Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

10209

.pdf
Скачиваний:
0
Добавлен:
25.11.2023
Размер:
4.45 Mб
Скачать

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

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);

Tсила 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

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]