ГЛАВА 1. ГИДРОСТАТИКА

ГИДРАВЛИКА

КУРС ЛЕКЦИЙ

для студентов специальностей 170400, 311300, 311400, 150200, 230100, 260400, 260100, 260200, 290300, 291000 всех форм обучения.

Триандафилов А. Ф. к.т.н., доцент

Ефимова С.Г.

Сыктывкар 2011

Содержание

Введение…………………………………………………………………..
Глава 1. Гидростатика………………………………………………….
1.1. Свойства жидкостей…………………………………………………
1.2. Гидростатическое давление и его свойства………………………..
1.3. Дифференциальные уравнения равновесия жидкостей (уравнения Л. Эйлера)………………………………………………………………….
1.4. Основное уравнение гидростатики………………………………….
1.5. Закон Паскаля…………………………………………………………
1.6. Пьезометрическая высота……………………………………………
1.7. Напор…………………………………………………………………..
1.8. Удельная потенциальная энергия……………………………………
1.9. Приборы для измерения давления…………………………………..
1.10. Силы давления жидкости на поверхности………………………..
1.10.1. Сила давления на плоскую стенку……………………………….
1.10.2. Давление жидкости на наклонную поверхность……………….
1.10.3. Давление жидкости на криволинейную поверхность………….
1.11. Расчет тонкостенных цилиндрических сосудов, подверженных внутреннему давлению……………………………………………………
1.12. Закон Архимеда и плавание тел……………………………………
1.13. Остойчивость тел……………………………………………………
Глава 2. Гидродинамика………………………………………………..
2.1. Основные гидродинамические понятия……………………………
2.2. Дифференциальные уравнения движения идеальной жидкости (уравнение Эйлера)………………………………………………………..
2.3. Дифференциальные уравнения неразрывности движущейся жидкости…………………………………………………………………...
2.4. Уравнение неразрывности…………………………………………..
2.5. Уравнение установившегося движения элементарной струйки идеальной жидкости (уравнение Д. Бернулли)…………………………
2.6. Механическая энергия потока жидкости……………………….......
2.7. Уравнение Даниила Бернулли для потока реальной жидкости…..
2.8. Примеры практического применения уравнения Д. Бернулли.......
2.8.1. Трубы Вентури……………………………………………………...
2.8.2. Гидродинамическая трубка Пито………………………………….
2.8.3. Гидродинамическая трубка Пито-Прандтля……………………...
2.9. Уравнение равномерного движения жидкости. Режимы движения жидкости…………………………………………………………………..
2.9.1. Уравнение равномерного движения жидкости…………………
2.9.2. Режимы движения вязкой жидкости………………………………
2.9.2. Шероховатость внутренней поверхности трубопроводов………
2.9.4. Ламинарный режим движения………….…………………………
2.9.5. Турбулентный режим движения…………………………………
2.10. Классификация потерь напора……………………………………..
2.11. Местные сопротивления трубопроводов……………..…………..
2.12. Основы расчета трубопроводов. Типы трубопроводов и их классификация…………………………………………………………….
2.12.1. Типы трубопроводов и их классификация………………………
2.12.2. Методика расчета простого трубопровода………………………
2.12.3. Расчет гидравлически коротких трубопроводов………………..
2.12.3. Расчет сифонного трубопровода…………………………………
2.13. Гидравлический удар в трубопроводах……………………………
2.14. Истечение жидкости через отверстия и насадки…......................
2.14.1. Истечение жидкости через малое отверстие в тонкой стенке….
2.14.2. Истечение жидкости через большие отверстия…………………
2.14.3. Истечение жидкости при переменном напоре…………………..
2.14.4. Истечение жидкости из насадков………………………………..
2.15. Гидравлические струи……………………………………………....
2.16. Расчет турбин……………………………………………………......
2.17. Равномерное движение в открытых руслах……………………....
2.18. Водосливы. Классификация водосливов………………………….
2.19. Гидравлический расчет отверстий малых мостов и водопропускных дорожных сооружений……………………………….
2.20. Гидравлический расчет открытых русел……………………….....
2.21. Основы теории гидравлического моделирования………………..
2.21.1. Виды подобия. Второй закон Ньютона………………………….
2.21.2. Закон Фруда………………………………………………………..
2.21.3. Закон Рейнольдса………………………………………………….
Глава 3. Гидравлические машины……………………………………
3.1. Гидравлические насосы. Назначение насосов и их классификация……………….....................................................................
3.2. Основные рабочие параметры насосов……………………….……..
3.3. Поршневые насосы………………………………………..…………
3.3.1. Классификация поршневых насосов………………………………
3.3.2. Характеристика подачи поршневых насосов……………………..
3.3.3. Воздушные колпаки……………………………………………….
3.3.4. Индикаторная диаграмма работы поршневого насоса…………...
3.4. Центробежные насосы………………………………………………..
3.4.1. Классификация центробежных насосов…………………………..
3.4.2. Движение жидкости в рабочем колесе центробежного насоса...
3.4.3. Основное уравнение центробежного насоса……………………..
3.4.3. Типы лопаток рабочего колеса и влияние их формы на величину теоретического напора………………………………………..
3.4.5. Зависимость между основными рабочими параметрами насоса.
3.4.6. Коэффициент быстроходности центробежных насосов…………
3.4.7. Явление кавитации………………………………………………....
3.4.8. Характеристика центробежных насосов. Выбор насоса………....
3.4.9. Параллельная и последовательная работа насосов………………
3.5. Осевые (пропеллерные насосы)……………………………………..
3.6. Роторные насосы……………………………………………………...
3.6.1. Классификация роторных насосов..…….…………………………
3.6.2. Шестеренные насосы…………………………………………….....
3.6.3.Винтовые насосы……………………………………………………
3.7. Пластинчатые насосы………………………………………………...
3.8. Роторно-поршневые насосы…………………………………………
3.8.1. Радиально-поршневые насосы…………………………………….
3.8.2. Аксиально-поршневые насосы…………………………………....
3.9. Водоподъемные устройства………………………………………….
3.9.1. Гидравлический таран……………………………………………..
3.9.2. Водоструйный насос (эжектор)……………………………………
3.9.3. Карбюратор…………………………………………………………
3.10. Вода – источник тепловой энергии……………………………….
Сущность и особенности электрогидравлического эффекта………….
Приложения……………………………………………………………….
Приложение 1. Соотношение между единицами измерения………….
Приложение 2. Физические свойства воды……………………………..
Приложение 3. Положение центра тяжести плоских фигур и формулы моментов инерции относительно оси, проходящей через центр тяжести……………………………………………………………………..
Приложение 4. Отношение максимальной скорости к средней и коэффициент Кориолиса при турбулентном течении в трубах……..
Приложение 5. Связь между коэффициентом гидравлического трения λ и коэффициента Шези С ………………………………………………...
Приложение 6. Значения коэффициентов местных сопротивлений трубопроводной арматуры (квадратичная область)…………………….
Приложение 7. Значения коэффициентов местных сопротивлений трубопроводной арматуры (квадратичная область)…………………….
Приложение 8. Эквивалентная шероховатость …………………….
Приложение 9. Зависимость коэффициента расхода μр водомера Вентури от числа Рейнольдса (при d1/d2 = 0,5)…………………………..

Предисловие

В конструкциях современного оборудования лесной и деревообрабатывающей промышленности, сельскохозяйственных машинах, автомобилях и автомобильном хозяйстве все более настойчиво находит свое применение гидропривод. Гидравлический привод имеет небольшие размеры, удобство применения, бесступенчатое регулирование скоростей, надежное предохранение от перегрузок.

Овладение основами гидропривода для современного инженера невозможно без знаний курса «Гидравлики» - прикладной науки, изучающей законы равновесия и движения жидкостей. И поэтому в предлагаемом курсе лекций уделено значительное внимание теоретическим основам этой науки в соответствии с требованиями программы по подготовке инженеров по специальностям 170400, 311300, 311400, 150200, 230100, 260400, 260100, 260200, 290300, 291000.

Курс лекций подготовлен для пользования им студентами всех форм обучения Сыктывкарского лесного института.

При работе над данным курсом учтены весьма ценные замечания рецензента к.т.н., доцента Корычева Н. А. Авторы так же выражают свою признательность сотруднику кафедры СЛИ Чупрову В. Т.

Введение

Первым, дошедшим до нашего времени трудом по гидравлике был трактат великого математика и механика древности Архимеда (287-212 г.г. до н.э.) «О плавающих телах». Однако, сведения о некоторых законах гидравлики были, видимо, известны и ранее, так как задолго до Архимеда строились оросительные каналы и водопроводы.

Архимед оставил после себя многочисленные труды по вопросам математики, механики, гидростатики. Наиболее известны законы рычага, способы вычисление длин кривых, законы гидростатики.

Представитель древнегреческой школы Ктезибий (II или III век до н.э.) изобрёл пожарный насос, водяные часы и некоторые другие водяные устройства.

Герон Александрийский (вероятно, I век до н.э.) описал сифон, водяной орган, автомат для отпуска жидкости и т.п. /3/.

На протяжении почти 17 веков после Архимеда вплоть до трактата великого итальянского художника и инженера Леонардо да Винчи (1452 – 1519 г.г.) «О движении и измерении воды» не появлялось ни одного теоретического труда о равновесии и движении жидкости.

Затем идут работы итальянского физика, механика и астронома Галилео Галилея (1564 – 1642 г.г). В 1612 г. им была опубликована книга «Рассуждение о телах, пребывающих в воде и о тех, которые в ней движутся», в которой Г. Галилей описал условия плавания тел. Он показал, что гидравлические сопротивления возрастают с возрастанием скорости и плотности жидкости. Г. Галилей впервые разъяснил также вопрос о вакууме /3/.

Математик и физик Эванджелист Торричелли (1608 – 1647 г.г) в 1641 г. впервые провёл опытные исследования истечения жидкости из отверстий и установил пропорциональность скорости истечения υ корню квадратному из величины напора истечения Н

(, где g – ускорение свободного падения).

Формулы расхода и скорости истечения жидкости из отверстий, полученные Б. Кастелли и Э. Торричелли принадлежат к основным формулам современной гидравлики и имеют весьма важное практическое значение.

Французский математик, физик и философ Блез Паскаль (1623-1662 г.г.) сформулировал закон изменения давления в жидкостях, прямым следствием чего явилось появление в средние века большого количества гидравлических машин (гидравлические прессы, домкраты и т.п.)

Английский физик и математик Исаак Ньютон (1643-1727 г.г) в 1687 г. сформулировал гипотезу о внутреннем трении жидкости, введя понятие о вязкости жидкости, а также открыл явление сжатия струи при истечении жидкости через отверстие, исследовал относительное равновесие жидкости, приливно-отливные явление в природе и др.

Появление гидромеханики, как науки, связывают с именем выдающегося математика и механика, почётного члена Петербургской академии наук Леонарда Эйлера (1707-1783 г.г.), которого по праву считают отцом гидромеханики. Леонард Эйлер впервые определил понятие давления жидкости и вывел основные уравнения движения идеальной, лишённой вязкости жидкости. Впоследствии эти уравнения назвали его именем.

Аналитическое направление в гидромеханике продолжало развиваться и в последующие годы. Так как классическая гидромеханика не смогла удовлетворить запросы практики, в XIX столетии возникла новая наука – гидравлика.

В конце XIX – начале XX столетия под воздействием бурно развивающейся авиационной техники и турбостроения произошло сближение и соединение двух научных направлений в гидромеханике: аналитического и экспериментального. В гидромеханике переплелись теоретические и экспериментальные методы исследования.

Значительное место в развитии гидромеханики занимают русские учёные.

В 1738 г. почётный член Петербургской академии наук Даниил Бернулли вывел уравнение для установившегося движения идеальной несжимаемой жидкости, связавшее давление и массовую силу с кинематическими величинами. Несмотря на то, что уравнение Бернулли является основным для одномерного движения жидкости, оно имеет фундаментальное значение в гидромеханике, так как выражает закон сохранения энергии движущейся жидкости /6/.

Выдающийся учёный Н.Е. Жуковский (1847-1921 г.г) - автор теории воздушного винта, течений в реках, гидравлического удара в водопроводных трубах, трения в подшипниках и т.д. – создал основы аэродинамики. В ЦАГИ имени проф. Н.Е. Жуковского выросла замечательная плеяда учёных-механиков: академики М.В. Келдыш, М.А. Лаврентьев, С.А. Христианович, Л.И. Седов и др.

Большой вклад в развитие гидравлической науки внесли академики Н.Н. Павловский, Л.С. Лейбзон, И.Н. Вознесенский, Н.Н. Ковалёв и И.И. Жуковский /5/.

В нашей стране гидромеханика, гидравлика, гидромашиностроение достигли высокой ступени развития. Об этом свидетельствуют успехи в области космонавтики, авиации, судостроения, трубопроводного транспорта, гидроэнергетики.

Конец прошлого столетия. К этому периоду относится зарождение авиации, трубостроения, совершенствование двигателей внутреннего сгорания. Теоретические и технические задачи того периода сближаются настолько, что становятся едиными.

Школа Жуковского-Чаплыгина (теоретическая и экспериментальная гидроаэродинамика, ЦАГИ, 1918г. МВТУ, учёные Б.С. Юрьев, В.П. Ветчинкин, А.А. Тулаев, Б.С. Стечкин. В лабораториях ЦАГИ работали М.Д. Миллионщиков, Л.И. Седов и др.

Зарождение и развитие авиационной и ракетной техники вызвало появление гидроаэродинамики и газовой динамики:

· это гидровакуумные усилители исполнительных механизмов;

· это конструирование и расчёт формы автомобилей с целью максимального сокращения сил сопротивления движению;

· это решение вопросов погрузочно-разгрузочных операций.

Гидромеханика – механика капельных (несжимаемых) жидкостей, или наука об общих законах их движения и равновесия. Подобно теоретической механике она состоит из трёх разделов: статики, кинематики и динамики. Статика жидкостей (гидростатика) - наука об их равновесии. Кинематика жидкостей изучает их движение только с геометрической стороны, т.е. вне зависимости от действующих на них сил. Динамика жидкостей (гидродинамика) устанавливает взаимосвязь между внешними силами и обуславливаемым ими движением жидкости.

Простейшим движением жидкой частицы является её одномерное движение. Если ось ординат OX совместить с траекторией движения жидкой частицы, то её положение в пространстве в любой момент времени определяется одной независимой переменной – координатой x.

Когда жидкая частица совершает произвольное движение в пространстве, её положение в любой момент времени относительно координат определяется тремя независимыми переменными – координатами , и . Это движение жидкой частицы называют трёхмерным.

Обтекание тел жидкостью, или движение тел в жидкости, является внешней задачей гидромеханики. Течение жидкости внутри твёрдых тел, например в трубопроводах, каналах и т.д., составляет внутреннюю задачу гидромеханики.

ГЛАВА 1. ГИДРОСТАТИКА

Гидростатика – раздел гидравлики, в котором рассматриваются законы покоя или равновесия жидкости и практическое применение этих законов в технике. Состояние покоя или состояние движения жидкости обуславливается, прежде всего, характером действующих на жидкость сил, их величиной и направлением.

По аналогии с теоретической механикой в гидравлике все силы, действующие в жидкости, подразделяют на внутренние и внешние.

Внутренние силы – это силы взаимодействия межу отдельные частицами жидкости. Рассматривая жидкость, как сплошную среду, можно говорить о частицах жидкости как об элементарных объёмах.

Внешние силы – это силы, приложенные к частицам рассматриваемого объёма жидкости со стороны жидкости, окружающей этот объём.

Внешние силы делятся на три группы:

а) массовые

б) поверхностные

в) линейные.

Массовые силы в соответствии со вторым законом Ньютона пропорциональны массе жидкости (или для однородной жидкости – её объёму). К ним относится сила тяжести, а также сила инерции, действующая на жидкость при её относительном покое в ускоренно движущихся сосудах.

Поверхностные силы приложены к поверхности, ограничивающей рассматриваемый объём жидкости, и пропорциональны площади этой поверхности. Это, например, силы гидростатического давления внутри объёма жидкости и атмосферного давления на свободную поверхность; силы трения движущейся жидкости.

Линейные силы возникают на границе жидкости и газа и называются силами поверхностного натяжения. Сила поверхностного натяжения направлена по касательной к поверхности жидкости и перпендикулярна к линии контура, на который она действует.

Поиск по сайту: