Силы, действующие на жидкость. Давление в жидкости

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предмет гидравлики  ............................................. 5

Глава 1. Физические и эксплуатационные свойства жидкостей......... 6

1.1. Силы, действующие на жидкость. Давление в жидкости....... 6

1.2. Физические свойства жидкостей........................... 7

1.3. Рабочие жидкости гидросистем........................... 13

Глава 2. Гидростатика........................................... 16

2.1. Гидростатическое давление и его свойства   ................. 16

2.2. Основное уравнение гидростатики. Закон Паскаля  ........... 18

2.3. Дифференциальные уравнения равновесия жидкости......... 19

2.4. Абсолютное, избыточное и вакуумметрическое давление.

  Пьезометрическая высота. Приборы для измерения

  давления............................................... 21

2.5. Сила давления жидкости на плоскую стенку................ 25

2.6. Сила давления жидкости на криволинейные стенки.

  Плавание тел........................................... 27

Глава 3. Основы кинематики и динамики жидкости.................. 30

3.1. Основные понятия...................................... 30

3.2. Расход. Уравнение расхода   .............................. 32

3.3. Уравнение Бернулли для элементарной струйки

  идеальной жидкости..................................... 33

3.4. Дифференциальные уравнения движения идеальной

  жидкости.............................................. 36

3.5. Уравнение Бернулли для потока реальной жидкости  ......... 38

3.6. Понятие о гидравлических потерях  ........................ 42

3.7. Использование уравнения Бернулли в технике............... 43

3.8. Кавитация  ............................................. 46

Глава 4. Основы гидродинамического подобия   ..................... 48

Глава 5. Режимы движения жидкости   ............................. 53

5.1. Ламинарное и турбулентное движение жидкости............ 53

5.2. Основные характеристики ламинарного и турбулентного

  течений................................................ 55

Глава 6. Местные и линейные гидравлические сопротивления......... 57

6.1. Основные виды местных сопротивлений.

  Определение коэффициента местных потерь................ 57

6.2. Определение коэффициента Дарси........................ 58

Глава 7. Истечение жидкости из отверстий и насадков............... 60

7.1. Истечение через малое отверстие в тонкой стенке при

  постоянном напоре...................................... 60

7.2. Истечение через насадки................................. 64

Глава 8. Гидравлический расчет трубопроводов................. 68

8.1. Простой трубопровод постоянного сечения................. 68

8.2. Соединения простых трубопроводов....................... 70

8.3. Сложные трубопроводы.................................. 73

Глава 9. Взаимодействие потока жидкости со стенками.............. 74

Глава 10. Неустановившееся движение жидкости................... 76

10.1. Неустановившееся движение жидкости в жестких трубах.... 76

10.2. Гидравлический удар в трубах........................... 80

Примеры решения задач........................................ 82

Варианты контрольных работ................................... 103

Библиографический список  ..................................... 119

 

 

Предмет гидравлики

Гидравликой называется наука о законах равновесия и движения жидкостей и способах приложения этих законов для решения практических задач. В гидравлике, чаще всего, рассматривается движение потоков жидкости, ограниченных твердыми стенками, то есть движение в открытых и закрытых руслах, каналах, трубопроводах и т.п. Таким образом, можно сказать, что в гидравлике изучаются в основном внутренние течения жидкостей и решают так называемую внутреннюю задачу. Внешнюю задачу об обтекании твердого тела жидкостью или газом решают в аэрогидромеханике.

Исторически сложилось так, что наука о жидкостях и их законах развивалась двумя различными путями. Первый путь – теоретический, основанный на законах механики. Он привел к созданию теоретической гидромеханики. Это стройная теоретическая наука, позволяющая решать сложные задачи, связанные с равновесием и движением жидкостей, но математические модели, полученные методами теоретической гидромеханики, порой получаются или очень сложными и трудными для решения, или недостаточно точно отражающими реальные процессы в жидкости. Второй путь развития науки о законах, которым подчиняются жидкости, – экспериментальный. Именно по этому пути развивалась гидравлика. Этот путь позволяет с помощью эмпирических зависимостей решать очень сложные задачи, правда решения получаются приближенные, многие эмпирические зависимости не являются универсальными, а применимы при определенных комплексах условий. Оба эти пути имеют свои преимущества и недостатки, поэтому совершенно логичным стало постепенное сближение теоретической гидромеханики и гидравлики. В настоящее время граница между этими науками весьма условна, так как в гидравлике стали применять методы теоретической гидромеханики, что придало ей логичность, стройность, а в гидромеханике стали использовать эмпирические зависимости из гидравлики, позволяющие упростить математические модели без внесения ощутимых погрешностей.

Объектом изучения в гидравлике являются жидкости, чаще всего –так называемые капельные жидкости, то есть жидкости, которые в малых объемах под действием сил поверхностного натяжения приобретают сферическую форму. Иногда термин “жидкость” трактуют шире, включая в него, кроме капельных жидкостей, и газы. Законы гидравлики справедливы для газа в тех случаях, когда он движется с малой скоростью (значительно меньшей скорости звука) и практически не сказывается его сжимаемость.

В настоящее время жидкости находят очень широкое применение в изделиях машиностроения. Это смазывающие, охлаждающие жидкости, топлива, рабочие жидкости всевозможных гидроприводов и, наконец, объекты добычи (нефть, газовый конденсат, вода и др.). По этой причине знание свойств жидкостей и законов, которым они подчиняются, необходимы как изготовителям машиностроительной продукции, так и специалистам, занимающимся ее эксплуатацией.

 

Глава 1. Физические и эксплуатационные свойства жидкостей

Силы, действующие на жидкость. Давление в жидкости

 

В гидравлике, как правило, жидкость рассматривают как непрерывную среду, отвлекаясь от ее молекулярного строения.

Вследствие текучести (подвижности частиц) в жидкости действуют только силы, распределенные по ее объему (массе) или поверхности. В точке к жидкости приложить силу невозможно. Проведите мысленный эксперимент. Нажмите острием иглы на твердое тело и Вы почувствуете, что оно сопротивляется проникновению иглы. Попробуйте воздействовать той же иглой на поверхность воды или иной жидкости. Игла погружается в жидкость беспрепятственно, то есть силу в точке приложить к жидкости не удалось. Таким образом, силы, действующие на объемы жидкости извне, подразделяют на массовые и поверхностные.

Массовые силы в соответствии со вторым законом Ньютона пропорциональны массе жидкости или, для однородной жидкости, – ее объему. К ним относятся сила тяжести и сила инерции.

Поверхностные силы непрерывно распределены по поверхности жидкости и при равномерном их распределении пропорциональны площади этой поверхности. Это силы, действующие на жидкость, со стороны твердых тел, газа или других объемов жидкости. По третьему закону Ньютона точно с такими же силами жидкость воздействует на окружающие ее тела.

В общем случае поверхностная сила D R, действующая на площадке D S, направлена под некоторым углом к площадке, и ее можно разложить на две составляющие: нормальную D F (перпендикулярную площадке) и тангенциальную D T (направленную вдоль площадки). D F называют силой давления, а D T – силой трения.

И массовые, и поверхностные силы в гидравлике рассматривают в виде единичных сил, то есть отнесенных соответственно к единице массы или площади поверхности. Единичная массовая сила имеет размерность ускорения [м/с²], а единичная поверхностная в Международной системе единиц (СИ) – [Н/м²] = [Па] (паскаль). Паскаль – очень малая поверхностная сила, поэтому часто пользуются кратными ей единицами измерения: килопаскалем 1 кПа = 10³ Па и мегапаскалем 1 МПа = 10⁶ Па.

В давно изданной литературе можно встретить единицу измерения системы МКГСС [кгс/см²]. В технике часто пользуются несистемными единицами – технической атмосферой и баром.

Связь этих единиц:

1 ат = 1 кгс/см² = 9,81×10⁴ Па;

1 бар = 1,02 ат = 10⁵ Па.

Единичная поверхностная сила, называемая напряжением поверхностной силы, раскладывается на нормальные и касательные (тангенциальные) напряжения.

Нормальное напряжение называется гидромеханическим (а в случае покоя жидкости – гидростатическим) давлением, или просто давлением  и обозначается p.

,

а при равномерном распределении поверхностной силы по площадке

.

Касательные напряжения (напряжения трения) t определяются аналогично

.