Направления 23.03.03 Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов

Иркутск – 2018

УДК 532.5 + 621.2

 

Рекомендовано к изданию методическим Советом инженерного факультета Иркутского государственного аграрного университета (протокол № 6 от 22.02.2018 г.).

Рецензенты:

Ильин П.И. к.т.н., доцент, заведующий кафедрой эксплуатации машинно-тракторного парка, безопасности жизнедеятельности и профессионального обучения Иркутского ГАУ

Васильев, Ф.А. Гидравлика: учебно-методическое пособие по изучению дисциплины и задания для контрольных работ / Ф.А. Васильев, В.В. Пальвинский, А.С. Васильева. – Иркутск: Изд-во Иркутского ГАУ им. А.А. Ежевского, 2018. - 88 с.

 

Представлены методические указания по изучению дисциплины «Гидравлика» и задания для выполнения контрольных работ для студентов-заочников направления подготовки 35.03.06 Агроинженерия, по изучению дисциплины «Гидрогазодинамика» для студентов-заочников направления подготовки 13.03.01 Теплоэнергетика и теплотехника, для изучения дисциплины «Гидравлика и гидропневмопривод» для студентов-заочников направления 23.03.03 Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов.

© Ф.А. Васильев, В.В. Пальвинский, А.С. Васильева 2018.

                        © Издательство ИрГАУ, 2018.

ВВЕДЕНИЕ

 

В механизации всех производств агропромышленного комплекса особое место занимают гидравлические процессы. Данный факт требует должной подготовки инженера в сфере гидравлики и её использования в технике.

Методические указания по дисциплине «Гидравлика», «Гидрогазодинамика» и «Гидравлика и гидропневмопривод» для студентов-заочников составлены в соответствии с рабочей программой, утвержденной учебно-методическим объединением вузов.

Целью изучения дисциплины является пoлучение теоретических знаний в сфере гидравлики, гидравлических машин, гидросистем и освоение инженерных методов расчета, выбора и эксплуатации гидравлического оборудования, которая применяется в сельскохозяйственном производстве.

В результате освоения дисциплины студенту необходимо знать: основы гидростатики, динамики и кинематики жидкостей, конструктивное устройство, рабочие процессы, правила эксплуатации, основы теории и расчета эксплуатационных характеристик, основные тенденции улучшения гидравлических машин, оборудований и систем. Также студент должен уметь: решать типовые задачи по гидравлике; выполнять основные расчеты и провести анализ работы гидравлических машин, оборудований, гидро- и пневмосистем в сельском хозяйстве; самостоятельно выбирать их, изучать новую технику, выбирать приемлемые режимы ее работы, которые обеспечивают качественное исполнение технологических процессов.

Изучение дисциплины опирается на знаниях соответствующих разделов физики, высшей математики, теоретической механики, деталей машин и сопротивления материалов.

Полученные знания применяются студентами при освоении профилирующих инженерных дисциплин.

ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

 

Дисциплина «Гидравлика» состоит из пяти разделов: гидравлика; гидравлические машины; основы сельскохозяйственного водоснабжения и гидромелиорации; гидропередачи и гидроприводы сельскохозяйственной техники; гидро- и пневмотранспорт в сельском хозяйстве.

Главной формой занятий по освоению данной дисциплины является самостоятельная работа студента над учебной литературой и выполнением контрольных заданий. Главным образом, следует внимательно познакомиться с программой и выбрать рекомендуемую литературу. Наиболее полное содержание программы изложено в [1, 3, 5]. Примеры решения стандартных задач по гидравлике содержатся в сборнике [10]. Методические материалы по изучению и задания для контрольной работы заимствованы из рекомендованных источников [12, 13].

Порядок изучения разделов и тем рекомендуется такой же, как приводится в рабочей программе и методических указаниях. Приступая к изучению тем, нужно вначале узнать по программе и методическим указаниям область рассматриваемых вопросов. Далее освоить материал темы по предложенной рекомендуемой литературе; выделить основные вопросы; законспектировать основные положения; вывести основные уравнения; ответить на вопросы для самостоятельной проверки, приведенные в методических указаниях, после этого решить задачи контрольной работы, относящиеся к данной теме.

По изучаемой дисциплине студенту-заочнику необходимо выполнить 2 (две) контрольные работы. В первую работу входит 9 задач по главным темам общей гидравлики, во вторую - 3 задачи по остальным разделам дисциплины. Номера задач контрольной работы выбираются по двум последним цифрам номера зачетной книжки (шифра) студента посредством нижеприведенных таблиц на пересечении соответствующих данным цифрам строк по горизонтали и колонок по вертикали.

Номера задач контрольной работы № 1

Последняя цифра шифра	Предпоследняя цифра шифра
	0	1	2	3	4
0	10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90	1, 12, 23, 34, 45, 56, 67, 78, 89	10, 19, 28, 37, 46, 55, 64, 73, 82	2, 14, 26, 38, 50, 52, 64, 76, 88	3, 11, 29, 37, 45, 53, 61, 79, 87
1	1, 11, 21, 31, 41, 51, 61, 71, 81	2, 13, 24, 35, 46, 57, 68, 79, 90	9, 18, 27, 36, 45, 54, 63, 72, 81	3, 15, 27, 39, 41, 53, 65, 77, 89	4, 12, 30, 38, 46, 54, 62, 80, 88
2	2, 12, 22, 32, 42, 52, 62, 72, 82	3, 14, 25, 36, 47, 58, 69, 80, 81	8, 17, 26, 35, 44, 53, 62, 71, 90	4, 16, 28, 40, 42, 54, 66, 78, 90	5, 13, 21, 39, 47, 55, 63, 71, 89
3	3, 13, 23, 33, 43, 53, 63, 73, 83	4, 15, 26, 37, 48, 59, 70, 71, 82	7, 16, 25, 34, 43, 52, 61, 80, 89	5, 17, 29, 31, 43, 55, 67, 79, 81	6, 14, 22, 40, 48, 56, 64, 72, 90
4	4, 14, 24, 34, 44, 54, 64, 74, 84	5, 16, 27, 38, 49, 60, 61, 72, 83	6, 15, 24, 33, 42, 51, 70, 79, 88	6, 18, 30, 32, 44, 56, 68, 80, 82	7, 15, 23, 31, 49, 57, 65, 73, 81
5	5, 15, 25, 35, 45, 55, 65, 75, 85	6, 17, 28, 39, 50, 51, 62, 73, 84	5, 14, 23, 32, 41, 60, 69, 78, 87	7, 19, 21, 33, 45, 57, 69, 71, 83	8, 16, 24, 32, 50, 58, 66, 74, 82
6	6, 16, 26, 36, 46, 56, 66, 76, 86	7, 18, 29, 40, 41, 52, 63, 74, 85	4, 13, 22, 31, 50, 59, 68, 77, 86	8, 20, 22, 34, 46, 58, 70, 72, 84	9, 17, 25, 33, 41, 59, 67, 75, 83
7	7, 17, 27, 37, 47, 57, 67, 77, 87	8, 19, 30, 31, 42, 53, 64, 75, 86	3, 12, 21, 40, 49, 58, 67, 76, 85	9, 11, 23, 35, 47, 59, 61, 73, 85	10, 18, 26, 34, 42, 60, 66, 76, 84
8	8, 18, 28, 38, 48, 58, 68, 78, 88	9, 20, 21, 32, 43, 54, 65, 76, 87	2, 11, 30, 39, 48, 57, 66, 75, 84	10, 12, 24, 36, 48, 60, 62, 74, 86	1, 19, 27, 35, 43, 51, 69, 77, 85
9	9, 19, 29, 39, 49, 59, 69, 79, 89	10, 11, 22, 33, 44, 55, 66, 77, 88	1, 20, 29, 38, 47, 56, 65, 74, 83	1, 13, 25, 37, 49, 51, 63, 75, 87	2, 20, 28, 36, 44, 52, 70, 78, 86

Продолжение

Последняя цифра шифра	Предпоследняя цифра шифра
	5	6	7	8	9
0	5, 14, 25, 34, 45, 54, 65, 74, 85	6, 17, 26, 37, 47, 56, 66, 79, 82	7, 20, 23, 36, 49, 53, 70, 77, 84	8, 15, 22, 39, 46, 54, 69, 74, 89	9, 14, 29, 34, 49, 53, 66, 79, 82
1	6, 15, 26, 35, 46, 55, 66, 75, 86	5, 16, 25, 36, 45, 56, 65, 76, 85	8, 11, 24, 37, 50, 52, 65, 78, 90	9, 16, 23, 40, 47, 54, 61, 78, 85	10, 16, 23, 39, 45, 51, 67, 73, 88
2	7, 16, 27, 36, 47, 56, 67, 76, 87	4, 15, 24, 35, 44, 55, 64, 75, 84	9, 12, 25, 38, 41, 54, 67, 80, 83	10, 17, 24, 31, 48, 55, 62, 79, 86	1, 16, 21, 36, 41, 56, 61, 76, 81
3	8, 17, 26, 37, 48, 57, 65,77, 88	3, 14, 23, 34, 43, 54, 63, 74, 83	10, 13, 26, 39, 42, 55, 68, 71, 84	7, 14, 21, 38, 45, 52, 69, 76, 83	4, 20, 26, 32, 48, 54, 70, 76, 82
4	9, 18, 29, 38, 49, 58, 69, 78, 89	2, 13, 22, 33, 42, 53, 62, 73, 82	1, 14, 27, 40, 43, 56, 69, 72, 85	6, 13, 30, 37, 44, 51, 68, 75, 82	5, 11, 27, 33, 49, 55, 61, 77, 83
5	10, 19, 30, 39, 50, 59, 70, 79, 90	1, 12, 21, 32, 41, 52, 61, 72, 81	2, 15, 28, 31, 44, 57, 70, 73, 86	5, 12, 29, 36, 43, 60, 67, 74, 81	8, 14, 30, 36, 42, 58, 64, 80, 86
6	2, 11, 22, 31, 42, 51, 62, 71, 82	7, 18, 27, 38, 47, 58, 67, 78, 87	3, 16, 29, 32, 45, 58, 61, 74, 87	1, 18, 25, 32, 49, 56, 63, 80, 87	7, 13, 29, 35, 41, 57, 63, 79, 85
7	3, 12, 23, 31, 43, 52, 63, 72, 83,	10, 11, 30, 31, 50, 61, 70, 71, 90	4, 17, 30, 33, 46, 59, 62, 75, 88	2, 19, 26, 33, 50, 57, 64, 71, 88	6, 12, 28, 34, 50, 56, 62, 78, 85
8	4, 13, 24, 33, 44, 53, 64, 73, 84	9, 20, 29, 40, 49, 60, 69, 80, 89	5, 18, 21, 34, 47, 60, 63, 76, 89	3, 20, 27, 34, 41, 58, 75, 72, 89	2, 17, 23, 39, 45, 51, 67, 73, 89
9	1, 20, 21, 40, 41, 60, 61, 80, 81	8, 19, 28, 39, 48, 59, 68, 79, 88	6, 19, 22, 35, 48, 51, 64, 77, 90	4, 11, 28, 35, 42, 59, 66, 73, 90	3, 18, 24, 40, 46, 52, 68, 74, 90

 

Номера задач контрольной работы № 2

Последняя цифра шифра	Предпоследняя цифра шифра
	0	1	2	3	4
0	91, 103, 115	100, 108, 116	92, 105, 118	99, 106, 113	93, 107, 111
1	92, 104, 116	99, 107, 115	93, 106, 119	98, 105, 112	94, 108, 112
2	93, 105, 117	98, 108, 114	94, 107, 120	97, 104, 111	91, 105, 119
3	94, 106, 118	97, 105, 113	95, 108, 111	96, 103, 120	99, 103, 117
4	95, 107, 119	96, 104, 112	96, 109, 112	94, 101, 118	97, 101, 115
5	96, 108, 120	95, 103, 111	97, 110, 113	93, 110, 117	98, 102, 116
6	97, 109, 111	94, 102, 120	91, 104, 117	92, 109, 116	92, 106, 120
7	98, 110, 112	93, 101, 119	100, 103, 116	95, 102, 119	95, 109, 113
8	99, 101, 113	92, 110, 118	98, 101, 114	100, 107, 114	96, 110, 114
9	100, 102, 114	91, 109, 117	99, 102, 115	91, 108, 115	100, 104, 118

Продолжение

Последняя цифра шифра	Предпоследняя цифра шифра
	5	6	7	8	9
0	98, 104, 120	94, 104, 114	95, 106, 117	97, 106, 115	96, 102, 118
1	100, 106, 112	95, 105, 115	96, 107, 118	96, 105, 114	97, 103, 119
2	99, 105, 111	96, 106, 116	97, 108, 119	95, 104, 113	98, 104, 120
3	97, 103, 119	97, 107, 117	98, 109, 120	94, 103, 112	99, 105, 111
4	91, 107, 113	98, 108, 118	99, 110, 111	93, 102, 111	100, 106, 112
5	92, 108, 114	99, 109, 119	100, 101, 112	92, 101, 120	91, 107, 113
6	93, 109, 115	100, 110, 120	91, 102, 113	100, 109, 118	92, 108, 114
7	94, 101, 116	91, 101, 111	92, 103, 114	99, 108, 117	93, 109,115
8	95,101,117	92,102,112	93,104,115	91,110,119	94, 110, 116
9	96, 102, 118	93, 103, 113	94, 105, 116	98, 107, 116	95, 101, 117

 

Условие каждой задачи должно быть записано полностью. Решения задач нужно кратко пояснять. Рисунки и схемы выполняются четко и аккуратно, чертежи и графики в удобных для чтения масштабах. Эмпирические формулы, величины коэффициентов и другие справочные, используемые в расчетах, должны сопровождаться ссылками (однократно) на литературные источники. Числовые значения величин располагаются в порядке написания их обозначений в формуле. Все измерения и вычисления необходимо выполнять в Международной системе единиц (СИ). При подстановке величин в формулы нужно следить за соблюдением размерностей. Единицы измерения употребляемых и получаемых в расчетах физических величин должны быть обязательно указаны.

При необходимости многократного выполнения однотипных расчетов показывается в полном объеме только один пример расчета, а результаты остальных сводятся в таблицы. При этом в тексте нужно дать пояснения к составлению таблицы и выводы по полученным результатам.

В межсессионный период организованно проводятся консультации по изучению дисциплины и выполнению контрольных работ. Каждую контрольную работу студент защищает на устном собеседовании в установленном порядке.

Во время экзаменационной сессии студенты прослушивают лекции по наиболее сложным и актуальным вопросам (8 часов), выполняют лабораторные работы (8 часов). Перечень и объемы лабораторных работ устанавливаются кафедрой в соответствии с программой. Выполненные лабораторные работы необходимо оформить в отчеты и защитить. Допуск к экзамену по дисциплине «Гидравлика» студент получает после успешной защиты всех лабораторных и контрольных работ.

Порядок проведения экзамена по дисциплине определяется кафедрой. Он доводится заблаговременно до сведения студентов.

 

Библиографический список

Основной

1. Штеренлихт, Д.В. Гидравлика: учеб. для вузов / Д.В. Штеренлихт. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: КолосС, 2008. - 655 с.: ил.; 22 см. - (Учебники и учеб.пособия для студентов высш. учеб. заведений). - ISBN 978-5-9532-0595-5

2. Гидравлика и гидравлические машины [Текст]: учеб. пособие / Ю. И. Разинов, П. П. Суханов. - Электрон. текстовые дан. - Казань: КГТУ, 2010. - 159 с.

3. Исаев А.П., Сергеев Б.И., Дидур В.А. Гидравлика и гидро­механизация сельскохозяйственных процессов. - М.: Агропромиздат, 1990. - 400 с.

4. Чугаев Р.Р. Гидравлика. Учебник. - Л.: Энергоатомиздат, 1982. - 672 с.

5. Башта Т.М. и др. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы. M.: Машиностроение, 1982. - 423 с.

 

Дополнительный

6. Штеренлихт Д.В. Гидравлика. Учебник. – М.: Энергоатомиздат, 1991, кн. 1, 2. - 351 с.; 367 с.; доп. тираж – кн.1, 2, 3, 4. - 151 с., 197 с., 180 с., 190 с. – М.: Энергоатомиздат, 1993

7. Гидравлика, гидромашины и гидропневмопривод: учеб.пособие для вузов / Т. В. Артемьева [и др.]; под ред. С. П. Стесина. - М.: Академия, 2005. - 335 с.

8. Гидравлика: учеб. пособие для вузов / В. А. Кудинов, Э. М. Карташов. - М.: Высш. шк., 2006. - 175 с.

9. Вильнер Я. М. и др. Справочное пособие по гидравлике, гидромашинам и гидроприводам. - Мн.: Вышэйшая школа, 1985. - 382 с.

10. Сборник задач по машиностроительной гидравлике. Под ред. И.И. Куколевского и Л.Г. Подвидза. - М.: Машиностроение, 1982. - 472 с.

11. Сборник задач по гидравлике и газодинамике. Под ред. Г.Д. Розенберга. Учебное пособие. - М.: Недра, 1990. – 240 с.

12. Основы гидравлики и гидропривода: Методические указания / Белорусская государственная сельскохозяйственная академия; Сост. М. А. Жарский, А. В. Поздняков. - Горки, 2004. - 48 с.

13. Гидравлика и гидравлические машины: Методические указания по изучению дисциплины / Белорусская сельскохозяйственная академия; Сост. М.А. Жарский, А.В. Поздняков, М., 1994. – 75 с.

14.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ИЗУЧЕНИЮ СОДЕРЖАНИЯ РАЗДЕЛОВ ДИСЦИПЛИНЫ

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

 

Необходимо студенту понять предмет, цели и задачи дисциплины «Гидравлика»; определения понятий: гидравлическая машина, насос, гидравлический двигатель, гидравлическая передача, гидравлический привод, гидравлическая система. Изучить историю развития науки гидравлики и гидравлических машин, функцией и значением их в решении инженерных задач по механизации и автоматизации сельскохозяйственных производственных процессов.

 

1 ГИДРАВЛИКА

1.1 Основные физические свойства жидкостей и газов

 

Необходимо уяснить понятия жидкости или газа как сплошной непрерывной среды и жидкой частицы, так бесконечно малого объема данной среды, однако во много раз большего, чем объем молекулы. При изучении движения и равновесия жидкостей, газов жидкая частица представляет собой материальный объект, к которому применяются все законы механики. В результате, возможно использование для исследований явлений и процессов, как в жидкостях, так и в газах математический аппарат бесконечно малых величин и теорию непрерывных функций.

В жидкости существуют поверхностные силы (растяжения, сжатия, трения) - приложенные к поверхностям, которые ограничивают ее объем; массовые силы (инерции, тяжести, электромагнитные) - распределенные по всей массе. Учитывая непрерывность среды удобно применять единичные (удельные) силы. Удельная поверхностная сила (приходящаяся на единицу площади) представляет собой напряжение (нормальное, касательное); удельная массовая сила на единицу массы представляет собой ускорение.

Также необходимо понять физические свойства жидкостей: сжимаемость, вязкость, температурное расширение, парообразование, поверхностное натяжение, растворение газов и показатели, которые характеризуют данные свойства. Узнать: зависимость плотности, модуля упругости, вязкости жидкости от температуры и давления, также при каких условиях жидкость допустимо считать несжимаемой.

Необходимо запомнить единицы измерения всех используемых гидравлических величин в системе единиц СИ, как и перевод основных единиц системы МКГСС в систему СИ. Не допускается использовать неувязку единиц измерений, которые приводят к грубейшим ошибкам в математических расчетах.

Важно понять такие понятия жидкости как реальная, идеальная, ньютоновская, неньютоновская (аномальная).

 

Вопросы для самостоятельной проверки

1. Как определить плотность; модуль упругости; коэффициент температурного расширения жидкости?

2. Дайте определение понятиям как динамическая и кинематическая вязкость? Как их определить?

3. Влияние изменения давления и температуры на плотность, модуль упругости и вязкость жидкостей?

4. Что такое давление насыщенного пара жидкости? От чего оно зависит?

5. От чего зависит растворимость воздуха и других газов в жидкости?

6. Отличие идеальной жидкости от реальной?

7. В каких случаях можно, а в каких нельзя пренебречь сжимаемостью жидкости?

8. Дайте определения и приведите примеры ньютоновской и неньютоновской жидкостей.

 

1.2 Гидростатика

 

Гидростатика является разделом гидравлики, в котором рассматриваются законы равновесия жидкости и их практическое применение.

В жидкости, находящейся в состоянии покоя действуют лишь нормальные напряжения сжатия, т.е. гидростатическое давление. Важно уяснить, что такое гидростатическое давление в точке и какими свойствами обладает.

Также способным вывести и проанализировать дифференциальные уравнения равновесия несжимаемой жидкости (уравнения Эйлера), уяснить смысл уравнения поверхности одинаковых давлений. Через интегрирование уравнений Эйлера при разном сочетании действующих массовых сил (тяжести и инерции) получить уравнения поверхностей одинаковых давлений и уравнения распределения давлений для абсолютного покоя и разных случаев относительного покоя жидкости. Из данных уравнений преимущественно широко используется основное уравнение гидростатики, которое получают для условий абсолютного покоя (когда из массовых сил действует только сила тяжести). Необходимо глубже вникнуть в физический смысл основного уравнения гидростатики, закона Паскаля.

Понять измерения гидростатического давления: уяснить такие понятия как избыточного, абсолютного и вакуумметрического давлений, пьезометрической и вакуумметрической высот, гидростатического напора: изучить устройства соответствующих приборов для измерения давлений и напора.

Также необходимо разобраться, как вывести закон сообщающихся сосудов.

Знать методы определения сил давления жидкости на плоскую и криволинейную поверхности: аналитический и графоаналитический методы; уметь определять как в первом, так и во втором случаях положение центра давления.

Изучить вывод закона Архимеда, условия плавания и статической устойчивости тел.

Необходимо понять принципы применения закона гидростатики в простейших поршневых гидравлических машинах (преобразователь давления, пресс, гидравлический аккумулятор). Для них характерны большие гидростатические давления, создаваемые поршнями, относительно небольшие разности высотных отметок разных точек жидкости, а также малые скорости перемещения поршней. В результате, это позволяет пренебречь в математических расчетах удельной потенциальной энергией положения, удельной кинетической энергией жидкости и считать давление во всех точках замкнутого объема одинаковым.

 

Вопросы для самостоятельной проверки

1. Дайте определение гидростатического давления, а также, какими свойствами оно может обладать?

2. Напишите основное уравнение гидростатики в двух вариантах, чтобы все члены уравнения имели:

а) размерность напора;

б) размерность давления.

Объясните какой энергетический смысл данных уравнений.

3. Дайте определение абсолютного и относительного покоя жидкости?

4. Поясните вид свободной поверхности жидкости при разных условиях:

а) в цистерне, движущейся по горизонтальной поверхности равноускорено (при положительном и отрицательном ускорениях);

б) в сосуде, вращающемся вокруг вертикальной оси с постоянной угловой скоростью.

5. Дайте определение понятиям абсолютного, избыточного давлений и вакуума. Как можно измерить избыточное и вакууметрическое давления?

6. Объясните, как можно определить силу давления жидкости на плоскую поверхность и центр давления аналитическим и графо-аналитическим методами?

7. Как узнать силу давления жидкости на криволинейную поверхность и линию действия данной силы?

8. Сформулируйте закон Архимеда.

9. Какие устройства можно конструировать на основе закона Паскаля?

 

1.3 Основы кинематики и динамики жидкости

 

В данном разделе гидравлики рассматриваются законы движения жидкостей.

Во-первых, необходимо изучить разные виды движения жидкости, уделив, особое внимание на понятия установившегося и неустановившегося движения. Движение называется установившимся, если скорость и давление жидкости в данной рассматриваемой точке с течением времени не изменяются, а при неустановившемся соответственно изменяются.

Уяснить методы Лагранжа и Эйлера изучения движения жидкости и понять их принципиальное отличие. Уяснить понятия линии и трубки тока, потока, элементарной струйки представив струйную модель движения жидкости. Нужно знать параметры, которые характеризуют поток: гидравлический радиус, расход, площадь живого сечения, среднюю скорость в данном сечении. Следует знать и уметь использовать уравнение неразрывности потока, которое представляет собой в гидравлике закон сохранения массы вещества.

Изучить дифференциальные уравнения движения невязкой жидкости и уметь их выводить (уравнения Эйлера). Понять, как на их основе можно получить уравнение Д. Бернулли для элементарной струйки идеальной жидкости; при установившемся движении как особый случай, когда из массовых сил в жидкости воздействуют исключительно силы тяжести. Также обратить внимание на уравнение Бернулли для элементарной струйки вязкой жидкости и пояснить в чем заключается его особенность.

Уравнение Бернулли для потока реальной (вязкой) жидкости является одним из основных уравнений гидродинамики, которое выражает закон сохранения энергии для двух живых сечений в потоке жидкости сравнительно выбранной плоскости сравнения. При выведении уравнения Бернулли принимается гидростатический закон распределения давления, что справедливо при установившемся плавно изменяющемся движении. В случае если остановить поток, то уравнение Бернулли преобразуется в основное уравнение гидростатики. Особое внимание обратить на вычисление удельной кинетической энергии при средней скорости в живом сечении. Уяснить физический смысл коэффициента кинетической энергии. Уравнение Бернулли допускается использовать в 3 вариантах записи. В первом варианте каждый его член является энергией, приходящейся на единицу веса, т.е. напор и измеряется в метрах; во втором случае на единицу объема, т.е. давление и измеряется в Па; в третьем — на единицу массы и измеряется в м²/с².

В первом случае особенно удобно и доступно представляет физический смысл уравнения, следовательно, широко применяется в гидравлических расчетах. Нужно, хорошо представлять геометрическую и физическую (энергетическую) интерпретацию данного уравнения.

Применяя уравнение Бернулли при решении гидравлических задач, необходимо руководствоваться следующими предположениями: 1) оно верно для установившегося движения несжимаемой жидкости, в которой из массовых сил действует, только сила тяжести; 2) живые сечения, для которых оно подбирается, выбираются на прямолинейных участках потока; между данными сечениями не должно быть потребителя (источника) энергии (насоса или гидравлического двигателя); 3) живые сечения и горизон­тальная плоскость сравнения, относительно которой вычис­ляется удельная энергия, подбираются так, чтобы в уравнении Бернулли неизвестной была лишь одна величина, которую необходимо определить.

Весьма часто уравнение Бернулли применяется вместе с уравнением неразрывности потока, которое даёт вероятность решать задачу с двумя неизвестными.

При решении уравнения Бернулли надо численно определять общие потери напора на участке потока между выбранными сечениями. Познакомиться с различными видами гидравлических потерь напора (давления) в потоке и общими математическими выражениями для их исчисления. Понять принцип сложения данных потерь на последовательно расположенных участках потока и понятие гидравлического уклона.

При помощи уравнения количества движения можно решить несколько задач в гидродинамике (гидравлический удар в трубопроводе, воздействие струи на преграду и др.). Нужно понять вывод и физический смысл данного уравнения.

 

Вопросы для самостоятельной проверки

1. Перечислите виды движения жидкости.

2. В чем сущность отличия методов Лагранжа и Эйлера в изучении движения жидкости?

3. Дайте определение понятиям линия тока, элементарная струйка, поток жидкости?

4. Какие параметры относятся к потоку жидкости? Как данные параметры определяются?

5. Охарактеризуйте уравнения неразрывности потока для несжимаемой и сжимаемой жидкостей?

6. Приведите уравнение Бернулли для потока вязкой несжимаемой жидкости. Поясните физический смысл членов данного уравнения.

7. Дайте определение пьезометрического уклона.

8. Приведите уравнение количества движения и поясните его физический смысл.

 

1.4 Гидродинамическое подобие и режимы движения жидкости

 

Гидродинамически подобные потоки – это потоки, в которых одноименные геометрические элементы и физические величины в равнозначащих точках и направлениях имеют подобные отношения. Посредством законов гидродинамического подобия величины с модельных объектов на натурные пересчитываются.

В основном, необходимо понять, сущность кинематического, геометрического, динамического подобия потоков. Далее пояснить математическое выражение, также физический смысл и условие применяемости критериев подобия: Эйлера, Ньютона, Фруда, Рейнольдса. Познакомиться с режимами движения жидкости (турбулентным и ламинарным). Изучить схему прибора Рейнольдса для демонстрации движения жидкости. Пояснить критическое число Рейнольдса.

 

Вопросы для самостоятельной проверки

1. Поясните сущность принципов кинематического, геометрического и динамического подобия?

2. Поясните физический смысл и правила применяемости критериев подобия Рейнольдса, Эйлера и Фруда.

3. Ознакомиться со структурой потока ламинарного и турбулентного режимов движения?

4. Перечислите физические величины, влияющие на режим движения жидкости?

5. Как посчитать критическое число Рейнольдса для движения жидкости в некруглых трубах?

 

1.5 Потери энергии при установившемся движении жидкости

 

При изучении данной темы, нужно выяснить взаимосвязь потерь напора с видом сопротивления, величинами потока, режимом движения жидкости и относительной шероховатостью стенок трубы или канала.

Вывести основное уравнение равномерного движения жидкости. Ознакомиться с основами теории ламинарного истечения жидкости в трубах; в зазоре между двумя стенками; обратите внимание, как распределяются касательные напряжения и скорости по сечению трубы; на вывод формулы Дарси - Вейсбаха при определении потерь напора по длине. Докажите, что при ламинарном режиме потери напора по всей длине пропорциональны средней скорости в первой степени, а коэффициент кинетической энергии равен 2,0.

Изучить особенности турбулентного режима жидкости. Пояснить определение осредненной скорости в данной точке и различие его от понятия средней скорости живого сечения потока. Пояснить математическую модель турбулентного потока жидкости. Пояснить, из-за чего коэффициент кинетической энергии турбулентного потока в виду возрастания критерия Рейнольдса от критической величины до больших значений изменяется в узких пределах от 1,13 до 1,0.

Охарактеризовать области гидравлических сопротивлений: гладких труб; переходной; шероховатых труб или квадратичной; знать, как определить каждую область гидравлического коэффициента трения по известным формулам (Альтшуля, Блазиуса и Прандтля), также и по графикам Никурадзе и Мурина.

Привести формулу Вейсбаха чтобы определить местные потери напора. Ознакомиться с главными видами местных сопротивлений, также формулами и выражениями коэффициентов местных сопротивлений.

 

Вопросы для самостоятельной проверки

1. Объяснить взаимосвязь касательных напряжений на стенках, трубах с гидравлическим радиусом и уклоном?

2.  Объяснить распределение напряжений и касательных скоростей в сечении ламинарного потока жидкости.

3.  Назвать параметры, от которых может зависеть гидравлический коэффициент трения из-за ламинарного режима движения жидкости?

4. Вследствие чего потери напора по длине в ламинарном течении пропорционально средней скорости в первой степени?

5.  Пояснить отличие понятий осредненной (местной) и средней скоростей в сечении турбулентного потока?

6. Как именно распределяются скорости в сечении трубы в виду турбулентного течения жидкости?

7.  Из-за чего одна и та же труба в одном случае может быть гидравлически гладкой, а в ином гидравлически шероховатой?

8.  Как определяется и от чего может зависеть гидравлический коэффициент трения в разных зонах сопротивления?

9.  Дать определение понятию местного сопротивления.

10. Как вычислить давление и потери напора на местных сопротивлениях?

11. Объяснить от чего зависит значения коэффициентов местных сопротивлений: при внезапном и плавном сужении и расширении, резком и плавном поворотов, задвижки?

 

1.6 Истечение жидкости через насадки и отверстия 

Гидравлические струи

 

Основной целью темы является получение расчетных уравнений с целью определения скоростей и расходов при истечении жидкости через насадки и отверстия разной формы при постоянном напоре; времени истечения при переменном напоре; высоты; дальности и силы давления струи.

Изучить истечение жидкости сквозь малого отверстия в тонкой стенке вследствие постоянного напора в резервуаре. Объяснить понятия: малое отверстие, тонкая стенка, затопленное и незатопленное отверстия, совершенное и несовершенное сжатие струи. Вывести на основании уравнения Бернулли формулы определения расхода и скорости жидкости при истечении сквозь малое отверстие. Пояснить физический смысл коэффициентов скорости и расхода, также методику экспериментального определения. Изучить специфику определения расхода и скорости при истечении сквозь затопленное отверстие.

Объяснить понятие насадка, а также знать применяемые конструктивные виды насадок. Уметь вывести формулу при определении расхода и скорости жидкости сквозь внешний цилиндрический насадок. Уметь определить критического значения напора, выше которого происходит срыв вакуума в сжатом сечении насадка.

Также рассмотреть другие виды насадок (внутренний цилиндрический; расходящийся и сходящийся конические; коноидальный), их пропускную способность в сравнении с отверстием в тонкой стенке.

Изучить истечение жидкости в случае освобождения резервуара при переменном напоре. Вывести формулы при определении времени истечения в заданных точках изменения уровня жидкости.

Изучить виды различных гидравлических струй. Объяснить структуру затопленной и незатопленной струй. Познакомиться с уравнениями для определения дальности и высоты полета незатопленной свободной струи; силы давления струи на препятствия; реактивной силы струи.

 

 

Вопросы для самостоятельной проверки

1. Дать определение малого отверстия?

2. Пояснить взаимосвязь коэффициентов скорости, сжатия, расхода и местного сопротивления малого отверстия? Объяснить физический смысл данных коэффициентов?

3. От чего может зависеть расход жидкости сквозь малое отверстие в тонкой стенке?

4. Дать определение понятию насадок? Перечислить виды насадок и рассказать их применение на практике?

5. Из-за чего при установке насадка возрастает расход по сравнению с истечением сквозь отверстие одинакового сечения?

6. Перечислить параметры, от которых зависит время опорожнения резервуара?

7. Дать определение незатопленной, затопленной и свободной струй.

8. Перечислить параметры, определяющие высоту полета вертикальной струи и расстояние полета дождевальной струи?

 

1.7 Гидравлический расчет трубопроводов

 

Главной целью гидравлического расчета трубопровода заключается в определении по двум известным величинам третьей: расхода жидкости и напора на входе или диаметра труб.

Познакомиться с классификацией трубопроводов. Рассмотреть различные способы математического расчета простых коротких и длинных трубопроводов. Уравнение Бернулли применяется при расчете коротких трубопроводов и неразрывности потока; формулы для определения потери напора по длине, а также местных потерь. Расчет длинных трубопроводов определяется по более простому уравнению Бернулли. Вместе с тем пренебрегают скоростными напорами, так как они являются очень малыми значениями сравнительно с другими членами уравнения. В результате, линия полной удельной энергии соответствует пьезометрической. Местные потери напора считают равными 5…15% от потерь напора по длине.

Рассмотреть принципы расчета трубопровода, состоящего из последовательно соединенных труб различных диаметров, а также при параллельном соединении труб.

Пояснить специфику расчета потери напора в трубопроводе с постоянно распределенным путевым расходом.

Рассмотреть методику расчета разомкнутой или тупиковой сети. Изучить расчет сложного кольцевого трубопровода.

Рассмотреть главные принципы образования гидравлического удара в трубопроводе. Ознакомиться с выводом формулы Н.Е. Жуковского при определении повышения давления во время мгновенного закрытия затвора. Провести анализ формулы Н. Е. Жуковского для расчета скорости распределения ударной волны внутри трубопровода с упругой стенкой. Пояснить специфику расчета гидравлического удара при постепенном закрытии затвора. Познакомиться с методами предотвращения и использования гидравлических ударов.

 

Вопросы для самостоятельной проверки

1. Классификация трубопроводов.

2. В чем отличие расчетов длинных и коротких трубопроводов?

3. Перечислите факторы, от которых зависит сопротивление трубопровода?

4. Пояснить, что означает и как определяется экономически выгодный диаметр трубопровода?

5. Как определяется общее сопротивление трубопровода при параллельном и последовательном соединении участков труб?

6. Объяснить методику математического расчета сложного разомкнутого трубопровода.

7. Перечислить принципы основы расчета сложного кольцевого трубопровода?

8. Дать определение фазы гидравлического удара?

9. Как определяется повышение давления при гидравлическом ударе?

10. От каких показателей зависит скорость распределения ударной волны в жидкости?

11. Перечислить меры, которые необходимы для понижения давления при гидравлических ударах?

12. Перечислите устройства, где применяется целесообразно явление гидравлического удара?

 

2 ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ МАШИНЫ

2.1 Общие сведения о гидравлических машинах

 

Познакомиться с классификацией и сферами применения гидравлических машин. Пояснить основные параметры, которые характеризуют работу гидравлической машины: подача или расход; напор или рабочий перепад давления; мощность потребляемая и полезная, а также коэффициент полезного действия (КПД).

 

Вопросы для самостоятельной проверки

1. Дать классификацию гидравлических маш