2018-02-14
568
Министерство образования Российской Федерации
| Ухтинский государственный технический университет |
Л. Н. Раинкина
Допущено Учебно- методическим объединением
вузов Российской Федерации
по высшему нефтегазовому образованию
В качестве учебного пособия
для студентов вузов нефтегазового профиля
по направлению подготовки дипломированных специалистов «Нефтегазовое дело»
Ухта 2001
УДК 621.65: 532.001.2 (075)
Р18
Раинкина Л. Н. Гидромеханика: Учебное пособие. - Ухта: УГТУ, 2001. - 140с., ил.
ISBN
Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальностям: 090600-”Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений”, 090800-”Бурение скважин”, 090700-”Проектирование и эксплуатация магистральных газопроводов”, 170200-“Машины и оборудование нефтяных и газовых промыслов.
В пособии рассмотрены основные вопросы теории статики и динамики жидкостей на примерах решения стандартных задач. Приведены примеры расчетов, задания для выполнения расчетно-графических и контрольных работ и методические указания по их выполнению.
|
|
|
Предназначено для студентов дневной и заочной формы обучения.
Рецензенты:
Кафедра нефтяной и подземной гидромеханики РГУ им. И.М. Губкина (зав. кафедрой профессор Кадет В. В.), зам. Директора по науке института
«ПечорНИПИНефть» д.т.н. Литвиненко В. И..
© Ухтинский государственный технический университет, 2001
© Раинкина Л. Н., 2001
ISBN
| ВВЕДЕНИЕ |
Перед вами, уважаемый читатель, учебное пособие, которое призвано помочь вам в изучении курса «Гидромеханика» и выполнении контрольных работ.
Законы гидромеханики на практике используется везде, где в технологических процессах используется неподвижная или движущаяся жидкость.
Законы гидромеханики – основа расчетов в нефтегазовом деле.
По курсу гидромеханики студенты заочной формы обучения специальностей «Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений» (РЭНГМ) и «Проектирование и эксплуатация магистральных газопроводов» (ПЭМГ) выполняют две контрольные работы, курсовую работу, цикл лабораторных работ, сдают зачет и экзамен.
Студенты очной формы обучения выполняют две расчетно-графические работы, курсовую работу, цикл лабораторных работ, сдают экзамен.
Основная цель при изучении курса – научиться решать задачи.
| Чтобы научиться решать задачи, необходимо: · Изучить и хорошо понимать АЗБУКУ гидромеханики – содержание основных понятий, таких как давление в жидкости, сила давления жидкости на поверхность, энергия, расход, средняя скорость, напор и др. · Знать и понимать законы механики, определяющие условия равновесия[1] жидкости и твердого тела в жидкости. · Знать и понимать законы сохранения массы и энергии. |
|
|
|
Запомните!
Решать гидромеханические задачи по аналогии, используя некий набор стандартных формул, без понимания смысла того, что вы делаете – самое неблагодарное занятие и пустая трата времени для вашего образования.
В данном пособии суть гидромеханики раскрывается при подробном решении стандартных задач. В процессе решения делаются небольшие отступления в теорию, поясняющие методику решения задачи.
ВНИМАНИЕ!
Перед выполнением контрольных работ необходимо изучить методику решения стандартных задач.
В помощь вам, уважаемый читатель, рекомендуются следующие учебные пособия и учебники:
1. Розенберг Г. Д. Сборник задач по гидравлике и газодинамике для нефтяных вузов. –М: Недра, 1990.
2. Рабинович Е. З., Евгеньев А. Е. Гидравлика.- М: Недра, 1987.
3. Раинкина Л. Н. Гидростатические расчеты. – Ухта: УГТУ, 1997.
| РАЗДЕЛ 1 | |
|
| СТРУКТУРА КУРСА И ЕГО ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ |
Курс состоит из двух частей - гидростатики и гидродинамики. Ниже перечислены основные задачи, которые Вы, уважаемый читатель, должны научиться решать после изучения курса гидромеханики.
· Определение гидростатического давления по основному уравнению гидростатики
· Принципы действия приборов для измерения давления. Связь между показаниями мановакуумметров и абсолютным давлением.
· Задачи с использованием основных законов гидростатики: закона Паскаля, закона Архимеда, закона Гука.
· Определение сил давления жидкости на плоские поверхности твердого тела.
· Решение инженерных задач с использованием условий равновесия жидкости и твердого тела в жидкости.
 |
· Определение потерь напора на преодоление гидравлических сопротивлений.
· Расчет трубопроводов для перекачки жидкостей и газов–определение расхода, давления, диаметра.
· Определение скорости и расхода при истечении жидкости через отверстия и насадки различных типов.
· Кавитационные расчеты.
Экзаменационные вопросы по курсу «Гидромеханика»
Гидростатика
1. Объясните физический смысл понятий: абсолютное гидростатическое давление в жидкости, весовое давление, манометрическое и вакуумметрическое давление, давление насыщенного пара жидкости, давление жидкости в точке поверхности твердого тела, сила давления жидкости, центр тяжести плоской фигуры, центр весового давления жидкости, сила внешнего давления на поверхность твердого тела, плотность жидкости, модуль объемной упругости.
2. Основные законы гидростатики: закон Гука, закон Паскаля, закон сохранения энергии (основное уравнение гидростатики), закон Архимеда.
3. Сформулируйте условия равновесия жидкости.
4. Сформулируйте условия равновесия твердого тела, находящегося под действием силы давления со стороны жидкости и других сил (силы тяжести, силы упругости пружины, силы трения покоя, силы атмосферного давления и др.).
· В случае возможного поступательного перемещения.
· В случае возможного вращательного движения (при наличии оси поворота).
5. Принципы измерения давления в жидкости. Формулы связи между показаниями приборов и абсолютным давлением.
6. Как определить силу давления жидкости на плоскую поверхность твердого тела (модуль. направление, точку приложения)?
7. Как определить силу давления газа на плоскую поверхность твердого тела (модуль. направление, точку приложения)?
8. Теорема Вариньона. Как определить суммарную силу давления на плоскую поверхность твердого тела (модуль. направление, точку приложения)?
9. Сформулируйте условия плавания тел.
|
|
|
10. Кавитация в жидкости. Следствия кавитации на примере всасывающего трубопровода насоса.
Гидродинамика
1. Объясните физический смысл понятий: вязкость жидкости, местная и средняя скорость, расход (объемный. массовый и весовой), смоченный периметр, гидравлический диаметр, энергия - полная, удельная, кинетическая, потенциальная энергия положения, потенциальная энергия давления, работа, разница между энергией и работой, коэффициент полезного действия механизма, динамический и кинематический коэффициенты вязкости, вязкость пластическая и эффективная, ньютоновские и неньютоновские жидкости, вязкопластичная жидкость.
2. Сформулируйте закон сохранения массы при движении жидкости и газа. В каком случае закон сохранения массы эквивалентен закону сохранения объёмного расхода?
3. Напишите уравнение Бернулли для идеальной и реальной жидкости в виде:
· баланса полных энергий;
· баланса энергий на единицу веса (напоров);
· баланса энергий на единицу объема.
4. Какие типы гидравлических сопротивлений вы знаете? По какой причине появляются сопротивления по длине потока? На что затрачивается энергия при прохождении жидкости через местные гидравлические сопротивления?
5. Как определить режим движения ньютоновской жидкости? Вязкопластичной жидкости?
6. Какой физический смысл числа Re?
7. Почему критическое число Reкр в вязкопластичной жидкости меньше, чем в ньютоновской?
8. От каких факторов зависит коэффициент гидравлического трения при ламинарном режиме? При турбулентном режиме? Что такое гидравлически гладкая труба? Гидравлически шероховатая труба? Каким образом можно превратить гидравлически гладкую трубу в гидравлически шероховатую?
9. Методика применения уравнения Бернулли для решения практических задач. Принцип выбора сечений и плоскости сравнения. Что означает каждое слагаемое в уравнении Бернулли? В каких случаях можно пренебрегать скоростью движения жидкости в сечениях потока?
10. Три основные задачи расчета трубопроводов и пути их решения. Методы решения трансцендентных уравнений (графический и численные).
|
|
|
11. Кавитационный расчет всасывающего трубопровода насоса.
12. Определение расхода и скорости при истечении жидкости. Сравнение истечения через отверстия и насадки различных типов. Всасывающий эффект насадка. Кавитация в насадке.
13. От каких факторов зависит повышение давления при гидроударе? Способы борьбы с гидроударом.
Ответы на основные вопросы, необходимые для понимания курса, даются в пособии при решении стандартных задач.
| РАЗДЕЛ 2 | |
|
| МЕТОДИКА РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ГИДРОСТАТИКИ |
Методику решения задач гидростатики рассмотрим на примере решения конкретной задачи.
Постановка задачи
В резервуаре над жидкостью плотностью r находится газ. Давление газа р0 может быть больше, чем атмосферное – тогда показание мановакуумметра равно рм0. Если давление газа меньше, чем атмосферное - показание прибора равно рv0.
В боковой стенке резервуара имеется прямоугольное отверстие с размерами k ´ m. Центр тяжести отверстия находится на глубине h0 под уровнем свободной поверхности жидкости (поверхности контакта жидкости с газом). Отверстие закрыто круглой крышкой 1, которая может поворачиваться вокруг оси А против часовой стрелки под действием момента от силы давления жидкости. Чтобы крышка не поворачивалась, к ней приложена сила R. Размеры a и b фиксируют положение оси вращения и точки приложения силы относительно центра тяжести отверстия.
В дне резервуара, на глубине H расположено круглое отверстие диаметра d. Отверстие закрыто крышкой 2, которая крепится болтами к резервуару. pмH – показание манометра, который установлен на уровне дна резервуара.
Дано: r;рм0 (pv0);h0; H; a; b; k; m.
Определить:
1. Давление р0.
2. Показание рмH.
3. Силу R.
4. Силу Р2, отрывающую болты крышки.
 |
Рис.1
Схема к задаче
Откуда берутся силы, действующие со стороны жидкости на крышки?
Жидкость находится в неподвижном состоянии под силовым воздействием. Жидкость сжата со всех сторон силами реакции окружающих поверхностей, силой давления со стороны газа и собственным весом. В результате в ней возникают сжимающие напряжения (Рис.2).
Рис.2 Определение давления | Выделим внутри жидкости вокруг точки А площадку dw. Сила dР1 характеризует действие частиц, находящихся вверху площадки, а сила dР2 - находящихся внизу площадки. Вектор напряжения – предел отношения элементарной силы dР к площади dw при стремлении площади dw к нулю с сохранением ориентации площадки |
Вектор напряжения зависит от ориентации площадки. Их число – бесчисленное множество. Каждый вектор может иметь нормальную по отношению к площадке и касательную составляющую.
Абсолютное гидростатическое давление – модуль вектора сжимающего напряжения в жидкости. В покоящейся жидкости отсутствуют касательные напряжения, а модули нормальных напряжений на всех площадках, проходящих через точку А, равны между собой и называются абсолютным гидростатическим давлением.
.
Давление – скалярная величина, имеющая размерность напряжения.
Свойства гидростатического давления
Рис.3 Иллюстрация к свойствам гидростатического давления |
1. Во всех точках горизонтальной площади, проведенной через однородную жидкость, давление одинаково.
2. В данной точке внутри жидкости давление по всем направлениям одинаково. Это означает, что давление в жидкости на определенном уровне можно определять и сверху, и снизу, и слева, и справа.
3. На внешней поверхности жидкости давление направлено перпендикулярно к поверхности. В противном случае на жидкость действовали бы касательные силы и она бы двигалась.
Молекулы жидкости, стремясь освободиться от сжимающих напряжений, в свою очередь оказывают силовое воздействие на окружающие поверхности (3ий закон Ньютона – действие равно противодействию!). В результате и возникают силы давления на крышки в нашей задаче.
Давление в газе
В идеальном газе отсутствуют связи между молекулами, поэтому давление газа имеет совсем другой физический смысл, чем давление в жидкости. Молекулы газа совершают хаотическое (броуновское) движение. При этом они ударяются о поверхность жидкости и теряют свой импульс. Как известно из теоретической механики, при изменении импульса появляется сила, в данном случае это сила давления газа на поверхность жидкости. Единичная (на единицу площади) сила давления и есть давление газа.
Состояние газа определяется тремя параметрами – абсолютным давлением р, плотностью r и абсолютной температурой T, которые связаны уравнением состояния (уравнением Клапейрона).
p×V = m×R×T,
где R – газовая постоянная, R=287дж/кг×°К для воздуха.
Уравнение состояния можно записать в виде:
p/r =R×T.
При увеличении температуры усиливается броуновское движение молекул и частота их ударов о поверхность. При этом давление газа увеличивается.
В малых объёмах давление газа одинаково во всех точках объёма. В больших объёмах давление газа уменьшается с высотой по экспотенциальному закону.
