Физические свойства жидкостей

Гидравлика

 

методические указания и контрольное задание для студентов – заочников образовательных учреждений среднего профессионального образования

по специальности

 

         "Сооружение и эксплуатация газонефтепроводов и газонефтехранилищ."

         "Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений"

         "Бурение нефтяных и газовых скважин"

           

 

 

Ижевск

2011 г.

 

Методические указания

составлены в соответствии

с примерной программой

по дисциплине «Гидравлика»

 по специальности 0906,0907,

0905

Зам. директора по УР                                                        _______________Е. А. Волохин

 

Составители:

 

Редактор:

 

Рецензент:

 

 

СОДЕРЖАНИЕ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН

Код

Темы

№п/п

Наименование разделов и тем

Число часов

Всего

В том числе на

Дисплей­ное

Время

лаборат. работы практич. занятия контрол. работы 1 2 3 4 5 6 7 8     Введение 2             РАЗЕЛ 1. Физические свойства жидкостей           01 1.1 Основные физические свойства жидкостей 6 2           Итого к разделу: 6 2           РАЗДЕЛ 2. Гидростатика           02 2.1 Законы гидростатики и их практическое применение 14   2 1 2     Итого по разделу: 14   2 1 2     РАЗДЕЛ 3. Гидродинамика           03 3.1 Основы гидродинамики и уравнение движения жидкости 14 2 2     04 3.2 Гидравлическое сопротивление 16 2 2 1 2 05 3.3 Движение жидкости в трубопроводах 18   2   2 07 3.4 Истечение жидкости из отверстий и насадков 6         08 3.5 Движение жидкости в пористой среде 6         09 3.6 Неньютоновские жидкости 8             Итого по разделу: 68 4 6 1 4     Всего по предмету: 90 6 8 2 6

Примечание. Тематические планы для групп вечернего и заочного обучения составляются предметными /цикловыми/ комиссиями, исходя из объема времени, предусмотренного на изучение предмета, местных условий, характера специальности и контингента учащихся, и утверждаются руководством учебного заведения.

 

 

                                    2. СОДЕРЖАНИЕ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ

РАЗДЕЛ 1

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЖИДКОСТЕЙ

Тема 1.1 Основные физические свойства жидкостей

Определение жидкости. Жидкости капельные и газообразные. Понятие об идеальной и реальной жидкости. Основные свойства жидкости: плотность, сжимаемость, температурное расширение, вязкость /динамическая, кинематическая, условная/, их физический смысл. Поверхностное натяжение, упругость паров. Зависимость физических свойств жидкости от температуры г давления. Приборы для измерения плотности и вязкости.

Литература: 1, с. 7...11

РАЗДЕЛ 2

ГИДРОСТАТИКА

Тема 2.1 Законы гидростатики и их практическое применение

Гидростатическое давление и его свойства. Единицы измерения. Основное уравнение гидростатики. Понятия об абсолютном и избыточном давлениях, пьезометрической высоте. Закон Паскаля. Приборы для измерения давления. Закон Архимеда и его практическое применение.

Приборы, машины, сооружения, принцип действия и расчет которых основаны на законах гидростатики.

Литература: 1, с. 21...52

РАЗДЕЛ 3

ГИДРОДИНАМИКА

Тема 3.1 Основы гидродинамики и уравнения движения жидкости

Основные понятия и определения гидродинамики: установившееся и неустановившееся движение жидкости, равномерное и неравномерное движение, напорное и безнапорное движение, живое сечение потока, смоченный периметр, гидравлический радиус, расход жидкости, средняя скорость.

 

Уравнение расхода жидкости.

Уравнение неразрывности потока жидкости.

Уравнение Бернулли для потока идеальной жидкости.

Уравнение Бернулли для потока реальной жидкости. Энергетический смысл уравнения Бернулли. Графическая иллюстрация уравнения Бернулли. Основное уравнение гидростатики как частный случай уравнения Бернулли.

Явление дросселирование и его практическое применение.

Значение уравнения Бернулли, использование при решении задач и для доказательства других законов.

Приборы для измерения скорости и расхода потока жидкости. Расходомеры, их применение в нефтяной и газовой промышленности.

Общие понятия о гидравлических машинах. Принцип их действия, назначение и область применения. Центробежный насос. Насосная установка. Турбобур.

Литература: 1, с. 57...90

ЗАДАНИЕ НА КОНТРОЛЬНУЮ РАБОТУ

Вариант 1

1. Какое физическое тело называется жидкостью?

2. Каково условие выноса твердых тел восходящим потоком жидкости?

Вариант 2

1. Как определяется сила сопротивления тел при их обтекании?

2. В чем отличие между реальной и идеальной жидкостями?

Вариант 3

1.Что называется плотностью жидкости? Каковы единицы измерения плотности жидкости?

Какие факторы и как влияют на плотность?

2.От каких факторов зависит величина коэффициента местного сопротивления?

Вариант 4

1. Что называется эквивалентной длиной местного сопротивления?

2. Чем характеризуется сжимаемость и температурное расширение капельной жидкости

Вариант 5

1.Что называется давлением насыщения паров жидкости и от чего зависит его величина?

2.Каково влияние вязкости жидкости и диаметра трубопровода на потери напора в нем?

Вариант 6

1.Каковы законы распределения местных скоростей в живом сечении потока при ламинар- ном и турбулентном режимах?

2.Что называется вязкостью жидкости и от чего она зависит?

                                Вариант 7

1.Каковы единицы измерения динамической и кинематической вязкости и какова их взаимосвязь?

2.Каковы основные расчетные формулы для определения λ при турбулентном режиме?

                              

                                Вариант 8

1.В чем заключаются опыты Никурадзе и каковы их результаты?

2.Как называются приборы для измерения плотности и вязкости жидкости? Принцип их действия.

Вариант 9

1.Что называется гидростатическим давлением, в каких единицах оно измеряется?

2.Какие шероховатости называются эквивалентной и относительной?

Вариант 10

1.Что такое осредненная во времени местная скорость жидкости при турбулентном потоке?

2.Какое давление называется избыточным, какое вакуумом?

Вариант 11

1.Каковы основные свойства гидростатического давления?

2.Что определяется по формуле Дарси-Вейсбаха, и как она записывается?

Вариант 12

1.Как определяется число Рейнольдса и чему равно его критическое значение?

2.Как формулируется закон Паскаля?

Вариант 13

1.Как записывается основной закон гидростатики. В каких единицах измеряются величины, входящие в него?

2.Какое движение называется установившимся, какое медленно изменяющимся?

Вариант 14

1. Что называется живым сечением?

2. Какая поверхность называется пьезометрической?

Вариант 15

1.Чем дифференциальный жидкостной манометр отличается от простого и как по его показаниям можно определить разность давлений в точках подключения такого манометра?

2.Как определяется средняя скорость потока, если известен объемный расход жидкости?

Вариант 16

1.Что называется гидравлическим радиусом?

2.В чем преимущества и недостатки механических манометров по сравнению с жидкостными?

Вариант 17

1.Как определяется результирующая сила давления жидкости на плоскую поверхность?

2.Запишите уравнение Бернулли для потока реальной жидкости. Что представляют из себя составляющие части этого уравнения?

Вариант 18

1.Каков физический смысл членов, входящих в уравнение Бернулли?

2.Что называется центром давления и как определяется его координата ℓ_д?

Вариант 19

1.Как определить горизонтальную и вертикальную составляющие силы давления жидкости на криволинейную поверхность и в каких точках они приложены?

2.Что называется гидравлическим уклоном?

Вариант 20

1. Назовите два вида потерь напора.

2. Каково устройство и принцип действия гидравлического пресса?

Вариант 21

1.Что называется телом давления?

2.Почему в расходомере Вентери давление в узком сечении меньше,
чем в широком?

Вариант 22

1.Каково принципиальное устройство скоростной трубки Прандтля и что она измеряет?

2.Как формулируется закон Архимеда?

Вариант 23

1. В чем заключается гидростатический парадокс?

2. По какой формуле определяется полезная мощность насоса?

Вариант 24

1. Выведите и запишите основное уравнение гидростатики.

2. Какие трубопроводы называются сложными, и каковы их основные типы?

Вариант 25

1.Какие формулы применяются для расчета трубопроводов?

2.Как изменяются коэффициент сжимаемости β _v и коэффициент температурного расширения β _t с изменением давления и температуры?

Вариант 26

1.Как записать уравнение баланса напоров в случае, если жидкость по трубопроводу перекачивается насосом?

2.Дайте определение поверхностному натяжению. Опишите механизм возникновения давления поверхностного натяжения.

Вариант 27

1. Что такое гидравлический удар и каковы условия его возникновения?

2. Запишите формулу Менделеева для определения плотности жидкости

Вариант 28

1.Как определить удельный вес жидкости? Чем он отличается от плотности жидкости?

2.Опишите явление кавитации.

Вариант 29

1.Каково условие работы трубопровода, работающего под вакуумом?

2.Что такое параллельно — прямолинейная фильтрация и каков закон Дарси для неё?

Вариант 30

1.Запишите формулу Дюпюи для несжимаемой жидкости. Опишите каждую величину, входящую в эту формулу.

2.Каковы качественные характеристики насадков различного вида и области их применения?

 

 

Задача № 1

 

Вариант 1-10                                  Вариант 11-20

 

Вариант 1-10

 Плотность газа можно определить, пропуская его снизу по вертикальной трубке с очень малой скоростью и замеряя давление в нижней части трубки. При измерении таким образом получаются результаты Н, h. Плотность воздуха ρ _возд =1,23 кг/м³. Манометр заполнен спиртом ρ_сп =790 кг/м³. Определить плотность газа.

Вариант 11-20

Определить давление газа в баллоне Р по показанию h двухжидкостного чашечного манометра, заполненного жидкостями с плотностями р₁, и р₂ и разницу уровней в чашечках манометра Δ h.

Р _атм= 1·10⁵ н /м²

 

 

Варианты

Данные

Н, м h, мм р ₁, КГ/М ³ р₂, кг/м3 Δ h, мм 1 10,5 4.5       2 10 5       3 8.5 5.5       4 8 6       5 12 5       6 12,5 4.5       7 9 6       8 10 6.5       9 14 4       10 15 2.5       11   85 750 1000 3.8 12   88 850 950 3.6 13   92 700 925 3,2 14   95 850 900 3 15   98 800 850 2.6 16   70 850 800 4.5 17   72 900 850 4,4 18   75 925 700 4,2 19   78 950 1000 4 20   90 1000 750 3.4 21   15       22   20       23   30       24   35       25   40       26   28       27   18       28   25       29   33       30   24      

                                                                                                                                                   

Вариант 21-30

Определить с помощью дифференциального манометра разность давлений в точках А и В двух трубопроводов, заполненных жидкостью с ρ_в =980 кг/м³. Высота столба ртути h. Плотность ртути ρ_рт =13600 кг/м³.

Задача № 2

Вариант 1-10

 Определить силу давления воды, приходящуюся на 1 м ширины затвора и центр давления.

Варианты

Дано

h1, м h2, м h, м Угол α, 0 1 5 1,2 3 45 2 6 1,4 3,5 60 3 8 1,6 4 30 4 9 2 5 45 5 10 2,4 6 60 6 12 2 6 60 7 11 2,2 5 60 8 4 1 1 45 9 7 1,5 4 45 10 3 1 0,5 30

Варианты	Дано
	h1, м	h2, м	h, м	а, м	F, н
11			3,2	2
12			4	2,2
13			4	2,4
14			4,2	2,6
1 5			6	3
1 6			4,5	2,8
17			4,4	1,8
18			3	1.6
1 9			4,2	3,2
20			4,6	3,6
21			0.5	0.3	1 57
22			0,8	0.5	160
23			0,8	0.8	1 80
24			1,4	1	200
25			1.6	1,2	220
26			1,8	1,4	240
27			0,8	0,6	160
28			1	0,4	1 58
29			1,8	1,6	300
30			2	2	320

Вариант 11-20

 Затвор квадратного сечения со стороной а, может вращаться вокруг горизонтальной оси О, проходящей через центр затвора. Определить силу F, которую нужно приложить к нижней кромке затвора, чтобы его закрыть, если глубина воды перед затвором h. В штольне справа воздух. Трением пренебречь, ρ _в =1000 кг/м3.

Вариант 21-30

 На вертикальной стенке резервуара, в котором хранится масло с ρ =900 кг/м³ устроено отверстие, перекрытое прямоугольным плоским затвором высотой а. Уровень масла находится на h м выше верхней кромки затвора. Затвор вращается вокруг шарнира А. Определить ширину затвора, чтобы при его закрытии сила не превышала F.

Варианты

Дано

R, м h, м Р м,  аm Р о, аm ℓ, м 1 4,2 6 2,4     2 4 5,8 2,5     3 3,8 5,6 2,6     4 3,6 5,5 2,8     5 3,4 5,2 3     6 3,2 5 3,2     7 3 4,8 3,4     8 4,4 6,2 2,2     9 4,6 6,5 2,4     10 5 7 2     11 1,2   0,5   3 12 1   0,4   2,5 13 0,8   0,3   2,5 14 0,6   0,2   2,4 15 1,4   0,15   3,2 16 1,3   0,2   3,4 17 1,5   0,3   3,5 18 0,7   0,4   2,8 19 1,6   0,5   3,6 20 1,8   0,6   4 21 0,3 2   0,04   22 0,2 2,5   0,03   23 0,4 2,2   0,02   24 0,5 2,8   0,025   25 0,6 3   0,035   26 0,8 1,8   0,04   27 1 2   0,045   28 1,2 2,4   0,05   29 1,4 1,6   0,06   30 1,5 2,7   0,07  

 

Вариант 1-10

 Сферический газгольдер радиусом R при испытании заполнен водой и при помощи насоса в нем создано избыточное давление.

Манометр, установленный возле насоса показывает давление Р_м (труба от газгольдера к насосу заполнена водой). Точка подключения манометра находится на h м ниже центра резервуара.

Вычислить усилия, разрывающие газгольдер по горизонтальному и вертикальному диаметральным сечениям.

Вариант 11-20

 Горизонтальный цилиндрический резервуар, днища которого представляют собой полусферы радиусом R, заполнен водой под давлением. Манометр показывает избыточное давление Р_м. Вычислить усилия, разрывающие резервуар по сечению А—А, и усилия, отрывающие днища резервуара (сечение Б —Б).

Вариант 21-30

  Смотровой люк, устроенный в боковой стенке бензорезервуара, перекрывается полусферической крышкой радиусом R.

Определить отрывающее и сдвигающее усилия, воспринимаемые болтами крышки, если уровень бензина над центром отверстия h,а манометрическое давление паров бензина Р_о. Плотность бензина ρ =700 кг/м³

Вариант 1-10

 Насос подает нефтепродукт с кинематической вязкостью ν, плотностью ρ из открытой емкости в резервуар с избыточным давлением Р_м, кПа на высоту h. При этом расход Q. Данные трубопровода: длина ℓ, диаметр стенок труб d, эквивалентная шероховатость стенок труб ∆, сумма коэффициентов всех местных сопротивлений Σξ=30. Определить полезную мощность насоса.

Вариант 11-20

 Определить предельную высоту установки насоса для всасывания масла h вязкостью ν при подаче Q, считая что абсолютное давление перед входом в насос Р. Размеры трубопровода ℓ, d. Сопротивлением фильтра пренебречь.

Вариант 21-30

 Вода перетекает из бака А в резервуар Б по трубе диаметром d, длиной ℓ. Определить расход воды Q, если избыточное давление в баке А Р_м, высоты уровней h₁ и h₂ Коэффициенты местных сопротивлений на входе в трубу ξ ₁ = 0,5, в вентиле ξ₂= 4, в коленах трубопровода, ξ ₃ = 0,2. Коэффициент гидравлических сопротивлений на трение λ=0,025.

Данные

Варианты

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15 ℓ, м

80

85

90

95

100

105

110

120

115

116

20

22

25

28

30 d, мм

50

25

25

75

75

75

100

100

100

100

20

20

20

40

40 Q, л/с

15

18

20

23

25

28

30

30

40

40

5,0

5,6

5,8

6

6,8 h, м

30

32

34

35

30

28

26

38

42

50

 

 

 

 

  Рм, Мпа

0,2

0,3

0,16

0,25

2

1

0,8

0,6

0,4

0,15

 

 

 

 

  P, Мпа

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,03

0,02

0,04

0,05

0,06 ∆, мм

0,04

0,06

0,05

0,01

0,02

0,04

006

0 01

01

01

0 02

0,02

0,04

0,02

0,2 ν, ст

0,08

2

6,4

1,2

6,4

6,0

1.3

1,3

1,2

18

2090

1780

1560

750

1800 ρ, кг/м^з

890

720

865

736

880

906

892

700

720

910

902

910

906

906

902 h 1, м

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  h 2, м

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Данные

Варианты

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29 30

ℓ, м

35

40

16

10

15

100

102

104

105

110

120

130

200

220 240

D, мм

40

75

75

75

75

200

200

200

150

150

150

300

300

250 200

Q, л/с

7

7,5

8,0

9,0

10,0

 

 

 

 

 

 

 

 

   

H, м

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   

Рм, Мпа

 

 

 

 

 

0,2

0,6

0,8

1,0

0,5

0,4

0,2

1,2

1,4 1,2

Р, Мпа

0,07

0,08

0,09

0,08

0,04

 

 

 

 

 

 

 

 

   

∆, мм

0,2

0,1

0,15

0,3

0,4

 

 

 

 

 

 

 

 

   

ν, ст

1800

750

600

189

22

 

 

 

 

 

 

 

 

   

ρ, кг/м^з

900

905

906

910

902

1000

1000

1000

1000

1000

1000

1000

1000

1000 1000

H 1,м

 

 

 

 

 

1

2

0,4

1,5

1,6

3

3

2,5

0,5 0,25

H2, м

 

 

 

 

 

5

8

6

6,5

3

10

7

7

6 5                                                            

Задача № 5

Вариант 1-10

 Насос, оборудованный воздушным колпаком, перекачивает бензин по  трубопроводу длиной ℓ, диаметром d, толщиной стенок δ в количестве Q. Плотность бензина ρ, модуль упругости бензина K =1,1·10⁹ Па, модуль упругости материала Е=2 ·10¹¹  Па. Определить за какое время необходимо перекрыть задвижку, чтобы ударное повышение давления было меньше 1 МПа.

Вариант 11-20

По трубопроводу длиной ℓ, диаметром d, толщиной стенок δ, соединенному с баком под напором Н, течет вода, модуль упругости которой K =2·10⁹ Па. В некоторый момент времени происходит мгновенное перекрытие потока в конце трубопровода.

   Найти скорость распространения волны гидравлического удара и величину ударного повышения давления, если труба стальная Е=2•10¹¹ Па. Коэффициент гидравлического сопротивления λ.=0,03. Как изменится ударное повышение давления, если стальную трубу заменить чугунной тех же размеров (Е = 0,98· 10¹¹ Па)?

Вариант 21-30

 Бензин с плотностью р подается по трубопроводу длиной ℓ, диаметром d, толщиной стенок δ, с расходом Q. Необходимо определить максимальное ударное повышение давления и время закрытия концевой задвижки, при котором гидравлический удар становится непрямым.

 

Данные

Варианты

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 ℓ, км 5 5,5 6 6,6 7 4,5 4 3,5 3 2 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 d, мм 75 75 100 100 100 50 50 50 25 25 50 75 70 62 65 δ, мм 5 6 7 8 10 8 6 5 3 5 3,5 3 4 5 5 Q, л/с 9 10 12 15 16 14 8 6 7 11 - - - - - Ρ, кг/м³ 740 730 720 710 700 700 760 750 740 745 1000 1000 1000 1000 1000 Н, м - - - - - - - - - - 2,5 3 3,5 4 4,5

 

 

Данные	Варианты
	16	17	18	19	20	21	22	23	24	25	26	27	28	29	30
ℓ, км	0,1	0,2	0,25	0,3	0,4	5	6	7	4	4,5	3	2	1	0,5	0,4
d, мм	75	100	150	25	30	150	125	100	150	200	180	150	140	120	100
δ, мм	6	7	8	3	3	3	3	4	4	5	5	3	3	4	4
Q, л/с	-	-	-	-	-	50	55	60	65	70	75	40	35	30	20
Ρ, кг/м3	1000	1000	1000	1000	1000	700	710	720	730	740	735	725	715	710	700
Н, м	5	1,5	2	2,5	2	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-

Задача № 6

Вариант 1-10

 В горизонтальном трубопроводе длиной ℓ, диаметром d находится нефть, характеризующаяся свойствами вязко-пластичной жидкости. Ее начальное напряжение сдвига τ₀, вязкость μ, плотность ρ. Насос может создать разность д