10787

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»

М.И. Зонов, А.К. Битюрин, А.С. Золявин

Теоретико-прикладные основы гидравлики

Учебно-методическое пособие по подготовке к лекционным и практическим занятиям,

выполнению лабораторных работ и курсовой работы по дисциплине «Механика жидкости и газа» для обучающихся по специальности 08.05.01

Строительство уникальных зданий и сооружений,

специализация Строительство высотных и большепролетных зданий и сооружений

Нижний Новгород

2016

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»

М.И. Зонов, А.К. Битюрин, А.С. Золявин

Теоретико-прикладные основы гидравлики

Учебно-методическое пособие по подготовке к лекционным и практическим занятиям,

выполнению лабораторных работ и курсовой работы по дисциплине «Механика жидкости и газа» для обучающихся по специальности 08.05.01

Строительство уникальных зданий и сооружений,

специализация Строительство высотных и большепролетных зданий и сооружений

Нижний Новгород

2016

УДК 532(075)

Зонов, М. И. Теоретико-прикладные основы гидравлики [Электронный ресурс]: учеб.- метод. пос. / М. И. Зонов, А. К. Битюрин, А. С. Золявин;

Нижегор. гос. архитектур.-строит. ун-т. – Н. Новгород: ННГАСУ, 2016. – 120 c; 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 при проектировании и реализации систем и элементов инженерного оборудования зданий и сооружений.

Предназначено для обучающихся в ННГАСУ по специальности 08.05.01

Строительство уникальных зданий и сооружений, специализация Строительство высотных и большепролетных зданий и сооружений.

© М.И. Зонов, А.К. Битюрин,

А.С. Золявин, 2016 © ННГАСУ, 2016

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 ДИСЦИПЛИНЕ

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:

m – масса элемента среды;

W – объем элемента среды.

Для однородной среды плотность представляет собой массу единицы

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

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

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

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:

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:

определяются по формуле:

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):

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