Тема 1 Жидкости и газы, их свойства

О.В. Савилова

Гидромеханика

Конспект лекций

Новокузнецк

2011 г.

УДК 532 (07)

Г-464

Рецензент

Кандидат технических наук, доцент

И.В.Зоря

Савилова О.В.

Г-464 Гидромеханика: конспект лекций / Сиб. гос. индустр. ун-т; сост. О.В.Савилова: - Новокузнецк, 2011. – 125 с.

Изложены основы гидромеханики, приведены примеры их практического применения. Рассмотрены важнейшие свойства жидкостей, основы гидростатики и гидродинамики. Приведена методика гидравлического расчёта трубопроводов и открытых русел, рассмотрены вопросы истечения жидкостей через отверстия и насадки.

Автор стремился к максимальной краткости и ясности изложения. Поэтому не приводятся справочные данные, максимально сокращена описательная часть.

Предлагаемый конспект лекций предназначен для студентов горных специальностей высших технических учебных заведений.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Оглавление_______________________________________3

Введение__________________________________________6

Тема 1. Жидкости и газы, их свойства________________8

1.1 Определение жидкости______________________8

1.2 Основные свойства жидкостей и газов_________9

1.3 Силы, действующие в жидкости_____________18

Тема 2. Гидростатика______________________________19

2.1 Гидростатическое давление и его свойства_____19

2.2 Основное уравнение гидростатики____________21

2.3 Закон Паскаля и его техническое применение___23

2.4 Дифференциальные уравнения Эйлера

равновесия жидкости___________________________24

2.5 Абсолютное и избыточное давление. Вакуум____25

2.6 Приборы для измерения давления в жидкости___28

2.7 Сообщающиеся сосуды_______________________31

2.8 Сила давления жидкости на плоские стенки_____32

2.9 Закон Архимеда и его приложения_____________35

2.10 Поверхности равного давления_______________37

2.11 Сила давления жидкости на криволинейную

стенку_____________________________________________40

Тема 3 Основы гидродинамики______________________43

3.1 Понятия и определения_______________________43

3.1.1 Виды движения жидкости_________________43

3.1.2 Элементы потока жидкости________________45

3.1.3 Гидравлические параметры потока жидкости_46

3.2 Уравнение неразрывности или уравнение

расхода____________________________________________48

3.3 Режимы движения жидкости. Опыты Рейнольдса_49

3.4 Кавитация__________________________________52

3.5 Уравнение Бернулли для элементарной

струйки идеальной жидкости____________________54

3.6 Уравнение Бернулли для реальной жидкости____58

3.7 Измерение скорости потока и расхода жидкости_61

3.8 Общие сведения о гидравлических

сопротивлениях____________________________________63

Тема 4 Ламинарное течение жидкости в круглых

трубах____________________________________________65

4.1 Уравнение равномерного движения жидкости

в круглой трубе_____________________________________65

4.2 Расход, средняя скорость и потери напора при

ламинарном течении жидкости в круглой трубе__________67

Тема 5 Турбулентное течение жидкости в круглых

трубах_____________________________________________70

5.1 Основные сведения__________________________70

5.2 Распределение скоростей по живому сечению

круглой трубы_________________________________72

5.3 Структура турбулентного потока жидкости в

круглой трубе__________________________________73

5.4 Шероховатость стенок труб___________________75

5.5 Гидравлически гладкие и гидравлически

шероховатые трубы_____________________________77

5.6 Потери напора по длине трубы________________78

5.7 Опыты И.И. Никурадзе_______________________79

Тема 6 Местные гидравлические сопротивления_______81

6.1 Внезапное расширение русла__________________81

6.2 Постепенное расширение русла________________83

6.3 Внезапное сужение русла_____________________84

6.4 Постепенное сужение русла___________________85

6.5 Внезапный поворот трубы (отвод)_____________86

6.7 Принцип сложения потерь напора______________86

6.8 Выражение полных потерь напора в виде

степенной функции расхода___________________________88

Тема 7 Истечение жидкости через отверстия и насадки_89

7.1 Истечение жидкости через малое отверстие в

тонкой стенке при постоянном напоре__________________90

7.2 Истечение жидкости через насадки при

постоянном напоре__________________________________93

7.3 Истечение жидкости через затопленное

отверстие или насадок, или истечение под уровень_______96

7.4 Применение отверстий и насадков_____________96

7.5 Истечение жидкости через отверстие или

насадок при переменном напоре (опорожнение

резервуара)_________________________________________97

7.6 Взаимодействие струи с твердой преградой______98

Тема 8 Гидравлический расчет трубопроводов________99

8.1 Классификация трубопроводов_______________100

8.2 Простой трубопровод постоянного сечения_____101

8.3 Самотечный трубопровод____________________102

8.4 Сифонный трубопровод_____________________103

8.5 Основы технико-экономического расчета

простых трубопроводов_____________________________107

8.6 Последовательное соединение трубопроводов__109

8.7 Параллельное соединение трубопроводов______110

8.8 Разветвленное соединение трубопроводов______112

8.9 Сложные трубопроводы_____________________113

8.10 Трубопроводы с насосной подачей жидкости__115

8.11 Гидравлический удар в напорных

трубопроводах_____________________________________118

8.11.1 Явление гидравлического удара__________118

8.11.2 Скорость распространения ударной волны_119

8.11.3 Определение повышения давления при

гидравлическом ударе_______________________________120

8.11.4 Меры, предотвращающие возникновение

гидравлического удара______________________________121

8.11.5 Использование гидравлического удара____122

8.12 Равномерное движение жидкости в открытых

руслах____________________________________________123

8.13 Формулы для определения коэффициента

Шези С___________________________________________124

Библиографический список__________________________125

Введение

Гидромеханика— техническая прикладная наука, изучающая законы, которым подчиняются жидкости в состоянии покоя или движения и способы приложения этих законов к решению практических инженерных задач.

В практике жидкость часто используется как рабочее тело. Множество производственных процессов связано с использованием жидкости: перекачка жидкостей по трубам, гидроразработка полезных ископаемых, гидротранспорт материалов, гидравлический привод и смазка механизмов и т. д. Поэтому инженерам горных специальностей приходится постоянно встречаться с теми или иными вопросами гидромеханики, решение которых невозможно без знания ее законов и умения практически их использовать.

Гидромеханика делится на гидростатику— учение о равновесии жидкости и гидродинамику— учение о движении жидкости.

Явления, происходящие в движущейся жидкости, во многих случаях невозможно исследовать чисто теоретическими методами. Поэтому в гидромеханике, как и в других прикладных науках, широко используется эксперимент как самостоятельный метод исследования, так и для проверки теоретических выводов.

Гидромеханика — одна из древнейших наук. С давних времен человечество сталкивалось с решением вопросов практической гидромеханики, связанных с плаванием судов, орошением и водоснабжением. Известно, что в Китае за 5000 лет до н. э. существовали оросительные системы. Найдены остатки сооружений для регулирования вод Нила и Евфрата, обнаружены следы Шахрудской оросительной системы в Средней Азии, до сих пор еще продолжают подавать воду некоторые древнеримские водопроводы-акведуки в Италии. Однако сведений о научно обоснованных расчетах таких систем и сооружений нет, видимо, все знания передавались от поколения к поколению устно.

Первым законом гидромеханики следует считать закон Архимеда, относящийся к 250 г. до н. э. На этом законе основывается теория равновесия и плавания тел. В течение последующих 18 веков ничего в области гидромеханики сделано не было. Только в XVI—XVII в.в. появились работы Леонардо да Винчи (трактат «О движении и измерении воды», (1504—1509), С. Стевина (трактат «Начало гидростатики», 1585), Г. Галилея («Рассуждения о телах, пребывающих в воде», 1612), П. Торичелли (законы истечения жидкости из сосудов через отверстия и насадки, 1643), Б. Паскаля (закон о передаче давления в жидкости, 1653) и И. Ньютона (гипотеза о внутреннем трении в жидкости, 1686).

В XVIII в. трудами российских академиков Л. Эйлера (1707—1783) и Д. Бернулли (1700—1782) были заложены теоретические основы классической гидромеханики. Эйлер в 1755 г. впервые вывел основные дифференциальные уравнения равновесия, движения и неразрывности жидкости. Бернулли в 1738 г. сформулировал знаменитое уравнение, связывающее скорость и давление в движущейся жидкости. М. В. Ломоносов (1711 —1765) открыл закон сохранения энергии (1760). Н.Е. Жуковский (1898) разработал теорию гидравлического удара в напорных трубопроводах. Большой вклад в развитие гидромеханики внесли Ж. Лагранж, Г. Гельмгольц, Г. Кирхгоф, Д. Стокс, Н. П. Петров, О. Рейнольдс, Л. Прандтль и другие ученые. Почетный академик Н. П. Петров (1836—1920) впервые экспериментально доказал и математически сформулировал закон Ньютона о жидкостном трении и на его основе разработал современную гидродинамическую теорию смазки.

Вместе с гидромеханикой в XIX в. развивалась и газовая механика, фундамент которой был заложен еще работами И. Ньютона, П. Лапласа. Активная деятельность ученых и инженеров проявилась при решении задач, связанных с созданием паровых турбин и особенно в конце века, когда возрос интерес к задачам воздухоплавания.

Из работ в области механики жидкости и газа начала XX в. следует выделить работы, связанные с движением жидкости в пограничном слое, который образуется вблизи поверхности тела и оказывает существенное влияние не только на величину сопротивления, но и на характер движения сред около твердых поверхностей.

Тема 1 Жидкости и газы, их свойства

Определение жидкости

Жидкость — это физическое тело, обладающее свойством текучести, она не имеет своей формы, а принимает форму сосуда, в который её помещают.

Текучесть жидкости объясняется тем, что ее молекулы за счет кинетической энергии теплового движения с высокой частотой изменяют свое взаимное расположение. Благодаря этому жидкость легко принимает форму сосуда, в котором она находится. Следует отметить, что одно и то же вещество в зависимости от характера теплового движения молекул и их взаимодействия может находиться в различном состоянии: твердом, жидком или газообразном. Это можно видеть на примере воды.

Все жидкости условно делятся на две группы: капельные и газообразные.

Капельные жидкости в отличие от газов обладают свойством внутреннего сцепления и могут образовывать капли (отсюда и их название). Такая жидкость, налитая в сосуд, занимает в нем объём, равный собственному, и образует поверхность раздела с газом, называемую свободной поверхностью.

Капельные жидкости оказывают большое сопротивление изменению объема и трудно поддаются сжатию. Их часто называют практически несжимаемыми.

Газообразные жидкости (воздух, газы) наоборот значительно изменяют свой объем при изменении температуры и давления. Они обладают свойством занимать весь предоставленный им объем и не образуют свободной поверхности. Необходимо подчеркнуть, что в случае, когда параметры состояния газа практически не меняются, его поведение при движении не отличается от поведения капельной жидкости. В этих случаях газ, как и жидкость, может рассматриваться как несжимаемая среда.

Кроме того, жидкости бывают реальные и идеальные.

Реальные — это все жидкости, существующие в природе.

Идеальные — это жидкости, которые в отличие от реальных:

а) абсолютно несжимаемы,

б) не обладают вязкостью.

Понятие об идеальной жидкости введено в гидромеханику для облегчения некоторых выводов.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: