |
|
|
|
DT = |
DS ×η× |
du |
|
|
|||
|
|
|
=η× |
du |
|
|
||
τ = |
dn |
, |
(1.1.8) |
|||||
DS |
|
|
dn |
|||||
|
DS |
|
|
|
|
|
где η – коэффициент пропорциональности; [η]= 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 (τ = 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 (η ).
В гидравлических расчетах широко используется коэффициент кинематической вязкости ( ν ):
ν = η ; [ν] = м2 /с, |
(1.1.9) |
ρ СИ
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 τ = f du не соблюдается – такие жидкостиdn
10