Гидравлика. Шпора.

 

Гидравлика — прикладная наука, изучающая законы равновесия и движения жидкостей и дающая на основе теории и опыта способы примене­ния этих законов к разрешению различных задач инженерной прак­тики. Гидравлика может быть подразделена на две части: гидро­статику, в которой изучаются законы равновесия жидкости, и гидродинамику, в которой изучаются законы движения жидкости.

Изучением равновесия и движения жидкостей занимается и другая наука — теоретическая гидромеханика, носящая строго математический характер и дающая общие и точные решения.

Гидравлика, рассматривая законы равновесия и движения жид­костей, опирается на такие науки, как математика, физика, тео­ретическая механика, сопротивление материалов. В свою очередь, знания, полученные при изучении курса гидравлики, служат ба­зой для гидравлических расчетов при решении вопросов водоснаб­жения, отопления, вентиляции, водоотведения, инженерной ме­лиорации, фильтрации, гидротехнических сооружений и др.

Физические свойства жидкостей (плотность, сжимаемость).

Жидкие тела отли­чаются от твердых весьма малой силой сцепления между отдель­ными частицами и их легкоподвижностью, благодаря чему жид­кость легко принимает форму сосуда, в который она налита. Это свойство жидких тел называется текучестью. Жидкие тела бывают двух видов: капельные и газообразные жидкости (пары и газы). Обычно капельные жидкости называются несжимаемыми, а уп­ругие — сжимаемыми.

Наиболее часто применяемой в гидравлике характеристикой жидких тел является плотность жидкости р=M/W (кг/м3)

Сжимаемость. Капельные жидкости оказывают весьма силь­ное сопротивление сжимающим усилиям и допускают очень боль­шое давление (до 3000 атм и более). Если на некоторый объем жидкости JVh налитой в сосуд, произвести с помощью поршня давление р, то под влиянием этого давления объем жидкости умень­шится и станет равным W2. Относительное изменение объема жид­кости при изменении давления dp называется коэффициентом объемного сжатия

βv=dW/dpW

При изменении давления в пределах от 100 до 50000 кПа коэф­фициент объемного сжатия воды практически постоянен и может быть принят βv =5 10-6 см2/Н = 5• 10-7 1/кПа.

Вязкость жидкости, коэффициенты вязкости их размерность.

При движении реальной жидкости по тру­бам и в открытых руслах в жидкости между ее отдельными слоями возникают внутренние силы трения, или силы вязкости, величи­на которых зависит от рода жидкости и распределения скоростей между ее отдельными слоями.

Свойство жидкости оказывать сопротивление перемещению ее частиц и развивать при движении внутренние касательные напря­жения называется вязкостью жидкости

Установленный Н.П.Петровым закон внутреннего трения вы­ражается равенством

Tтр=±µSdu/dy

где Ттр — сила внутреннего трения; и — динамическая вязкость жидкости; S площадь трущихся слоев; du/dy — градиент скоро­сти, характеризующий относительное изменение скорости между отдельными слоями потока.

Для характеристики вязкости применяют также отношение динамической вязкости к плотности, называемое кинематиче­ской вязкостью v = µ/p. Кинематическая вязкость имеет размерность [vJ=m2/c.

Вязкость жидкостей уменьшается с повышением температуры.

Для опытного определения вязкости жидкостей существуют приборы, называемые вискозиметрами.

 

Силы, действующие на жидкость.

В состоянии покоя или движе­ния на жидкость действуют различные силы. По своей природе эти силы можно подразделить на две группы: силы объемные и силы поверхностные. Силы массовые (или объемные) действуют на все частицы данного объема жидкости; к таким силам относят­ся сила тяжести, сила инерции, центробежные силы и т.п. Повер­хностные силы приложены к той или иной поверхности, ограни­чивающей рассматриваемый объем жидкости или проведенной внутри этого объема; к таким силам относятся нормальные и ка­сательные силы, т.е. силы гидродинамического давления, силы трения, силы упругости.

Массовые силы пропорциональны массе жидкости, а для од­нородных жидкостей — пропорциональны объему, в связи с чем их часто называют объемными.

 

Поверхностные силы пропорциональны площади той поверх­ности жидкости, на которую они действуют.

Гидростатика — раздел гидравлики, в котором рассматрива­ются равновесие жидкости, силовое воздействие покоящейся жидкости на плоские и криволинейные поверхности и равнове­сие тел в жидкости. В гидростатике изучается равновесие поко­ящейся жидкости как сплошной среды, т.е. физические свойства остаются постоянными для любого малого объема жидкости.

Свойства гидростатического давления.

  1. Гидростатическое давление направлено по внутренней нормали к площадке, на ко­торую оно действует, и создает только сжи­мающее напряжение. Действительно, в жид­кости практически не возникает растягива­ющих напряжений, а в покоящейся жидкости нет и касательных напряжений. Давление не может действовать на площадку под углом, отличающимся от 90°, так как в этом случае его можно было бы разложить на нормальную и касательную составляющие. Однако, как отмечалось ранее, каса­тельные напряжения могут возникать только при движении жид­кости, поэтому давление может быть только нормальным к пло­щадке и создавать только сжимающие напряжения.
  2. Давление в точке жидкости не зависит от ориентации пло­щадки и будет одинаковым по всем направлениям. Для доказа­тельства этого свойства выделим в покоящейся жидкости эле­ментарный объем в виде трехгранной призмы. При этом оси координат направлены по ребрам призмы, ее стороны име­ют размеры dx, dy, dz, dn, а наклонная грань расположена под произвольным углом а. При отбрасывании окружающей жидко­сти на данную призму будут действовать элементарные силы, которые можно подразделить: на силы гидростатического давле­ния на боковые грани dFx, dFz, d Fn, силы гидростатического дав­ления на торцевые грани +dFy, -dFy и массовую силу, проекции которой на координатные оси составляют dGx = Xp1/2dxdydz,

Понятие о гидравлических сопротивлениях.

Причиной гидравлических сопротивлений являются трение и деформация жидкости в потоке, механизм которых довольно сло­жен, поэтому в настоящее время получить теоретические зависи­мости можно лишь в ограниченных случаях.

Обычно при изучении гидравлических сопротивлений обраща­ются к специальным экспериментальным исследованиям, в которых в соответствующих сечениях определяют величины , входящие в уравнение Бернулли, а затем устанавливают потерю напора для данного сопротивления.

Потери учитываются отдельно для прямых участков труб и ка­налов и отдельно для местных сопротивлений. В случае прямоли­нейных участков потери проявляются равномерно по длине пото­ка и называются потерями по длине hh или линейными потерями напора.

Местными сопротивлениями в трубах принято называть уст­ройства, в которых происходит резкая деформация потока, выра­жающаяся в изменении скорости или направления движения. К та­ким сопротивлениям относятся фасонные части, арматура, при­боры и оборудование, установленные на трубопроводах. Такие сопротивления называют местными, а потери напора называют

местными потерями напора hM, или потерями напора на местные сопротивления.

Обычно в потоке возникают оба вида потерь напора: местные и линейные.

Режимы движения жидкости.

 Первый режим движения жидкости, характеризующийся параллельноструйным течением, называют ламинарным, а второй режим, когда жид­кость течет, перемешиваясь с окружающей жидкостью, — турбу­лентным. При прочих равных условиях турбулентный режим полу­чается при сравнительно больших скоростях, а ламинарный — при малых.

Если постепенно увеличивать скорость движения в трубе, то при некоторой достаточно большой скорости, называемой верх­ней критической скоростью, ламинарный режим нарушается и происходит резкий переход к турбулентному режиму. В отдельных опытах с той же жидкостью в той же трубе скорость, при которой происходил такой переход, может значительно изменяться. Если же при турбулентном режиме уменьшать скорость, то происходит обратный переход от турбулентного режима к ламинарному; ско­рость, соответствующая переходу к ламинарному режиму, — ниж­няя критическая скорость — всегда меньше верхней и имеет опре­деленное значение.

Ламинарное движение – это слоистое движение без перемешивания её частей. При ламинарном течении жидкости в прямой трубе постоянного сечения все линии тока направлены параллельно оси трубы, при этом отсутствуют поперечные перемещения частиц жидкости.

Турбулентный режим движения – интенсивное перемешивание .

Введение понятия осредненной скорости позволяет приме­нять к турбулентному потоку основные понятия и уравнения дви­жения жидкости без учета пульсационных компонентов. Но фактически пульсации существуют, и они влия­ют на значения касательных напряжений в турбулентном потоке и на соответствующие     потери напора, входящие в уравнение Бер­нулли.

В 1930-х годах были сделаны попытки теоретического исследо­вания закономерностей турбулентного потока в целях получения теоретически обоснованных формул для коэффициента трения X. В этом отношении заслуживают внимания теоретические работы Прандтля и Кармана.

Местные гидравлические сопротивления.

Местные потери напора вызываются сопротивлениями в арматуре, фасонных частях и оборудовании, вследствие сужения и расширения потока, изменения направления движения жидкости, слияния и разделения потока и т. п.

Коэффициенты местных сопротивлений, как правило, находят опытным путем.

Внезапное расширение потока поддается теоретическому обоснованию. Из опытов установлено, что поток жидкости, вытекающий из узкой трубы, не сразу заполняет все сечение широкой трубы; он отрывается от стенок и дальше двигается в виде расширяющейся струи. В кольцевом пространстве между струей и стенками трубы жидкость образует завихрения. На некотором расстоянии от расширения трубопровода струя вновь заполняет все сечение. В результате вихревых движений жидкости между сечениями идет постоянный обмен между струей и жидкостью в кольцевом пространстве. В результате этих явлений происходит переход механической энергии в тепловую, что и является причиной потерь напора.

При внезапном сужении канала поток жидкости отрывается от стенок входного участка и лишь затем касается стенок канала меньшего размера. В этой области потока образуются две зоны интенсивного вихреобразования (как в широком участке трубы, так и в узком), в результате чего, как и в предыдущем случае, потери напора складываются из двух составляющих (потерь на трение и при сужении).

 

 

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *