10788
.pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»
М.И. Зонов, А.К. Битюрин, А.С. Золявин
Теоретико-прикладные основы гидравлики
Учебно-методическое пособие по подготовке к лекционным и практическим занятиям,
выполнению лабораторных работ и курсовой работы по дисциплине «Механика жидкости и газа» для обучающихся по специальности 08.05.01
Строительство уникальных зданий и сооружений,
специализация Строительство гидротехнических сооружений повышенной ответственности
Нижний Новгород
2016
Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»
М.И. Зонов, А.К. Битюрин, А.С. Золявин
Теоретико-прикладные основы гидравлики
Учебно-методическое пособие по подготовке к лекционным и практическим занятиям,
выполнению лабораторных работ и курсовой работы по дисциплине «Механика жидкости и газа» для обучающихся по специальности 08.05.01
Строительство уникальных зданий и сооружений,
специализация Строительство гидротехнических сооружений повышенной ответственности
Нижний Новгород
2016
УДК 532(075)
Зонов, М. И. Теоретико-прикладные основы гидравлики [Электронный ресурс]: учеб.- метод. пос. / М. И. Зонов, А. К. Битюрин, А. С. Золявин;
Нижегор. гос. архитектур.-строит. ун-т. – Н. Новгород: ННГАСУ, 2016. – 120 c; 1 электрон. опт. диск (CD-RW)
Представлены теоретико-прикладные материалы и методические рекомендации по формированию необходимых и достаточных знаний и умений для решения гидравлических задач при проектировании и реализации систем и элементов инженерного оборудования зданий и сооружений.
Предназначено для обучающихся в ННГАСУ по специальности 08.05.01
Строительство уникальных зданий и сооружений, специализация Строительство гидротехнических сооружений повышенной ответственности.
© М.И. Зонов, А.К. Битюрин,
А.С. Золявин, 2016 © ННГАСУ, 2016
3 |
|
СОДЕРЖАНИЕ |
|
Предисловие..................................................................................................... |
4 |
Раздел 1. Конспект лекций по дисциплине..................................................... |
5 |
1.1. Введение .............................................................................................. |
5 |
1.2. Гидростатика ..................................................................................... |
13 |
1.3. Теоретические начала гидродинамики ............................................ |
24 |
Раздел 2. Методика решения задач по дисциплине ..................................... |
37 |
2.1. Введение ............................................................................................ |
37 |
2.2. Гидростатические расчеты................................................................ |
37 |
2.3. Гидравлический расчет напорных трубопроводов.......................... |
46 |
Раздел 3. Выполнение и защита лабораторных работ по дисциплине........ |
53 |
3.1. Введение ............................................................................................ |
53 |
3.2. Экспериментальные исследования гидравлических процессов ..... |
54 |
3.3. Оформление результатов выполнения лабораторных работ .......... |
63 |
3.4. Вопросы защиты выполненных лабораторных работ..................... |
67 |
Раздел 4. Методика выполнения курсовой работы по дисциплине ............ |
70 |
4.1. Введение ............................................................................................ |
70 |
4.2. Задание к курсовой работе и структура отчета о её выполнении... |
70 |
4.3. Пример выполнения курсовой работы............................................. |
71 |
4.4. Вопросы защиты курсовой работы................................................... |
71 |
Список литературы ........................................................................................ |
73 |
Приложения.................................................................................................... |
74 |
4
ПРЕДИСЛОВИЕ
Представленное пособие является учебно-методическим комплексом,
предназначенным для получения студентами знаний, умений и навыков по дисциплине «Механика жидкости и газа» («Гидравлика»). Ограничение объема и содержания теоретических материалов в конспекте лекций, а также практики решения задач, выполнения лабораторных работ и курсовой работы с элементами предпроектных гидравлических расчетов обусловлено лимитом учебного времени и целевой профессиональной потребностью инженера-
строителя анализировать и решать проблемы, связанные с системами инженерного оборудования зданий, сооружений и других объектов.
Все приведенные материалы содержат, в основном, рецептуру обобщенного физического осмысления и алгоритмы достижения количественной оценки, целеобусловленного регулирования гидравлических процессов и явлений в соответствии с конструктивно-технологическими ограничениями, которые предписываются нормативно-техническими документами. В связи с отмеченным, во-первых, в лекционных материалах преимущественно отсутствуют теоретические выводы, но все расчетные формулы и зависимости, записанные в конечном виде, сопровождаются детальными физическими пояснениями и рекомендациями практического применения в различных проблемных ситуациях; во-вторых, условия и алгоритмы решения задач формулируются для упрощенных, но достаточно полных схем фрагментов систем инженерного оборудования; в-третьих,
лабораторные работы моделируют, в определенной степени, процесс экспериментального исследования важных гидравлических процессов и явлений; в-четвертых, курсовая работа организуется и выполняется как предпроектная разработка с учетом рекомендаций действующих инструктивно-
нормативных документов (СНиП, СП, ГОСТ и т.п.).
При организации изучения дисциплины уделяется большое значение правильному пониманию и применению действующей терминологии при формулировании гидравлических проблем в строительной практике. Во всех частях учебно-методического комплекса используются единые буквенные обозначения величин и параметров в соответствии с наработками источника [1]
и большинства других литературных источников.
5
РАЗДЕЛ 1. КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ ПО ДИСЦИПЛИНЕ
1.1.Введение
1.1.1.Предмет и задачи гидравлики
Гидравлика – это наука, изучающая законы движения и равновесия жидкостей, их силового взаимодействия с твердыми телами, а также разрабатывающая способы приложения этих законов к решению задач инженерной практики.
С момента возникновения гидравлика отличается прикладным характером: для нее типичны как упрощенный подход к рассмотрению явлений, так и широкое применение экспериментальных исследований, что позволяет находить приближенные, но достаточно точные решения практически важных задач.
Теоретическими предпосылками (внешними теоретическими условиями)
гидравлики являются:
1) Гипотеза сплошной среды.
Жидкость в целом рассматривается как континуум – сплошная среда,
заполняющая пространство без пустот (разрывов). Сплошная среда – это модель, характеристики которой являются непрерывными функциями,
имеющими непрерывные частные производные по всем своим аргументам.
2)Законы Ньютона и законы сохранения.
3)Теория инженерного эксперимента.
С помощью аналитических способов механики жидкости не всегда удается решить даже самые простые инженерные задачи с учетом сил вязкостного трения. Поэтому наряду с методами механики широко используются экспериментальные исследования, которые необходимо правильно планировать, ставить и интерпретировать (оценивать и обобщать результаты опытов, устанавливая нужные количественные зависимости).
6
1.1.2.Основные физические величины, характеризующие жидкость
1)Масса и плотность.
Согласно гипотезе сплошной среды масса распределяется по всему объему выделенного пространства, где находится жидкость или газ. При этом:
|
lim |
m |
|
, |
(1.1.1) |
|
W |
||||
|
W 0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где |
– плотность среды; СИ кг/м3 ; |
|
|
|
|
m – масса элемента среды;
W – объем элемента среды.
Для однородной среды плотность представляет собой массу единицы
объема: |
|
|
|
|
m |
, |
(1.1.2) |
|
|||
W |
|
|
2) Силы, действующие на жидкость.
Различают две категории сил, действующих в жидкой и газовой среде:
массовые и поверхностные.
Массовые силы действуют на каждый элемент среды и пропорциональны массе и объему элемента. К ним можно отнести силы тяжести и силы инерции.
Поверхностные силы проявляются на граничных поверхностях рассматриваемого объема среды.
Пусть задан некоторый объем среды, ограниченный произвольной поверхностью (рис. 1.1.1). Рассечем его на две части и отбросим часть II. Тогда внутренние силы действия части II на часть I станут внешними силами. Эти силы называют поверхностными. Поверхностную силу F , действующую на элементарную площадку S, можно разложить на нормальную – P и
тангенциальную – T , составляющие.
7
Рисунок 1.1.1 – К методу замены внутренних сил внешними
Согласно рассмотренному можно записать: |
|
F S , |
(1.1.3) |
где – напряжение, т.е. мера внутренних сил, |
возникающих в теле под |
действием внешних сил. |
|
Показанные на схеме составляющие силы F называют:
P – сила давления (сила сжатия);
T – сила сопротивления (сила жидкостного трения). 3) Гидромеханическое давление.
В сплошной среде поверхностные силы распределяются непрерывно.
Поэтому напряжения также действуют во всех точках выделенного объема
среды и можно говорить о его напряженном состоянии. |
|
|||||||||||||
Таким образом, можно записать: |
|
|
|
|
|
|
||||||||
p |
|
|
|
lim |
|
|
P |
|
, |
(1.1.4) |
||||
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
S |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
S 0 |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
где p – гидромеханическое давление (давление); p СИ |
Н/м2 = Па . |
|||||||||||||
4) Касательные напряжения. |
|
|
|
|
|
|
||||||||
С учетом рассмотренного выше и по аналогии можно записать: |
||||||||||||||
|
T |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
lim |
|
|
|
, |
|
|
|
|
(1.1.5) |
|||||
S |
|
|
|
|
||||||||||
S 0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где – касательные напряжения; возникают при деформации сдвига, где наиболее четко проявляются особенности жидкой (газовой) среды.
Рассмотрим деформацию сдвига твердого упругого тела (рис. 1.1.2 а) и
жидкой среды (рис. 1.1.2 б).
8
«а» |
«б» |
Рисунок 1.1.2 – К определению понятия «жидкость» в механике жидкости
В первом случае («а») касательные напряжения, вызванные действием сдвигающей силы T определяются по формуле:
|
T |
|
S E |
E , |
(1.1.6) |
|
S |
S |
|||||
|
|
|
|
|||
где – угловая деформация; |
|
|
|
|
|
E – модуль упругости тела.
Во втором случае («б») касательные напряжения возникают в результате
скольжения верхней грани куба относительно нижней и деформация сдвига в этом случае:
|
|
|
tg |
du |
|
|
|
|
|
|
|
, |
(1.1.7) |
||
|
|
|
dn |
||||
где |
|
du |
– градиент скорости (du – изменение скорости течения при удалении |
||||
|
dn |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
на |
расстояние dn от поверхности слоя в перпендикулярном |
к |
нему |
|||
|
направлении). |
|
|
||||
|
Касательные напряжения, вызванные действием сдвигающей силы |
T , |
определяются по формуле:
|
T |
|
S |
du |
|
|
du |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
dn |
|
|
|
, |
(1.1.8) |
|
S |
S |
|
dn |
где – коэффициент пропорциональности; Па с.
Формула (1.1.8) выражает гипотезу Ньютона о природе трения в жидкости.
9
Если в твердом теле напряжения сдвига пропорциональны величине деформации, то в жидкости они зависят от скорости деформации; если в покоящейся касательные напряжения отсутствуют ( 0 при du 0), в твердом теле они могут существовать. Внутренние силы, возникающие в жидкости при деформации сдвига, носят характер сил трения, в твердом теле – сил упругости.
Силы трения в жидкости отличаются от трения твердых тел: в жидкости эффект трения зависит от градиента скорости, а в твердых телах он является функцией нормального давления.
1.1.3.Основные физические свойства жидкостей
1)Текучесть и вязкость.
Текучесть – это свойство, общее для всех жидкостей, означающее способность течь под влиянием самых малых сдвигающих усилий. Этим, в
частности, объясняется движение жидкости в трубе при наличии небольшой разности давлений. С другой стороны, самое незначительное относительное движение слоев (частиц) жидкости порождает эффект сопротивления,
называемый вязкостью.
Коэффициент пропорциональности, входящий в формулу (1.1.8)
называется коэффициентом динамической вязкости ( ).
В гидравлических расчетах широко используется коэффициент кинематической вязкости (ν):
ν |
|
; ν |
СИ м2/с, |
(1.1.9) |
|
||||
|
|
|
|
Вязкость измеряется с помощью приборов – вискозиметров, различных
типов и конструкций.
Жидкости, для которых справедлив закон внутреннего трения Ньютона,
называются ньютоновскими. Существуют жидкости (суспензии, растворы высокомолекулярных соединений, бетонные гидросмеси и др.), для которых
du |
|
||
зависимость f |
|
|
не соблюдается – такие жидкости называются |
|
|||
dn |
|