Жидкость и силы действующие на нее

ГИДРАВЛИКА

Конспект лекций для спец. ПГС и специальностей механико-машиностроительного профиля

 

 

Кафедра гидравлики

 

Баранов В.Д.

 

Содержание

 

Лекция 1. ВВЕДЕНИЕ. ПРЕДМЕТ ГИДРАВЛИКИ И КРАТКАЯ ИСТОРИЯ ЕЕ РАЗВИТИЯ
1.1. Краткая история развития гидравлики
1.2. Жидкость и силы действующие на нее
1.3. Механические характеристики и основные свойства жидкостей

Лекция 2. ОСНОВЫ ГИДРОСТАТИКИ
2.1. Гидростатическое давление
2.2. Основное уравнение гидростатики
2.3. Давление жидкости на плоскую наклонную стенку
2.4. Давление жидкости на цилиндрическую поверхность
2.5. Закон Архимеда и его приложение
2.6. Поверхности равного давления

Лекция 3. ОСНОВЫ ГИДРОДИНАМИКИ
3.1. Основные понятия о движении жидкости
3.2. Уравнение Бернулли для идеальной жидкости
3.3. Уравнение Бернулли для реальной жидкости
3.4. Измерение скорости потока и расхода жидкости

Лекция 4. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ
4.1. Режимы движения жидкости
4.2. Кавитация
4.3. Потери напора при ламинарном течении жидкости
4.4. Потери напора при турбулентном течении жидкости
4.5. Местные гидравлические сопротивления

Лекция 5. ИСТЕЧЕНИЕ ЖИДКОСТИ ИЗ ОТВЕРСТИЙ, НАСАДКОВ И ИЗ-ПОД ЗАТВОРОВ
5.1. Истечение через малые отверстия в тонкой стенке при постоянном напоре
5.2. Истечение при несовершенном сжатии
5.3. Истечение под уровень
5.4. Истечение через насадки при постоянном напоре
5.5. Истечения через отверстия и насадки при переменном напоре (опорожнение сосудов)
5.6. Истечение из-под затвора в горизонтальном лотке
5.7. Давление струи жидкости на ограждающие поверхности
5.8 Распад струи капельной жидкости в воздухе

Лекция 6. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ПРОСТЫХ ТРУБОПРОВОДОВ
6.1. Простой трубопровод постоянного сечения
6.2. Соединения простых трубопроводов
6.3. Сложные трубопроводы
6.4. Трубопроводы с насосной подачей жидкостей
6.5. Гидравлический удар
6.6. Изменение пропускной способности трубопроводов в процессе их эксплуатации

Лекция 7. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ МАШИНЫ
7.1. Лопастные насосы
7.2. Поршневые насосы
7.3. Индикаторная диаграмма поршневых насосов
7.4. Баланс энергии в насосах
7.5. Обозначение элементов гидро- и пневмосистем

 

Лекция 1. ВВЕДЕНИЕ. ПРЕДМЕТ ГИДРАВЛИКИ И КРАТКАЯ ИСТОРИЯ ЕЕ РАЗВИТИЯ

Курс гидравлики (технической гидромеханики) включает в себя решение широкого круга задач о движении различных жидкостей и газов, их взаимодействии с неподвижными или движущимися объектами, работы и проектирования насосов, вентиляторов, гидро- и пневмоприводов, средств автоматики и многих устройств и механизмов, в которых используются жидкости и газы. Это, прежде всего наука, предназначенная для решения практических задач, в связи с чем решение многих сложных задач получают на основе результатов экспериментов.

 

Гидравлика – одна из древнейших наук. Уже за несколько тысяч лет до нашей эры в Египте, Индии, Китае строились плотины, оросительные каналы, первые механизмы, использовавшие энергию воды. Все это требовало не только искусства строителей, но и решения задач прочности сооружений, простейших расчетов динамики жидкости.

Многие выдающиеся ученые внесли свой вклад в изучение законов статики и динамики жидкости и газов. Каждый этап развития цивилизации сопровождался открытием новых законов, отражая новые потребности науки и техники.

Первой известной работой в этой области считается трактат выдающегося греческого ученого Архимеда «О плавающих телах», написанный за 250 лет до нашей эры.

Эпоха возрождения, XV век.

Леонардо Да Винчи (1452-1519) проводит свои известные экспериментальные и теоретические исследования. Среди них работа по теории гидравлического пресса, истечение жидкости через отверстия и водосливы.

Симон Стевин (1548-1620), нидерладский инженер, опубликовал работу «Начала гидростатики» с решением задачи гидростатического давления на плоскую стенку, объяснил «Гидростатический парадокс».

Галилео Галилей (1564-1642), итальянский физик, математик и астроном, устанавливает зависимость величины гидростатического сопротивления от плотности среды и скорости потока жидкости.

Эванджелиста Торичелли (1602-1647) открывает закон и дает формулу расчета скорости истечения жидкости из отверстия в сосуде под действием силы тяжести.

Блез Паскаль (1623-1662) в 1663 году опубликовывает закон о передаче внешнего давления жидкости. Закон назван его именем.

Исаак Ньтон (1643-1727) предложил теорию внутреннего трения в движущейся жидкости.

М.В.Ломоносов – закон сохранения массы и энергии.

XVIII век.

Д.Бернулли, Л.Эйлер, Ж.Д’Аламбер сформулировали современные основы механики жидкости. Теоретические исследования описывали поведение идеальной жидкости, в связи с чем результаты плохо согласовывались с экспериментальными данными.

XIX век. Развитие техники потребовало решения прикладных инженерных задач.

А.Пито – изобрел способ измерения скорости жидкости (прибора Пито).

А.Шези – сформулировал основы теории подобия.

Ш.Кулон, Г.Хаген, Б.Сен-Венан, Ж.Пуазейль, А.Дарси, Вейсбах, Ж.Буссинеск – предложили методы расчета гидравлических сопротивлений.

Г.Хаген, О.Рейнольдс – выделили и исследовали два режима течения жидкости.

О.Коши, Фруд, Г.Гельмгольц – предложили критерии гидродинамического подобия.

Л. Прандтль (1875-1953) – создал теорию турбулентности и предложил теорию пограничного слоя.

Н.П.Петров – гидродинамическая теория смазки.

Н.Е.Жуковский – теория гидравлического удара.

И.С.Громека – теория капиллярных явлений.

XX век.

А.Н.Крылов – теория плавания корабля.

А.Н.Колмогоров – теория турбулентности.

Н.Н.Павловский – теория неравномерного движения и фильтрации жидкости.

В.Г.Шухов – гидравлический расчет магистральных трубопроводов.

И.И.Куколевский – машиностроительная гидравлика.

 

Современные задачи, решаемые гидравликой, охватывают множество явлений и сфер деятельности человека. Это природные явления, начиная от фильтрации газа, нефти, подземных вод до атмосферных проявлений. Классические задачи гидравлики по расчету трубопроводов, течения рек, проектирования судов и летательных аппаратов в настоящее время существенно дополнены практическими потребностями химической, пищевой промышленности, где жидкости и газы стали лежат в основе абсолютного большинства технологических процессов. Сложность явлений и проектируемых устройств привело к широкому применению современных вычислительных систем, появлению программных комплексов, ориентированных на решение задач динамики жидкости и газов и сопряженных с ними задач тепло- и массопереноса.

 

Решение различных технических проблем, связанных с вопросами движения жидкостей в открытых и закрытых руслах, а также с вопросами силового воздействия жидкости на стенки сосудов или обтекаемые жидкостью твердые тела привело к созданию обширной науки называемой гидромеханикой, которая делится на два раздела: техническая гидромеханика и теоретическая механика жидкости и газа     

Гидравлика (техническая механика жидкости) - прикладная часть гидромеханики, которая использует те или иные допущения для решения практических задач. Она обладает сравнительно простыми методиками расчета по сравнению с теоретической механикой жидкости, где применяется сложный математический аппарат. Однако гидравлика дает достаточную для технических приложений характеристику рассматриваемых явлений.

Спектр вопросов, которые рассматривает гидравлика очень широк. Она имеет дело с ньютоновскими жидкостями, с бингамовскими жидкостями (реология). Расплавленный металл или лава при извержении вулкана – это тоже жидкости и, следовательно, входят в область интересов гидравлики. Процесс горения и взрыва, морские волны наравне с таким простым явлением как течение воды из кофейника в чашку рассматривает гидравлика.

 Сама природа подсказала человеку устройство гидравлических систем. Сердце - насос, печень - фильтр, почки - предохранительные клапаны, кровеносные сосуды - трубопроводы, общая длина которых в человеческом организме около 100 000 км. Наше сердце перекачивает за сутки 60 тонн крови (это целая железнодорожная цистерна!).

Жидкость и силы действующие на нее

Жидкостью в гидравлике называют физическое тело способное изменять свою форму при воздействии на нее сколь угодно малых сил. Различают два вида жидкостей: жидкости капельные и жидкости газообразные (рис.1.1). Капельные жидкости представляют собой жидкости в обычном, общепринятом понимании этого слова (вода, нефть, керосин, масло и.т.д.). Газообразные жидкости - газы, в обычных условиях представляют собой газообразные вещества (воздух, кислород, азот, пропан и т.д.).

Рис. 1.1. Виды жидкостей

Основной отличительной особенностью капельных и газообразных жидкостей является способность сжиматься (изменять объем) под воздействием внешних сил. Капельные жидкости (в дальнейшем просто жидкости) трудно поддаются сжатию, а газообразные жидкости (газы) сжимаются довольно легко, т.е. при воздействии небольших усилий способны изменить свой объем в несколько раз  

В гидравлике рассматриваются реальная и идеальная жидкости. Идеальная жидкость в отличие от реальной жидкости не обладает внутренним трением, а также трением о стенки сосудов и трубопроводов, по которым она движется. Идеальная жидкость также обладает абсолютной несжимаемостью. Такая жидкость не существует в действительности, и была придумана для облегчения и упрощения ряда теоретических выводов и исследований.

На жидкость постоянно воздействуют внешние силы, которые разделяют на массовые и поверхностные.

Массовые: силы тяжести и инерции. Сила тяжести в земных условиях действует на жидкость постоянно, а сила инерции только при сообщении объему жидкости ускорений (положительных или отрицательных).

Поверхностные: обусловлены воздействием соседних объемов жидкости на данный объем или воздействием других тел. К ним относятся силы давления и поверхностного натяжения

 Если на жидкость действует какая-то внешняя сила, то говорят, что жидкость находится под давлением. Обычно для определения давления жидкости, вызванного воздействием на нее поверхностных сил, применяется формула

(Н/м2) или (Па),

где F - сила, действующая на жидкость, Н (ньютоны);
S - площадь, на которую действует эта сила, м² (кв.метры).

Если давление Р отсчитывают от абсолютного нуля, то его называют абсолютным давлением Р_абс. Если давление отсчитывают от атмосферного, то оно называется избыточным Р_изб. Атмосферное давление постоянно Р_а = 103 кПа (рис.1.3).

Рис. 1.3. Схема к определению давлений

За единицу давления в Международной системе единиц (СИ) принят Паскаль - давление вызываемое силой 1 Н, равномерно распределенной по нормальной к ней поверхности площадью 1 м²:

1 Па = 1 Н/м² = 10^-3 кПа = 10^-6 МПа.

Размерность давления обозначается как "Па" (паскаль), "кПа" (килопаскаль), "МПа" (мегапаскаль). В технике в настоящее время продолжают применять систему единиц МКГСС, в которой за единицу давления принимается 1 кгс/м².

1 Па = 0,102 кгс/м² или 1 кгс/м² = 9,81 Па.