Материалы специального курса гидравлики

ГИДРАВЛИКА ВОДОТОКОВ

МАТЕРИАЛЫ ЛЕКЦИОННОГО КУРСА

И ЛАБАРАТОРНЫХ (ПРАКТИЧЕСКИХ) РАБОТ

Использована литература:

1. Л а т ы ш е н к о в А.М. Основы гидравлики. Гидрометеоиздат, Л. 1971.

2. Р а п и н ч у к С.Ф., Г е р м а н Р.И. Гидравлика и гидрология. Лесная промышленность, М. 1982.

3. С п и ц и н И.П., С о к о л о в а В.А. Общая и речная гидравлика. Гидрометеоиздат, Л., 1990.

Красноярск, 2013

Содержание

1. Гидростатика 3

1.1. Физические свойства жидкостей 3

1.2. Основное уравнение гидростатики. Закон Паскаля. 8

1.3. Пьезометрическая высота. Вакуум 10

1.4. Давление жидкости на плоские фигуры 16

2. Гидродинамика 17

2.1. Уравнение Бернулли и сопротивление движению жидкости 17

2.2. Ламинарный и турбулентный режимы движения жидкости. Критерий Рейнольдса 21

2.3. Определение потерь напора. Области сопротивления 25

2.4 Равномерное движение в открытых руслах 29

2.5. Истечение жидкости из отверстий и насадок при постоянном напоре 35

2.6. Истечение жидкости из отверстий и насадок при переменном напоре 40

2.7. Истечение из непризматических резервуаров. Время наполнения и опорожнения водохранилищ 42

2.8. Гидравлический удар 44

Глава III	Равномерное движение жидкости в открытых руслах
	III.1.	Методические основы
	III.2.	Поперечный профиль каналов
	III.3.	Допустимые скорости течения воды в каналах
	III.4.	Гидравлический расчет каналов (примеры задач)
	III.5.	Гидравлический расчет естественных русел

Глава IV	Неравномерное движение жидкости в открытых руслах
	IV.1.	Краткие сведения
	IV.2.	Удельная энергия сечения. Критическая глубина.
	IV.3.	Нормальная глубина
	IV.4.	Критический уклон
	IV.5.	Примеры
	IV.6.	Основные уравнения неравномерного движения
	IV.7.	Показательная зависимость для отношения модулей расхода
	IV.8.	Форма кривых свободной поверхности
	IV.9.	Общие замечания об интегрировании дифференциальных уравнений неравномерного движения
	IV.10.	Построение кривых свободной поверхности
	IV.11.	Построение кривых свободной поверхности в естественных руслах
		Уравнение неравномерного движения и примеры решения задач

Глава V	Сопряжения бьефов и гашение энергии
	V.1.	Гидравлический прыжок
	V.2.	Виды сопряжения бьефов
	V.3.	Расчет водобойного колодца и водобойной стенки
	V.4.	Расчет быстротоков
Глава VI	Истечение жидкости через отверстия, насадки и водосливы
	VI.1.	Истечение жидкости через отверстия
	VI.2.	Истечение жидкости через насадки
	VI.3.	Основные элементы классификации водосливов

	VI.4.	Водосливы с тонкой стенкой
	VI.5.	Водослив с широким порогом
	VI.6.	Водослив практического профиля
	VI.6.	Гидравлический расчет мостов и отверстий малых безнапорных труб

Глава VII	Напорные трубопроводы
	VII.1.	Классификация напорных систем
	VII.2.	Простой трубопровод
	VII.3.	Сложные трубопроводы
Глава VIII	Движение грунтовых вод
	VIII.1.	Виды движения грунтовых вод
	VIII.2.	Основной закон фильтрации
	VIII.3.	Определение коэффициента фильтрации
	VIII.4.	Уравнения движения грунтовых вод
	VIII.5.	Расчет дебита (расхода воды) скважины или колодца при откачке
	VIII.6.	Фильтрация воды через земляную плотину
	Приложение 1
	Приложение 2
	ЛИТЕРАТУРА

1. Гидростатика 1.1. Физические свойства жидкостей Плотность ρ (кг/м^3) – масса единицы объема жидкости: (1.1) где m – масса жидкого тела, кг; W – объем, м3. Плотность жидкостей уменьшается с увеличением температуры. Исключение представляет вода в диапазоне температур от 0 до 4 ^0С, когда ее плотность увеличивается, достигая наибольшего значения при температуре 4 ^0С ρ = 1000 кг/м^3. Удельный вес жидкости γ (Н/м^3) - вес единицы объема этой жидкости: (1.2) где G – вес жидкого тела, Н; W – объем, м^3. Для воды при температуре 4 ^0С γ = 9810 Н/м^3. где g – ускорение свободного падения, равное 9.81 м/с^2. Сопротивление жидкостей изменению своего объема под действием давления и температуры характеризуется коэффициентами объемного сжатия и температурного расширения.

Между плотностью и удельным весом существует связь:

(1.3)

Коэффициент объемного сжатия β_w (Па^-1) – это относительное изменение объема жидкости при изменении давления на единицу:

(1.4)

где Δ W – изменение объема W;

Δρ – изменение плотности ρ, соответствующие изменению давления на величину Δp.

Вода практически несжимаема, величина β_{w ,} равна для воды в обычных условиях всего 0,4545·10^-8 Па^-1.

Величина, обратная коэффициенту объемного сжатия, называется модулем упругости жидкостей E_ж (Па).

(1.5)

Значение модуля упругости жидкостей зависит от давления и температуры. Если принять, что приращение давления , а изменение объема то:

(1.6)

(1.7)

Коэффициент температурного расширения β_t (⁰С)^-1, выражает относительное изменение объема жидкости при изменении температуры на один градус:

(1.8)

где Δ W – изменение объема W, соответствующее изменению температуры на величину Δ t.

Коэффициент температурного расширения воды увеличивается с возрастанием температуры и давления; для большинства других капельных жидкостей β_t с увеличением давления уменьшается. Если принять, что приращение температуры Δ t = t – t ₀, а изменение объема , то:

(1.9)

(1.10)

Вязкость - свойство жидкости оказывать сопротивление перемещению одной части жидкости относительно другой. Вязкость проявляется только при движении жидкости и сказывается на распределении скоростей по живому сечению потока.

Согласно гипотезе Ньютона сила внутреннего трения F в жидкостях пропорциональна градиенту изменения скорости , площади соприкосновения слоев S, зависит от рода жидкости и очень незначительно зависит от давления.

(1.11)

где S – площадь соприкасающихся слоев, м²;

du – скорость смещения слоя " b " относительно слоя " a ", м/с;

dy – расстояние, на котором скорость движения слоев изменилась на du, м;

– градиент скорости, изменение скорости по нормали к направлению движения (с^-1);

μ – коэффициент динамической вязкости (Па ▪с).

Если силу трения F отнести к единице площади соприкасающихся слоев, то получим величину касательного напряжения τ, и тогда (1.11) примет вид:

(1.12)

Из (1.12) следует, что коэффициент динамической вязкости может быть определен как:

(1.13)

Из (1.13) нетрудно установить физический смысл коэффициента динамической вязкости. При градиенте скорости = 1; μ = τ, и выражает силу внутреннего трения, приходящуюся на единицу площади поверхности соприкасающихся слоев жидкости.

В практике, для характеристики вязкости жидкости, чаще применяют не коэффициент динамической вязкости, а коэффициент кинематической вязкости ν (м²/с). Коэффициентом кинематической вязкости называется отношение коэффициента динамической вязкости к плотности жидкости:

(1.14)

Вязкость жидкости зависит от рода жидкости, от температуры и от давления.

Зависимость вязкости минеральных масел, применяемых в гидросистемах, от давления p при возрастании его до 50 МПа, можно определять с помощью приближенной эмпирической формулы:

(1.15)

где μ _p и μ – кинематическая вязкость соответственно при давлении p и 0,1 МПа;

K – опытный коэффициент, зависящий от марки масла: для легких масел (μ ₅₀ < 15 10^-6 м² / с) К = 0,02, для тяжелых масел (μ ₅₀ > 15 10^-6 м² / с) К = 0,03.

При незначительных давлениях изменением вязкости пренебрегают. С повышением температуры вязкость жидкости уменьшается. Зависимость коэффициента кинематической вязкости от температуры определяется по эмпирической формуле:

(1.16)

Для смазочных масел, применяемых в машинах и гидросистемах, рекомендуется следующая зависимость:

(1.17)

где ν _t – кинематическая вязкость при температуре t;

ν₅₀ – кинематическая вязкость при температуре 50 ⁰ С;

n – показатель степени, зависящий от ν ₅₀, определяемый по формуле:

(1.18)

Вязкость жидкости определяют при помощи вискозиметра Энглера и выражают в градусах Энглера (⁰Е). Градус Энглера (⁰Е) есть отношение времени истечения испытуемой жидкости ко времени истечения дистиллированной воды. Для перехода от вязкости в градусах Энглера к коэффициенту кинематической вязкости ν применяется формула Убеллоде:

(1.19)

Вязкость также определяют капиллярным вискозиметром Оствальда. Коэффициент кинематической вязкости в этом случае определяют по формуле:

(1.20)

где с – постоянная прибора;

T_ж – время истечения жидкости, с.

Задача 1

Удельный вес пресной воды равен γ. Определить ее плотность ρ. Определить температуру воды по таблице зависимости плотности воды от температуры, которая приведена ниже

Т (^0С)	ρ (кг/м^3)	Т (^0С)	ρ (кг/м^3)
	999,8		988,07
			983,24
	999,73		977,81
	998,23		971,83
	995,67		965,34
	992,24		958,38

Задача 2

Плотность жидкости равна ρ. Определить ее удельный вес (γ) и тип жидкости. Определить тип жидкости по таблице плотности некоторых жидкостей, которая приведена ниже.

Наименование жидкости	Т (^0 С)	ρ (кг/ м^3)
Глицерин безводный
Ртуть
Керосин		790-820
Бензин		680-780
ацетон

Задача 3

Медный шар диаметром d весит в воздухе G ₁, а при погружении в жидкость G ₂. Определить плотность жидкости и тип жидкости.

Задача 4

Определить коэффициент динамической и кинематической вязкости воды, если шарик d из эбонита с ρ = 1,2·10³ кг/м³ падает в воде с постоянной скоростью u. Плотность воды ρ.

Задача 5

При гидравлическом испытании системы объединенного внутреннего противопожарного водоснабжения допускается падение давления в течение 10 мин. на Δ p Па. Определить допустимую утечку Δ W при испытании системы вместимостью W. Коэффициент объемного сжатия β_w.

Дата добавления: 2014-01-05