Министерство сельского хозяйства РФ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Министерство сельского хозяйства РФ
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Пермская государственная сельскохозяйственная
академия имени академика Д.Н. Прянишникова»
Кафедра «Технологическое оборудование в животноводстве»
Методические указания по изучению дисциплины «Гидравлика»
и задания для контрольной работы для студентов заочного обучения
специальностей:
110301 – «Механизация сельского хозяйства»
110304 – «Технология обслуживания и ремонта машин в агропромышленном
комплексе»
280101 – «Безопасность жизнедеятельности (в техносфере)»
190603 – «Сервис транспортных и технологических машин и оборудования (в
автомобильном транспорте)»
270102 – «Промышленное и гражданское строительство»
270114 – «Проектирование зданий»
Пермь, 2009
Настоящие методические указания предназначены для студентов-заочников
2-х и 3-х курсов (4 и 6 лет обучения) специальностей: 110301, 110304, 280101,
190603, 270102, 270114, изучающих гидравлику.
Рассмотрены особенности изучения тем учебной дисциплины: физические
свойства
жидкостей и газов (тема 1), основы гидростатики (тема 2), основы
кинематики жидкости (тема 3), режимы движения жидкости (тема 4), уравнение
движения и уравнение энергии (тема 5), одномерные потоки жидкостей и газов
(тема 6), гидравлические машины (тема 7), гидропередачи и гидропневмоприводы
в сельскохозяйственной технике (тема 8), гидро- и пневмотранспорт в сельском
хозяйстве
(тема
9),
и
основы
сельскохозяйственного
водоснабжения
и
гидромелиорации (тема 10). По каждой теме приведены вопросы для
самоконтроля, а по ряду тем – задания для контрольной работы.
Методические указания подготовлены доцентом, к.т.н. Кошман В.С.
Рассмотрены на заседании кафедры ТОЖ (протокол № 6 от 10.03.2009г.) и
рекомендованы к изданию методической комиссией инженерного факультета
(протокол № 8 от 15.04.2009г.)
2
СОДЕРЖАНИЕ
РАЗДЕЛ 1. ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ .................................
ПО ИЗУЧЕНИЮ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ........................................................ 4
Литература ................................................................................................................ 7
РАЗДЕЛ 2. СОДЕРЖАНИЕ ТЕМ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ И ..........................
МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ИХ ИЗУЧЕНИЮ. ........................... 10
Введение ................................................................................................................. 10
ТЕМА 1. Физические свойства жидкостей и газов ............................................ 10
ТЕМА 2. Основы гидростатики............................................................................ 13
ТЕМА 3. Основы кинематики жидкости ............................................................. 15
ТЕМА 4. Режимы движения жидкости................................................................ 17
ТЕМА 5. Уравнения движения и уравнения энергии ....................................... 19
ТЕМА 6. Одномерные потоки жидкостей и газов.............................................. 22
ТЕМА 7. Гидравлические машины ...................................................................... 24
ТЕМА 8. Гидропередачи и гидропневмоприводы в сельскохозяйственной
технике .................................................................................................................... 28
ТЕМА 9. Гидро- и пневмотранспорт в сельском хозяйстве .............................. 30
ТЕМА 10. Основы сельскохозяйственного водоснабжения и гидромелиорации
.................................................................................................................................. 31
Контрольные задания ................................................................................................ 33
Физические свойства жидкости ........................................................................... 33
Гидростатика .......................................................................................................... 35
Одномерное течение жидкости ............................................................................ 46
Гидравлический удар в трубопроводах ............................................................... 54
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 ...................................................................................................... 58
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 ...................................................................................................... 66
3
РАЗДЕЛ 1. ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ
ПО ИЗУЧЕНИЮ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
Настоящие методические указания подготовлены для студентов- заочников,
обучающихся специальностям 110301, 110304, 280101, 270102, 270114 и 190603
согласно рабочим учебным планом, утвержденным учебным советом академии.
Содержание
курса
определено
государственным
стандартом
высшего
профессионального образования (2000г.), утвержденным Госкомвузом России.
Чтобы
внедрение
технологий,
освоить
высокопроизводительные
прогрессивных
современный
технологических
специалист
должен
машины,
обеспечивающие
процессов,
индустриальных
знать:
основные
законы
гидравлики, основы теории гидромашин, их конструкций, принципы работы и
методы рациональной эксплуатации, основные принципы построения, элементы
конструкции
систем
гидропривода,
сельскохозяйственного
водоснабжения,
гидромелиоративных систем, то есть владеть фундаментальными инженерными
знаниями в области гидравлики.
Современная гидравлика – это наука, изучающая физические законы и
закономерности равновесия и движения жидкостей, их взаимодействие с
твердыми телами (поверхностями тел), а также разрабатывающая методы
решения инженерных задач.
Цель изучения учебной дисциплины – получить знания, необходимые для
решения инженерных задач, связанных с использованием
и применением
жидкостей в различных областях техники и сельского хозяйства.
Основной
формой
занятий
по
изучению
дисциплины
является
самостоятельная работа студента над книгой в течении всего межсессионного
периода. Лекции, практические и лабораторные занятия и сдача экзамена (по
специальности 190603 – зачета) проводится в период экзаменационных сессий.
Сроки проведения занятий определяются планами экзаменационных сессий по
академии.
Объем и содержание учебной дисциплины по специальностям различны,
4
что отображено в таблице 1.
5
Таблица 1 – Распределение часов на изучение дисциплины
№
темы
Наименование тем
Введение
1
Физические свойства
жидкостей и газов
2
Основы гидростатики
3
Основы кинематики
жидкости
4
Режимы движения
жидкости
5
Уравнения движения и
уравнения энергии
6
Одномерные потоки
жидкостей и газов
7
Гидравлические машины
8
Гидропередачи и
гидропневмоприводы в
сельскохозяйственной
технике
9
Гидро- и
пневмотранспорт в
сельском хозяйстве
10
Основы
сельскохозяйственного
водоснабжения и
гидромелиорации
Общее количество часов
110301
110304
280101
+
Специальности
190603
270102
270114
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
+
-
-
+
120
70
90
6
Литература
1. Гидравлика и гидравлические машины // Ловкис З.В. и др. – М.: Колос,
1995.
2. Исаев А.П., Сергеев Б.И., Дидур В.А. Гидравлика и гидромеханизация
сельскохозяйственных процессов. - М.: Агропромиздат, 1998.
3. Николадзе Г.И Водоснабжение. – М.: Стройиздат, 1999.
4. Палишкин Н.И. Гидравлика и сельскохозяйственное водоснабжение.– М.:
Агропромиздат, 1990.
5. Гидравлический транспорт в животноводстве // Мельников С.В. и др. – М.:
Колос С, 2006.
6. Сабашвили Р.Г. Гидравлика, гидравлические машины и водоснабжение
сельского хозяйства.– М.: Колос, 1997.
7. Штеренлихт Д.В. Гидравлика.– М.: Энергоатомиздат, 2007 (1984, 1991,
2005, 2006).
8. Чугаев Р.Р. Гидравлика: Техническая механика жидкости.– Л.: Энергоиздат,
1982.
9. Гидравлика, гидромашины и гидропневмопривод / Под ред. Стесина С.П. –
М.: Академия, 2006.
10.Сборник задач по машиностроительной гидравлике / Под ред. Куколевского
И.И. и Подвидзе Л.Г. – М.: Машиностроение, 1990.
11.Андреевская Л.В., Кременецкий Н.Н., Панова М.В. Задачник по
гидравлике.– М.: Энергия, 1970.
12.Справочник по гидравлике / Под ред. В.А. Большакова. – Киев: Вища
школа, 1987.
13.Сборник задач по машиностроительной гидравлике / Батуев Д.А. и др. – М.:
Машиностроение, 1981.
14.Кошман В.С. Методическое пособие к решению задач по гидравлике.–
Пермь: ПГСХА, 2008.
15.Кошман В.С. Лабораторный практикум по гидравлике.– Пермь: ПГСХА,
7
2006.
Примечание:
Библиографический
перечень
литературы
печатается
с
порядковыми номерами, на которые в дальнейшем (вместо фамилии автора и
наименования) делаются ссылки с указанием страниц, например: 2, с. 17-29.
Приступая к изучению учебной дисциплины, необходимо ознакомиться с
содержанием тем и методическими рекомендациями по их изучению.
Изучение тем учебной дисциплины рекомендуется вести в той
последовательности, в которой они представлены в таблице 1 и ниже в
методических рекомендациях.
При проработке теоретического курса внимательно изучить выводы
основных формул, обращая при этом особое внимание на применяемые при
выводе этих формул законы физики. Особо важно помнить допущения,
сделанные в ходе вывода формул, так как они ограничивают применимость
полученных закономерностей. В конце каждой темы приведены контрольные
вопросы для самопроверки, на которые необходимо ответить.
Работа над учебником обязательно должна сопровождаться решением
задач по изучаемой теме, Задачи следует решать самостоятельно. В ходе
решения задач лучше усваивается и закрепляется изучаемый теоретический
материал, выясняется суть изучаемых гидравлических явлений.
Условие каждой задачи должно быть записано полностью с учетом
заданного варианта, обозначенного буквой j. Например, при j = 2 вместо слова
«расход Q = (3 + 0,5j) л/с» - поскольку Q = (3 + 0,5 х 2) = 4 л/с – следует
понимать и писать
«расход Q = 4 л/с». Решение задач необходимо
сопровождать краткими пояснениями.
Вычисления выполнять в системе единиц СИ. Следует помнить, что не
соблюдение единой системы единиц приводит к ошибкам при вычислениях.
Контрольная работа студента должна поступить в заочное отделение
академии не позже чем за 10 дней до начала экзаменационной сессии. Работы,
8
поступившие позже, проверяются после сессии.
Лабораторные занятия
проводятся во время сессии, в специально
отведенное для этого время. Выполненные работы студент должен оформить и
защитить.
Наличие зачтенных лабораторных и контрольных работ является
основанием для допуска студента к сдаче экзамена (зачета).
Порядок выполнения контрольной работы, ее содержание
и объем
определяются кафедрой ТОЖ, а сроки выполнения – факультетом заочного
отделения академии. Во всех случаях студенты экзамен (зачет) сдают очно.
9
РАЗДЕЛ 2. СОДЕРЖАНИЕ ТЕМ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ И
МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ИХ ИЗУЧЕНИЮ.
Введение
Предмет
и
задачи
учебной
дисциплины,
ее
место
в
подготовке
специалистов. Краткие исторические сведения о развитии гидравлики как науки.
Вклад отечественных ученых в развитие гидравлики.
[1, с. 3 - 4], [2, с. 3 - 8], [7, с. 5 -10]
Уяснить предмет и задачи учебной дисциплины. Познакомиться с историей
развития гидравлики, вкладом отечественных ученых в ее становление и
развитие.
ТЕМА 1. Физические свойства жидкостей и газов
Физические свойства жидкостей и газов (тяготение, инерционность,
температурное расширение, сжимаемость, упругость, вязкость, текучесть,
сопротивление разрыву, парообразование), их количественные характеристики.
Силы, действующие в жидкостях. Давление в жидкости. Модель сплошной среды.
Модель идеальной жидкости. Закон Ньютона для вязкого трения. Ньютоновские и
неньютоновские жидкости.
[1, с. 5 - 20], [2, с. 8 - 13], [7, с. 11 - 17]
По своим физическим свойствам жидкости занимают промежуточное
положение между твердыми телами и газами. Жидкость весьма мало изменяет
свой объем при изменении давления или температуры, в этом отношении она
сходна с твердым телом. Жидкость обладает текучестью, благодаря чему она не
имеет собственной формы и принимает форму того сосуда, в котором находится.
В этом отношении жидкость отличается от твердого тела и имеет сходство с
газом. Свойства жидкостей и их отличие от твердых тел и газов обусловливаются
молекулярным строением. Следует уяснить, каким образом особенности
молекулярного строения влияют на физические свойства жидкости.
10
Покоящаяся жидкость подвержена действию двух категорий внешних сил:
массовых и поверхностных. Массовые силы пропорциональны массе жидкостей
или для однородных жидкостей – ее объему. Внешние поверхностные силы
непрерывно распределены по граничной поверхности жидкости.
Следует знать, какие силы относятся к массовым (объемным) и к
поверхностным силам, какие силы называются внешними и какие внутренними.
В покоящейся жидкости может существовать только напряжение сжатие,
т.е. давление. Необходимо четко
представлять разницу между понятиями
среднего гидростатического давления, гидростатического давления в точке,
выраженных в единицах напряжения, и понятием силы гидростатического
давления, выраженной в единицах силы.
В гидравлике при изучении законов равновесия
и движения
широко
пользуются различными физическими характеристиками жидкости (например,
плотностью). Студенту нужно знать основные физические характеристики
жидкости, единицы измерения этих характеристик.
Следует также рассмотреть основные физические свойства капельных
жидкостей: сжимаемость, тепловое расширение, вязкость и др.
Вязкостью называется способность жидкости оказывать сопротивление
относительному перемещению слоев, которое вызывает деформацию сдвига. Это
свойство проявляется в том, что в жидкости при ее движении возникает сила
сопротивления
сдвигу,
называемая
силой
внутреннего
трения.
При
прямолинейном слоистом движении жидкости сила внутреннего трения Т между
перемещающимися
один
относительно
другого
слоями
с
площадью
соприкосновения S определяется законом Ньютона для вязкого трения:
Т=±µS
du
dn
или
T
du
=τ=±µ
,
dn
S
Динамический коэффициент вязкости µ не зависит от давления
(1)
и от
характера движения, а определяется лишь физическими свойствами жидкости и ее
температурой. Как видно из (1), сила Т и касательное напряжение τ
11
пропорциональны градиенту скорости u по нормали n к поверхности трения du/dn, который представляет собой изменение скорости жидкости в направлении
нормали на единицу длины нормали. Жидкости, для которых зависимость
изменения касательных напряжений от скорости деформации отличается от
закона Ньютона (1), называются неньютоновскими жидкостями.
Учет сил вязкости значительно осложняет изучение законов движения
жидкости. С другой стороны, капельные жидкости незначительно изменяют свой
объем при изменении давления и температуры. В целях упрощения постановки
задач и их математического решения создана модель идеальной жидкости.
Идеальной
жидкостью
называется
воображаемая
жидкость,
которая
характеризуется полным отсутствием вязкости и абсолютной неизменяемостью
объема при изменении давления и температуры. Переход от идеальной жидкости
к реальной осуществляется введением в конечные расчетные формулы поправок,
учитывающих влияние сил вязкости (и полученных главным образом опытным
путем). При изучении гидродинамики следует проследить особенности перехода
от идеальной жидкости к реальной.
В гидравлике жидкость рассматривается как сплошная среда (континуум),
т.е. среда, масса которой распределена по объему непрерывно. Это позволяет
рассматривать все характеристики жидкости (плотность, вязкость, давление,
скорость и др.) как функции координат точки и времени, причем в большинстве
случаев эти функции предполагаются непрерывными.
Вопросы для самопроверки
1. В чем отличие жидкостей от твердых тел и газов? 2. Какова взаимосвязь
между плотностью и удельным весом жидкости? Укажите единицы. 3. Что
называется коэффициентом объемного сжатия жидкости? Какова его связь с
модулем упругости? 4. Что называется вязкостью жидкости? В чем суть закона
вязкого трения Ньютона? 5. В чем принципиальная разница между силами
12
внутреннего
трения
перемещении
в жидкости
твердых
тел?
6.
и силами
Какова
трения при
связь
между
относительном
динамическим
и
кинематическим коэффициентами вязкости? Укажите их единицы. 7. Укажите
свойства идеальной жидкости. С какой целью в гидравлике введено понятие об
идеальной жидкости? В каких случаях при практических расчетах
жидкость
можно считать идеальной?
ТЕМА 2. Основы гидростатики
Абсолютный и относительный покой (равновесие) жидкости. Свойства
давления
в
неподвижной
жидкости.
Основное
уравнение
гидростатики.
Поверхности равного давления. Закон Паскаля. Приборы для измерения давления.
Силы давления жидкости на плоские и криволинейные стенки. Закон Архимеда.
Условие плавание тел.
[1, с. 23 - 44], [2, с. 13 - 34], [7, с. 27 - 51], [9, с. 14 - 43]
Два свойства гидростатического давления обусловлены тем, что покоящаяся
жидкость не воспринимает касательных и растягивающих усилий. Знание этих
свойств позволяет понять физический смысл формул статического силового
воздействия жидкости на твердые тела.
При абсолютном покое жидкости на нее из массовых сил действует только
сила тяжести. В случае относительного покоя к силе тяжести присоединяются
силы инерции.
Студенту необходимо знать основное уравнение гидростатики:
p2= p1+ γ h
где
p2 и p1
–
давления
(2)
в точках 2 и 1; h – глубина погружения точки 2
относительно точки 1; γ – удельный вес жидкости; γh – весовое давление столба
жидкости глубиной h.
В зависимости от способа отсчета различают абсолютное, избыточное
(манометрическое) и вакуумметрическое давление. Следует знать взаимосвязь
13
этих величин.
В уравнении (2) точка 1 может лежать на свободной поверхности жидкости.
При этом весовое давление γh будет избыточным давлением только в том случае,
когда давление на свободную поверхность равно атмосферному давлению.
Весьма важными понятиями в гидравлике являются пьезометрическая
высота и гидростатический напор. Пьезометрическая высота выражает в метрах
столба жидкости избыточное (реже абсолютное) давление в рассматриваемой
точки жидкости . Гидростатический напор равен сумме геометрической z и
пьезометрической p/γ высот. Для
всех точек данного объема покоящейся
жидкости гидростатический напор относительно выбранной плоскости сравнения
есть постоянная величина.
Воздействие жидкости на плоские и криволинейные поверхности наглядно
отражается эпюрами давления. Площадь (объем) эпюры дает величину силы
давления, а центр тяжести этой площади (объема) – точку приложения силы
давления. Аналитическое рассмотрение задачи позволяет получить весьма
простые расчетные формулы. В случае плоской поверхности любой формы
величина силы гидростатического давления равна смоченной площади этой
поверхности, умноженной на гидростатическое давление в центре тяжести
площади. Точка приложения силы гидростатического давления (центр давления)
лежит всегда ниже центра тяжести ( за исключением давления на горизонтальную
плоскость, когда они совпадают). Следует указать, что формула для определения
координаты центра давления дает точку приложения силы гидростатического
давления без учета давления на свободную поверхность (см. вывод формулы в
любом учебнике гидравлики).
Для криволинейных цилиндрических поверхностей обычно определяют
горизонтальную и вертикальную составляющие полной силы гидростатического
давления. Определение вертикальной составляющей связано с понятием «тела
давления», которое представляет собой действительный или воображаемый объем
жидкости, расположенный над криволинейной поверхностью. Линия действия
14
горизонтальной составляющей проходит через центр давления вертикальной
проекции
криволинейной
поверхности,
а
линия
действия
вертикальной
составляющей – через центр тяжести тела давления.
При изучении этого раздела студенту полезно рассмотреть несколько
конкретных
примеров
построения
тел
давления
для
цилиндрических
поверхностей, определить самостоятельно вертикальную и горизонтальную
составляющие силы давления, точки их приложения и результирующую силу.
Необходимо рассмотреть давление жидкости на стенки труб и резервуаров
и расчетные формулы для определения толщины их стенок.
Вопросы для самопроверки
Каковы
1.
свойства
гидростатического
давления?
2.
Запишите
и
проанализируйте основное уравнение гидростатики. В каких случаях оно
справедливо? 3. Что такое поверхность равного давления, и какова ее форма при
абсолютном покое жидкости? 4. Как формулируется закон Паскаля и какова его
связь
с
основным
уравнением
гидростатики?
5.
Приведите
примеры
гидравлических установок, действие которых основано на законе Паскаля. 6.
Каковы
соотношения
между
абсолютным
давлением,
избыточным
и
вакуумметрическим давлением? Что больше: абсолютное давление, равное 0,12
МПа, или избыточное, равное 0,06 МПа? 7. Чему равна пьезометрическая высота
(в метрах водяного столба) для атмосферного давления? 8. Почему центр
давления всегда находится ниже центра тяжести смоченной поверхности
наклонной плоской стенки? 9. Сформулируйте закон Архимеда.
ТЕМА 3. Основы кинематики жидкости
Виды
движения
жидкости.
Поле
скоростей
и
поле
давлений.
Установившееся и неустановившееся движение жидкости. Трех-, двух- и
15
одномерное течение жидкости. Метод Лагранжа и метод Эйлера. Жидкая частица
и ее свойства. Уравнение неразрывности для жидких частиц. Основные понятия
кинематики жидкости: линия тока, трубка тока, струйка, нормальное сечение,
расход. Средняя скорость. Уравнение расхода для несжимаемой жидкости.
[1, с. 45 - 51], [2, с. 34 - 39], [7, с. 56 - 76], [9, с.44 - 53]
При установившемся движении в каждой из точек потока жидкости
давление и скорость неизменны во времени, а при неустановившемся –
изменяются. При одномерном течении осредненные по сечениям потока давление
и скорость изменяются в направлении лишь только одной из координатных осей.
Необходимо получить представление о струйной модели движения
жидкости, уяснить понятия: линия тока, трубка тока, струйка, элементарная
струйка, живое
сечение потока (сечение потока), площадь сечения, расход
жидкости (объемный и массовый), средняя скорость в сечении потока.
Жидкая частица – это бесконечно малая часть сплошной среды,
сохраняющая все ее физические свойства. Свойства жидкой частицы: объем и
форма жидкой частицы могут изменяться, но ее масса остается неизменной.
Поток жидкости представляет собой широкое множество жидких частиц,
движущихся в пространстве как целое.
Студент должен ознакомиться с методом Лагранжа и методом Эйлера,
используемыми при математическом описании движения жидкости, уяснить в чем
их
суть
и
различие.
Студенту
необходимо
иметь
представление
о
дифференциальном уравнении неразрывности жидкости.
Одним из основных уравнений гидродинамики является уравнение расхода
(уравнение
неразрывности),
которое
для
плавно
изменяющегося
и
параллельноструйного движения может быть представлено в виде:
c * S = const (вдоль потока),
(3)
откуда для двух сечений (1-1 и 2-2) получим
c1/с2 = S2 /S1 ,
(4)
т.е. средние скорости в сечениях потока обратно пропорциональны площадям
16
этих сечений.
Уравнение расхода (3) математически выражает закон сохранения массы
вещества применительно к одномерному потоку несжимаемой жидкости. Следует
указать, что уравнение расхода справедливо только при соблюдении ряда
допущений, на которых основан логический вывод этого уравнения.
Вопросы для самопроверки
1. Дайте определение и приведите примеры основных видов движения
жидкости: установившегося и неустановившегося, напорного и безнапорного,
равномерного и неравномерного, медленно изменяющегося. 2. Что такое линия
тока, трубка тока и элементарная струйка? 3. При каких условиях сохраняется
постоянство
расхода
вдоль
потока?
4.
Запишите
и
проведите
анализ
дифференциального уравнения неразрывности для несжимаемой жидкости при
установившемся движении. 5. Что понимается под полем скоростей
и полем
давлений? 6. Каковы основные пути определения средней скорости?
ТЕМА 4. Режимы движения жидкости
Режимы движения жидкости. Число Рейнольдса. Критическая скорость и
критическое число Рейнольдса. Турбулентность и ее основные статистические
характеристики.
Структура
турбулентного
потока,
статистические
характеристики турбулентности.
[1, с. 52 - 53], [2, с. 50 - 55], [7, с. 110 - 119], [9, с. 72 - 80]
Ознакомиться с режимами движения жидкости и схемой установки
Рейнольдса для их демонстрации.
Наличие того или иного режима
в трубопроводе обуславливается
соотношением трех факторов, входящих в формулу безразмерного числа
Рейнольдса Re:
17
Re = cd/ν ,
(5)
где c- средняя скорость движения жидкости; d – внутренний диаметр
трубопровода; ν – кинематический коэффициент вязкости.
Нужно знать формулу для вычисления числа Рейнольдса и его критическое
значение, отчетливо представлять его физический смысл. Число Рейнольдса
является мерой отношения конвективных сил инерции к силам внутреннего
трения. Режимы движения и переход одного режима в другой объясняются
преобладанием либо силы инерции либо силы трения в потоке, т.е. величиной
числа Рейнольдса Re. Многие величины, характеризующие движение жидкости,
могут быть представлены как функции числа Рейнольдса Re.
Знать, что собой представляют осредненная скорость, эпюра осредненных
скоростей, пульсационные составляющие
скорости и давления. Иметь
представление о причинах, обуславливающих возникновение турбулентного
трения в потоке жидкости.
Ознакомиться с понятиями турбулентное ядро
течения, переходная зона, вязкий подслой, толщину δв.п. которого при движении
жидкости в трубах можно приближено оценить по формуле
δв.п. = 30 d /(Re * λ0,5),
(6)
где d – внутренний диаметр трубопровода; Re – число Рейнольдса; λ –
коэффициент гидравлического трения.
Вопросы для самопроверки
1. От каких характеристик потока зависит режим движения жидкости? 2. В
чем отличие турбулентного течения от ламинарного? 3. Поясните физический
смысл и практическое значение критерия Рейнольдса. 4. Что понимается под
критическое скоростью и критическим числом Рейнольдса? 5. Что понимается
под осредненной скоростью? 6. Изобразите эпюру
осредненных скоростей в
сечении круглой трубы. В чем ее отличие от местных эпюры скоростей при
ламинарном режиме движения? 7. Какова структура турбулентного потока
18
жидкости в круглой трубе? 8. Поясните основные статистические характеристики
турбулентного потока жидкости.
ТЕМА 5. Уравнения движения и уравнения энергии
Уравнения Эйлера и уравнения Навье - Стокса. Конечно – разностные
формы уравнений Навье – Стокса и Рейнольдса, общая схема применения
численных методов и их реализации на ЭВМ. Общая интегральная форма
уравнений количества движения и момента количества движения. Общее
уравнение энергии в интегральной и дифференциальной формах. Уравнения
Бернулли для потоков идеальной и несжимаемой вязкой жидкостей. Подобие
гидромеханических процессов.
[1, с. 53-60], [2, с. 39-45], [7, с. 76-78, 81-89, 95-103, 581-588], [9, с. 53-68]
Иметь представление об уравнениях количества движения и момента
количества движения. Уравнения движения получены на основе второго закона
Ньютона в рамках вытекающей из него теоремы об изменении количества
движения жидкости, заключенной в движущемся объеме. Уяснить, что уравнения
Эйлера – это дифференциальные уравнения движения идеальной жидкости, а
уравнение Навье – Стокса – дифференциальные уравнения движения вязкой
жидкости. Они устанавливают связи между массовыми и поверхностными
силами, действующими в жидкостях. При
изучении этих уравнений следует
усвоить физический смысл всех входящих в них величин. Уравнения Эйлера
получены им в 1755 г., но и по сегодняшний день не имеют общего
аналитического решения. Уравнения Навье – Стокса имеют ограниченное число
точных решений (закон Стокса, закон Гагена – Пуазейля). Иметь представление
как об алгоритме перехода от дифференциальных уравнений и Навье – Стокса, и
Рейнольдса к их конечно – разностным аналогам, так и об особенностях их
реализации на ЭВМ. Знать интеграл Бернулли и иметь представление об его
19
практической значимости.
Уравнения Бернулли для идеальной и несжимаемой вязкой жидкости
представляют собой частный случай закона сохранения и превращения энергии.
В одной из форм записи все члены уравнений Бернулли отнесены к единице
веса жидкости, поэтому все виды энергии в этом уравнении имеют линейную
размерность. Следует уяснить геометрический и физический (энергетический)
смысл уравнения в целом и его отдельных членов, а также обратить внимание на
условия применимости уравнения Бернулли.
При распространении уравнения Бернулли для элементарной струйки
идеальной жидкости на поток реальной жидкости возникает ряд
трудностей,
которые преодолеваются введением соответствующих ограничений и поправок.
Уравнение Бернулли составляется для двух живых сечений потока, в которых
течение параллельноструйное или плавноизменяющееся. Живые сечения здесь
плоские, поэтому отсутствуют ускорения вдоль живых сечений, а из массовых
сил действует только сила тяжести. Следовательно, в этих сечениях (участках)
справедливы законы гидростатики, в частности постоянство гидростатического
напора для всех точек живого сечения относительно любой плоскости сравнения.
Между плавно изменяющимися течениями (участками) потока, связанными
уравнением Бернулли, поток может быть и резко изменяющимся. При
определении кинетической энергии потока по средней скорости в данном сечении
вводится
поправка
в
виде
коэффициента
Кориолиса
α,
учитывающего
неравномерность распределения местных скоростей по живому сечению.
При решении практических инженерных задач уравнение Бернулли и
уравнение расхода используется совместно. При этом они составляют систему из
двух уравнений, позволяющую решать задачи с двумя неизвестными.
Если для струйки идеальной жидкости уравнение Бернулли представляет
собой закон сохранения полной механической энергии, то для потока реальной
жидкости оно является уравнением баланса энергии с учетом гидравлических
потерь. Гидравлическими потерями называется работа сил трения, затраченная на
20
перемещения единицы веса жидкости из одного
сечения в другое. Энергия
потока, израсходованная на работу сил трения, превращается во внутреннюю
энергию и рассеивается в жидкости. Необходимо иметь представление о
диаграмме Бернулли.
В гидравлике широко применяется метод моделирования, когда исследуется
не само явление или установка, а их модель, обычно меньших размеров. Основой
моделирования
является
теория
гидродинамического
подобия.
Для
установившегося движения однородных несжимаемых жидкостей необходимым и
достаточным условием гидродинамического подобия является геометрическое,
кинематическое и динамического подобия потока.
Для
полного
гидродинамического
подобия
пропорциональность всех сил, действующих в потоке, но
необходима
подобие по одним
силам часто исключает подобие по другим силам. Поэтому считается
достаточным получение приближенного подобия по силам, преобладающим в
данном потоке. Критериями такого подобия являются критерий Рейнольдса
(преобладание сил трения), критерий Фруда (силы тяжести), критерий Эйлера
(силы давления).
Вопросы для самопроверки
1. Укажите различие между уравнениями Эйлера и уравнениями Навье –
Стокса. 2. Чем обусловлена необходимость использования численных методов
при решении как уравнений Навье – Стокса, так и уравнений Рейнольдса? 3. Для
каких режимов движения жидкости применимы уравнения Навье – Стокса и
уравнения Рейнольдса? 4. Поясните общую схему применения численных
методов к решению
дифференциальных уравнений. Каковы особенности
реализации данных методов на ЭВМ? 5. Запишите уравнение Бернулли для
элементарной струйки (потока) идеальной жидкости. Каков физический смысл
входящих в него слагаемых? 6. Чем обусловлены различия в записи уравнений
21
Бернулли для идеальной и несжимаемой вязкой
жидкостей? 7. Объясните
наблюдаемую вариативность размерности слагаемых в различных формах записи
уравнения Бернулли. 8. Поясните порядок построения диаграммы Бернулли.
Какова ее практическая значимость? 9. Каковы условия однозначности; их
предназначение?
10.
Каковы
достоинства
диаграммы
Бернулли?
11.
Сформулируйте условия гидродинамического подобия потоков жидкости. 12.
Объясните физический смысл критериев Рейнольдса, Фруда и Эйлера.
ТЕМА 6. Одномерные потоки жидкостей и газов
Потери напора на трение по длине трубопроводов. Потери напора на
местных сопротивлениях. Формулы для определения потерь напора, их анализ.
Особенности определения коэффициентов гидравлического трения. Краткая
классификация трубопроводов. Основное уравнение простого
Характеристика простого
трубопровода.
трубопровода.
трубопровода. Три задачи по расчету
Последовательное
и
параллельное
простого
соединение
труб.
Гидравлический удар в трубопроводах и меры борьбы с ним. Истечение жидкости
через малое отверстие в тонкой стенке при постоянном напоре истечения. Виды
насадок. Особенности истечения жидкости через внешний цилиндрический
насадок при постоянном напоре истечения.
[1, с. 61-92], [2, с. 57-79], [7, с. 160-166, 174-176, 183-220, 256-263], [9, с. 93-119]
Потери напора на трение при равномерном напорном движении жидкости в
трубах определяются по формуле Дарси – Вейсбаха. В ней
коэффициент
гидравлического трения учитывает влияние на потери тех факторов, которые не
учтены данной формулой.
Уяснить различие между равномерной, неравномерной и относительной
шероховатостями трубопроводов. Знать характерные области на графике
Никурадзе. Уметь объяснить, почему одна и та же
труба может быть и
гидравлически гладкой, и гидравлически шероховатой. Уметь определить для
каждой области гидравлический коэффициент трении по известным формулам
22
Пуазейля, Блазиуса, Альтшуля, Шифринсона, по графикам Никурадзе, Мурина.
Знать формулу Вейсбаха для определения потерь напора на местных
сопротивлениях. Ознакомиться по рекомендуемой литературе с типичными
местными
сопротивлениями,
а
также
с
особенностями
определения
коэффициентов местных сопротивлений.
Иметь представление о классификации трубопроводов.
Простым трубопроводом называется напорный трубопровод постоянного
внутреннего диаметра, выполненный из одного и того же материала без
разветвлений. Все остальные трубопроводы считаются сложными. Знать
основное уравнение простого трубопровода. Знать особенности решения трех
задач по расчету простого трубопровода. Иметь ясное представление о том, что
под характеристикой трубопровода понимается график зависимости потребного
напора от объемного расхода жидкости в трубопроводе. Уяснить особенности
расчета труб при их последовательном и параллельном соединении.
Понять причины возникновения гидравлического удара в трубопроводах.
Знать формулу Н. Е. Жуковского для определения величины ударного повышения
давления при мгновенном закрытии затвора. Проанализировать формулу Н. Е.
Жуковского
для
вычисления
скорости
распространения
ударной
волны,
зависящей от упругих свойств жидкости и трубопровода. Ознакомиться с
методами борьбы с гидроударом.
Рассмотреть особенности истечения жидкости через малое отверстие в
тонкой стенке при постоянном напоре истечения. Уяснить понятия «малое
отверстия», «тонкая стенка», «напор истечения», «совершенное и несовершенное
сжатие струи». Уметь вывести формулы для определения средней скорости и
объемного расхода жидкости при ее истечении через малое отверстие в тонкой
стенке. Понять физический смысл коэффициентов скорости и расхода, знать
причины сжатия струи.
Уяснить понятие насадки, знать конструктивные виды применяемых
насадков,
рассмотреть
процесс
истечения
23
жидкости
через
внешний
цилиндрический насадок. Уметь объяснить, почему объемный расход жидкости
через внешний цилиндрический насадок в докритическом режиме выше по
сравнению с истечением через малое отверстие в тонкой стенке.
Вопросы для самопроверки
1.Чем
обусловлено
наличие
потерь
напора
на
трение
по
длине
трубопроводов? 2. Может ли одна и та же труба быть как гидравлически гладкой,
так и гидравлически шероховатой и почему? 3. Области гидравлического трения
на графике Никурадзе. Каковы их особенности? 4. Дайте определение местного
сопротивления. Что ответственно за необратимые потери части полной
механической энергии потока при их прохождении? 5. По какой причине потери
напора на трение и на местных сопротивлениях определяются в долях удельной
кинетической энергии потока жидкости? 6. Что понимают под простым
трубопроводом? 7. В чем различия между решениями второй и третьей задач по
расчету простого трубопровода? 8. Дайте определение характеристики простого
трубопровода. Что ответственно за ее кривизну? 9. Чем обусловлено различие в
расчетах труб при их последовательном и параллельном соединении? 10. Чем
отличается полный гидравлический удар от неполного гидравлического удара и
почему? 11. Каковы меры борьбы с гидроударом? 12. По какой
происходит сжатие
причине
струи при истечении жидкости через малое отверстие в
тонкой стенке? 13. Почему коэффициенты скорости и расхода по своей величине
всегда меньше единице? 14. Чем обусловлен достигаемый положительный эффект
при использовании внешнего цилиндрического насадка?
ТЕМА 7. Гидравлические машины
Назначение и краткая классификация гидравлических машин. Устройство и
принцип
работы
типовых
гидромашин.
24
Основные
параметры
насосов.
Характеристики насосов. Работа насоса на сеть. Рабочая точка. Регулирование
работы насосов.
[1, с. 93-120], [2, с. 89-153], [9, с. 125-144, 148-164]
К гидравлическим машинам относятся насосы и гидродвигатели. Насосом
называется гидравлическая машина, преобразующая механическую энергию
привода в механическую энергию перекачиваемой жидкости. В гидравлическом
двигателе происходит преобразование механической энергии потока жидкости в
механическую работу на выходном валу.
Все типы насосов, несмотря на многообразие их конструктивных форм, по
принципу действия (т.е. по способу передачи жидкости механической энергии)
делятся на две группы: динамические (лопастные) и объемные (насосы
вытеснения).
В
объемных
насосах
передача
механической
энергии
жидкости
осуществляется изменением объемов их рабочих камер. Объемные насосы
делятся на классы: 1) поршневые – с возвратно-поступательным
движение
вытеснителя (поршня или плунжера) и клапанным распределением жидкости; 2)
роторные – с вращательным движением вытеснителей или замыкателей
(например, поршней плунжеров, зубьев шестерен, лопаток или пластин) и с
бесклапанным распределением жидкости.
В отличие от лопастных насосов в объемных насосах жидкости сообщается
потенциальная энергия давления при практически неизмененной кинематической
энергии жидкости. В этих насосах подача и напор независимы друг от друга,
насосы характеризуются неравномерностью подачи и пульсацией давлений.
Работа лопастных насосов основана на силовом взаимодействии лопастей с
обтекающим их потоком. При вращении рабочего колеса в потоке жидкости
возникает разность давлений по обе стороны каждой лопатки. Силы давления
лопастей на поток создают вынужденное вращательное и поступательное
движение жидкости, увеличивая ее давление и скоростной напор, т.е.
механическую энергию. Приращение энергии потока жидкости в лопастном
25
колесе (напор насоса) зависит от сочетания скоростей протекания потока, частоты
вращения колеса, его размеров, формы лопаток, т.е. от сочетания конструкции,
размеров, частоты вращения и подачи насосов. Таким образом, главная
особенность и отличие лопастных насосов от объемных состоят в том, что напор
и подача у этих насосов взаимосвязаны, а подача непрерывна.
Созданная еще в середине XVIII в. Л. Эйлером приближенная струйная
теория лопастных машин до настоящего времени является основой для их
расчета. Сложность гидродинамических явлений, которые возникают при
протекании жидкости в рабочих органах насоса, привела к теоретической модели
идеального рабочего колеса с бесконечным числом бесконечно тонких лопастей.
На основе струйной теории Л. Эйлером получено основное уравнение лопастных
насосов, дающее зависимость теоретического напора от треугольников скоростей
на выходе и входе рабочего колеса. С целью удовлетворительного согласования
теории с данными опыта в формулу действительного напора вводятся поправки
на конечное число лопаток и на гидравлические потери. Следует обратить
внимание на вывод основного уравнения, которое может быть получено из
уравнения Бернулли для относительного движения или из теоремы моментов
количества движения.
Различают теоретические и действительные характеристики лопастных
насосов. Из-за сложности протекания жидкости через рабочие органы насоса
точную взаимосвязь основных параметров работы насоса удается получить
только экспериментально. В результате испытаний насосов получают их
действительные
характеристики
–
кривые
зависимости
напора,
подачи,
затраченной мощности, КПД и частоты вращения насоса. Характеристики дают
достаточно полное представление об эксплуатационных качествах
насосов и
позволяют решать вопросы, связанные с их выбором, эксплуатацией и
проектированием.
Студенту
необходимо
уяснить
методику
получения
рабочих
и
универсальных характеристик, их использование для определения оптимальных
26
режимов работы действующих насосов, для выбора новых насосов, определения
режимов совместной работы на общую сеть, а также для определения условий
работы при изменении частоты вращения и размеров насоса.
Необходимо знать способы регулирования работы насосов.
При
создании
новых
образцов
лопастных
машин
проводятся
их
лабораторные исследования и доводка на моделях. Для перехода от данных,
полученных
на моделях, к натурным насосам используется общая теория
гидродинамического подобия потоков в применении к лопастным машинам.
Следует уяснить условия применимости теории подобия к лопастным насосам, а
также усвоить формулы пересчета основных параметров насосов при изменении
размеров и частоты вращения.
При проектировании насосов одни и те же значения подачи и напора могут
быть получены в насосах с различной частотой вращения. При этом
конструктивный тип рабочего колеса и всей проточной части насоса будет также
различен.
Для
характеристики
конструктивного
типа
насосов
служит
коэффициент быстроходности (удельная частота вращения); величина его
определяет также область применения насосов. Студенту следует знать, по какой
формуле
вычисляется
коэффициент
быстроходности,
на
какие
типы
подразделяются лопастные насосы в зависимости от его величины. Величина
коэффициента быстроходности зависит не только от частоты вращения, но от
напора и подачи насоса. Поэтому не всегда насосы с большой частотой вращения
имеют больший коэффициент быстроходности.
Отрицательное влияние на работу центробежных насосов оказывает
кавитация, возникающая в результате снижения давления при входе жидкости на
рабочее колесо центробежного насоса ниже давления парообразования. Студент
должен знать физическую сущность явления кавитации и меры, необходимые для
избежания этого вредного явления.
Вопросы для самопроверки
27
1. Расскажите о принципе действия динамических и объемных насосов. 2.
Как определяется напор действующего насоса по показаниям приборов и по
элементам насосной установки? 3. Как определяется полезная и затраченная
мощность насоса? 4. Что представляет собой полный коэффициент полезного
действия
насоса?
одноступенчатого
5.
Начертите
центробежного
схему
насоса.
и
6.
объясните
Приведите
принцип
действия
параллелограммы
скоростей на входе и выходе из рабочего колеса и поясните их.7. Приведите
входной и выходной треугольники скоростей и поясните их. 8. Напишите
основное уравнение центробежных насосов Эйлера, поясните его вывод и
физический
смысл.
9.
В
чем
заключаются
соотношения
подобия
(пропорциональности) для лопастных машин? Для каких целей они применяются?
10. Что называется рабочей и универсальной характеристиками центробежных
насосов? 11. На какие виды делятся лопастные насосы по быстроходности? 12.
Как найти подачу
и напор (рабочую точку)при работе одного и двух
центробежных насосов на сеть? Приведите соответствующие графики и
характеристики. 13. Что такое осевое давление, как оно возникает и каковы меры
его устранения (уравновешивания)? 14. Какова физическая сущность явления
кавитации в лопастных машинах? 15. Укажите методы регулирования подачи
центробежных насосов и расскажите об их физической сущности.
ТЕМА 8. Гидропередачи и гидропневмоприводы в
сельскохозяйственной технике
Гидро- и пневмоприводы самоходных машин, их краткая классификация;
назначение элементов и узлов конструкций приводов. Гидропередача как
основной узел гидропривода. Гидромуфты и гидротрансформаторы, особенности
устройства и функционирования.
[1, с. 160-181], [2, с. 190-216, 242-263], [9, с. 145-148, 165-331]
Под гидроприводом понимается совокупность устройств, предназначенных
28
для приведения в движение механизмов и машин посредством рабочей жидкости
под давлением. По назначению гидроприводы тракторов и сельскохозяйственных
машин подразделяются на три основные группы: гидроприводы рабочих органов,
гидроприводы дистанционного управления и гидроприводы ходовой части
гидротрансмиссии. Студенту
необходимо иметь представление
о составных
элементах гидропривода, знать о его достоинствах и недостатках в сравнении с
механическими приводами.
Основным
элементом
гидропривода
является
гидропередача.
Гидравлические передачи подразделяются на две группы: гидродинамические и
гидростатические (или объемные).
Гидродинамической передачей называют совокупность механизмов и
систем, передающих механическую энергию от двигателя к потребителю
посредством потока жидкости. Гидродинамические передачи, обязательно
включающие в свой состав насосную и турбинную части, широко используются в
сложных сельскохозяйственных машинах при передаче энергии между валами,
вращающимися с различными и переменными в процессе работы частотами
вращения.
Необходимо уяснить устройство и принципы работы гидромуфты и
трехколесного гидротрансформатора, их достоинства и недостатки, параметры,
характеризующие преобразующие свойства и их взаимную связь.
Под объемным понимается такой гидропривод, основой которого является
гидростатическая передача. Объемная передача включает в свой состав объемный
насос,
объемный
гидродвигатель,
регулирующую,
распределительную
и
предохраняющую аппаратуру и магистральные линии. Необходимо уяснить
принцип действия и основные силовые и скоростные параметры объемных
гидроприводов.
Студент должен иметь представление о коэффициенте полезного действия
гидро- и пневмоприводов, а также о методах расчета передаточных чисел и
усилий в приводах. Рабочей жидкостью для гидропередач служат , как правило,
29
минеральные
масла,
реже
специальные
жидкости
и
вода.
Необходимо
ознакомиться с требованиями, предъявляемыми к рабочим жидкостям, их
эксплуатационным свойствам, областью применения.
Вопросы для самопроверки
1. Каковы преимущества и недостатки гидропривода в сравнении с
механическими приводами? 2. Поясните принцип и особенности работы
гидродинамической муфты. 3. Каковы преимущества и недостатки применения
гидромуфты в системе силового привода? 4. Какие способы регулирования
работы гидромуфты вам известны? 5. Поясните устройство, принцип действия и
особенности
работы
гидротрансформатора.
6.
Какие
параметры,
характеризующие преобразующие свойства гидротрансформатора Вам известны?
7. Из каких основных частей состоит объемный гидропривод? 8. Что такое
открытая и закрытая схема объемного гидропривода? 9. Какие требования
предъявляются к рабочим жидкостям? 10. В чем отличие гидропневмопривода от
гидропривода? 11. Что понимается под КПД гидропривода?
ТЕМА 9. Гидро- и пневмотранспорт в сельском хозяйстве
Гидро- и пневмотранспорт в сельском хозяйстве: назначение, особенности
устройства и функционирования.
[1, с. 282-291], [2, с. 369-395]
Гидро- и пневмотранспорт – это комплексы устройств и оборудования,
предназначенные
для
перемещения
продуктов
сельскохозяйственного
производства, веществ и материалов посредством жидкости или воздуха. Если
несущей средой является жидкость, то такой транспорт является гидравлическим,
если несущая среда – газ – пневматическим.
Необходимо
знать
устройство
30
и
принцип
работы
гидро-
и
пневмотранспортных установок, предназначение их составных частей, типовые
схемы данных установок для транспортирования и раздачи кормов, удаления
навоза.
Вопросы для самопроверки
1. Изобразите принципиальную схему одной из известных Вам гидро- или
пневмотранспортной установки. Поясните
ее состав и принцип работы,
функциональное предназначение составных элементов. 2. Каковы достоинства
гидро- и пневмотранспорта? 3. Что понимается под транспортирующей
способностью потока? 4. Что понимается под коэффициентом полезного действия
пневмотранспортной установки?
ТЕМА 10. Основы сельскохозяйственного водоснабжения и
гидромелиорации
Системы
и
водоснабжения.
схемы
Режим
сельскохозяйственного
водопотребления.
водоснабжения.
Водозаборные
Нормы
сооружения.
Водонапорные башни. Гидромелиорации : их назначение и пути реализации.
[1, с. 261-282], [2, с. 264-368]
Системой водоснабжения называется совокупность объединенных в
технологическую линию машин, оборудования и инженерных сооружений,
предназначенных для забора, перекачки, улучшения качества, хранения,
регулирования подачи и подачи воды от водоисточника к местам ее потребления
под необходимым напором.
Необходимо изучить схемы сельскохозяйственного водоснабжения, их
отличительные особенности,
источниками
водоснабжения,
ознакомиться с природными и искусственными
способами
31
передачи
воды,
особенностями
конструкции водозаборных сооружений. Знать требования, предъявляемые к
качеству питьевой воды. Уяснить понятия «норма водоснабжения» и «режим
водопотребления». Уяснить понятия коэффициентов суточной и часовой
неравномерности водопотребления. Уметь определять среднесуточный и часовой
расходы воды.
Уяснить назначение, типы и особенности устройства водонапорных башен.
Уметь определять высоту водонапорной башни и
регулирующий объем
напорного резервуара. Необходимо ознакомиться с методикой подбора насосов.
Изучить особенности полевого и пастбищного водоснабжения.
Гидромелиорации
–
это
комплексы
долговременных
мероприятий,
обеспечивающих регулирование водно - воздушного режима почв в соответствии
с
предъявляемыми
требованиями.
Осуществляются
они
посредством
оросительных, обводнительных и осушительных систем (в зависимости от
требуемого вида гидромелиораций).
Ознакомиться с особенностями орошения земель, методами обводнения и
осушения, возможностями их технической реализации.
Вопросы для самопроверки
1.
Каковы
водоснабжения?
виды
2.
систем
Изобразите
и
одну
особенности
из
схем
сельскохозяйственного
сельскохозяйственного
водоснабжения. Каково функциональное предназначение ее элементов? 3. Какие
подземные воды Вы знаете? Каковы особенности забора данных вод? 4. Поясните
алгоритм подбора погружного насоса? 5. Что понимается под нормой
водоснабжения? 6. Что понимается под режимом водопотребления? Какова его
практическая значимость? 7. Поясните особенности работы водонапорной башни.
8. Что называется оросительной системой? 9. Охарактеризуйте основные методы
осушения.
32
Контрольные задания
Физические свойства жидкости
1. Определить плотность жидкости Ж, полученной смешением жидкости Ж1,
объемом Wi = (10+10j) л, плотностью ρ1 = (860+5 х j) кг/м3 и жидкости Ж2
объемом W2 = (95-10j) л/м3, плотностью ρ2 = (910-5j) кг/м3.
2. Жидкость, имеющая плотность ρ = (865+1 х j) кг/м3 и объем W = (150-1j) л,
получена смешиванием масла плотностью ρ1 = (850+1j) кг/м3 с маслом
плотностью ρ2 = (885+0,5j) кг/м3. Определить объемы W
1
и W2 масел,
составляющих эту жидкость.
3. Определить
плотность
жидкости,
полученной
смешиванием
двух
минеральных масел плотностью ρ1 = (845+5j) кг/м3 и ρ2 = (865+5j) кг/м3.
Объем первого масла составляет 40 % объема второго.
4. Определить плотность рабочих жидкостей при различных температурах и
результаты расчета для своего варианта j занести в таблицу 2.
Температурный коэффициент объемного расширения всех масел принять
равным 8,75 * 10-4 К-1.
Таблица 2 – Результаты расчетов плотности рабочих жидкостей
j
1
2
3
4
5
6
Марка
масла
-40
М-8-В2
М-10-В2
МГ-46-В
(МГ-30)
МГ-15В(с)
(РМГЗ)
МГ-15-Б
(АМГ-10)
МГ-20
Плотность жидкости ρ, кг/м3 при температуре t, оС
-30 -20
-10
0
10
20
30
40
50
886
890
890
860
870
885
5. При температуре плюс 20 оС масла М-10-В2, МГ-46-В (бывшие МГ-30) и
33
МГ-15-В(с) (бывшее ВМГЗ) занимают объем Wо = (20+10j) л. Определить
объемы, которые они будут занимать при температурах минус 40 оС и плюс
50 оС. Температурный коэффициент объемного расширения всех масел
принять равным 8,75 * 10-4 К-1.
6. Минеральное масло и вода в гидроцилиндрах при атмосферном давлении
занимают объем Wо = (10+3j) л. Определить, какой объем будут занимать
эти жидкости при давлении р = (8+4j) МПа, если коэффициент объемного
сжатия минерального масла равен 6,6 * 10-10Па-1, а воды – 4,7 * 10-10Па-1.
Деформацией стенок гидроцилиндров пренебречь.
7. На какую величину переместится шток гидроцилиндра диаметром
D=(50+10j) мм с запертым в нем при атмосферном давлении объемом
минерального масла Wо = 18 л, если на шток приложить усилие Т = (3+0,5j)
K 104 Н. Коэффициент объемного сжатия масла 6,6 * 10-10 Па-1.
Деформацией стенок гидроцилиндра пренебречь.
8. Стальной трубопровод длиной L = (100+20j) м и внутренним диаметром d =
(40+10j) мм при атмосферном давлении полностью заполнен минеральным
маслом. Определить, какой дополнительный объем масла необходимо
подать в полость трубы при ее гидравлическом испытании под давлении р =
(16+4j) МПа. Коэффициент объемного сжатия масла равен 6,6 * 10-10 Па-1.
Деформацией стенок трубы пренебречь.
9. Резервуар заполнен водой, занимающий объем W1 = (1,5+0,2j) м3. На
сколько уменьшится и чему будет равен этот объем при увеличении
давления на величину 200 ат? Коэффициент объемного сжатия воды
принять равным 4,75 * 10-10 Па-1. Деформацией стенок резервуара
пренебречь.
10.Высота цилиндрического резервуара h = (2,5+0,1j) м, его внутренний
диаметр d = (2,7+0,1j) м. Определить массу мазута плотностью 920 кг/м3,
которую можно налить в резервуар при температуре 15 оС, если его
температура может подняться до 40 оС. Расширением стенок резервуара
34
пренебречь, а коэффициент объемного
температурного расширения
жидкости принять равным 0,0008 К-1.
Гидростатика
11.Закрытый резервуар А, заполненный пресной водой, снабжен вакуумметром
и пьезометром (рис. 1). Определите абсолютное давление ρо над свободной
поверхностью в резервуаре и высоту поднятия воды в пьезометре h, если
глубина воды в резервуаре Н = (2,2+0,1j) м., а разность уровней ртути в
вакуумметре h1 = 80 мм. рт. ст.
12.Закрытый резервуар А, заполненный керосином на глубину Н = (3+0,1j) м.,
снабжен ртутным манометром и пьезометром (рис. 1). Определить
абсолютное давление ро над свободной поверхностью в резервуаре и
разность уровней ртути в вакуумметре h1, если высота поднятия керосина в
пьезометре h = 1,5 м. Плотность керосина 820 кг/м3.
13.Закрытый резервуар А, заполненный водой, снабжен ртутным манометром
и мановакуумметром М (рис. 2). Определить глубину Н подключения
ртутного манометра
к резервуару, если разность уровней ртути в
манометре h = (140+2j) мм. Величина b = 0,5 м., а показание
мановакуумметра М равно рм = 9,81 кН/м2.
14.Закрытый
резервуар
А,
заполненный
нефтью,
снабжен
ртутным
манометром и мановакуумметром М (рис. 2). Определить показание
мановакуумметра рм, если глубина подключения манометра Н = (1,5+0,2j)
м., разность уровней ртути h = 200 мм, а величина b = 0,5 м. Плотность
нефти 900 кг/м3.
15.Манометрическое давление в трубе А, заполненной жидкостью с
плотностью 820 кг/м3, рм =1 ,5 кгс/см2 (рис. 3). Показание ртутного
дифференциального манометра h = (100+5j) мм. Определить давление рв в
трубе В, заполненной той же жидкостью, что и колена манометра, и труба
35
А.
36
Рисунки к задачам 11…19
16.Определить,
на
какой
высоте
z
установится
уровень
ртути
в
дифференциальном жидкостном манометре (рис. 4), если при абсолютном
давлении в трубопроводе р = (130+0,5j) кПа и показании манометра h = 25
мм система находится в равновесии. Удельный вес ртути 133,4 кН/м3, а
воды 9,81 кН/м3.
17.Закрытый резервуар (рис. 5) заполнен керосином. Определить показание
манометра М рм, если показание открытого пьезометра h = (2,0+0,1j) м. при
нормальном атмосферном давлении, а глубина погружения точки А равна h1
= (1,1+0,05j) м.
18.Закрытый резервуар с водой (рис. 5) снабжен закрытым и открытым
пьезометрами. Определить высоту h2 поднятие воды в закрытом пьезометре
(соответствующую абсолютному гидростатическому давлению в точке А).
Показание открытого пьезометра h = 1,8 м при нормальном атмосферном
давлении. Расстояние от свободной поверхности жидкости в резервуаре до
точки А равно h1 = (0,8+0,05j) м.
19.Закрытый резервуар с нефтью снабжен пьезометром (рис. 6). Определить
показание манометра М, если глубина погружения точки А h1 = (0,5+0,05j)
м, а при нормальном атмосферном давлении показание пьезометра h2 =
(0,7+0,1j) м.
20.На какой высоте h над точкой А находится свободная поверхность воды,
если манометр М (рис. 7) показывает давление (20+j) кПа. Абсолютное
давление над свободной поверхностью жидкости в резервуаре равно (8+2j)
кПа.
Построить
эпюру
абсолютного
гидростатического
давления,
действующего по вертикали ВС.
21.Резервуар, наполненный водой, снабжен пьезометром (рис. 8). Точка А
погружена на глубину h = (1,0+0,1j) м. Избыточное давление на свободной
поверхности равно (5+0,2j) кПа. Найти высоту h1 подъема воды в
37
пьезометре. Построить эпюру абсолютного гидростатического давления на
плоскую поверхность ВС.
22.Резервуар, наполненный водой, снабжен пьезометром и манометром
М
(рис. 8). Точка А погружена на глубину h = (0,9+0,1j) м., а показание
пьезометра h1 = (1,5+0,2j) м. Найти показание манометра М, а также
построить эпюру избыточного гидростатического давления, действующего
по вертикали ВС.
38
Рисунки к задачам 20…24
23.Определить абсолютное давление на свободной поверхности и избыточное
давление в точке А для жидкости плотностью 760 кг/м3, находящейся в
резервуаре (рис. 9), если атмосферное давление рат = 750 мм рт ст. Глубина
39
погружения точки А под свободную поверхность h = (3+0,1j) м, показание
манометра М рм = (0,035+0,005j) МПа, а расстояние от центра манометра h1
= (0,5+0,1j) м.
24.Цилиндрический сосуд массой m = (450+5j) кг диаметром D = (550+50j) мм
и высотой h = (540+40j) мм, полностью заполненный
жидкостью
плотностью (1000-30j) кг/м3, опирается на плунжер диаметром d = (350+50j)
мм, который входит в него на глубину b = (200+20j) мм (рис. 10).
Определить показание манометра М и усилие Т на верхней крышке сосуда.
Трением опоры сосуда о поршень пренебречь
25. Понтон (рис. 11) длиной L = (10+0,5j) м и массой mп = (5+0,4j) * 103 кг
имеет поперечное сечение с размерами Н = (4,1+0,1j) м, h = (3,1+0,1j) м и b
= (9,0+0,2j) м. Определить максимальную грузоподъемность mгр понтона,
если расстояние ватерлинии от палубы равно h1 = (0,20+0,01j) м. Плотность
воды принять равной 1000 кг/м3.
26.Какую силу необходимо приложить к большему поршню, чтобы система
находилась в равновесии (рис. 12)? Сила, приложенная к меньшему
поршню, Р1 = (140+2j) Н. Диаметр большего поршня D2 = (280+10j) мм,
меньшего D1 = (46+2j) мм. Разность уровней h = 30 см. Внутренняя полость
заполнена водой. Внутренний диаметр трубки d = 10 мм. Трением поршней
и их весом пренебречь. Сколько процентов составляет сила давления столба
воды от найденной силы Р2?
27. Поршень пружинного гидроаккумулятора (рис. 13) диаметром D = (230+5j)
мм поднялся на высоту h = (14+j) мм. Определить жесткость пружины с,
Н/м, если давление жидкости р = 1,0 МПа. Трением между поршнем и
цилиндром и весом поршня пренебречь.
28.Определить давление масла р1, подводимого в поршневую полость
гидроцилиндра (рис. 14), если избыточное давление в штоковой полости р2
= (80+2j) кПа, усилие на штоке R = (10+0,5j) кН, сила трения поршня о
цилиндр F = 0,4 кН. Диаметр поршня D = 125 мм, а диаметр штока d = 70
40
мм.
29.Предварительный натяг пружины дифференциального предохранительного
клапана (рис. 15) х = (15+0,5j) мм, жесткость пружины с = (7+0,2j) Н/мм.
Определить давление жидкости, при котором клапан откроется, если
диаметры поршней D1 = 25 мм, D2 = 18 мм. Весом поршней и силой трения
пренебречь.
30.Определить величину и направление силы F, приложенной к штоку поршня
для удержания его на месте (рис. 16). Справа от поршня находится воздух,
слева от поршня и в резервуаре, куда опущен открытый конец трубы, –
вода. Показание пружинного манометра рм = 0,08 МПа, Н = 5 м, D =
(180+5j) мм и d = (50+5j) мм.
31.Паровой прямодействующий насос подает воду на высоту Н = (40+0,2j) м
(рис. 17). Определить абсолютное давление пара р, если диаметр парового
цилиндра
D = (280+2j) мм, а насосного цилиндра d = (140+2j) мм.
Потерями на трение пренебречь.
32.Определить силу давления на плоский прямоугольный затвор (рис. 18).
Глубина воды в верхнем бьефе h1 = (3+0,1j) м, в нижнем h2 = (1+0,1j) м.
Ширина затвора b = 4 м, а высота Н = (3,3+0,1j) м. Найти начальное
подъемное усилие Т, если толщина затвора равна 8 см, удельный вес
материала затвора 1,18 * 104 Н/м3, а коэффициент трения затвора о пазы f =
0,5.
33.Определить
начальное
подъемное
усилие
Т,
действующее
на
прямоугольный затвор (рис. 19). Ширина затвора равна 4 м, глубина воды
перед затвором h1 = (4,0+0,2j) м, за ним h2 = (1,2+0,2j ) м. Угол наклона
затвора к горизонту α = 60о, величина b = (0,3+0,2j) м. Вес затвора равен
(18+0,2j) кН. При подъеме затвор вращается вокруг шарнира О, трением в
41
Рисунки к задачам 25…32
42
котором пренебречь.
34.Вход в туннель перекрыт квадратным плоским затвором (γ = 12 кН/м3)
размером 3*3*0,08 м (рис. 20). Глубина воды над верхней кромкой щита h
= (1,3+0,1j) м, а глубина в туннеле h2 = (1,7+0,1j) м. Коэффициент трения в
пазах равен 0,5. Определить равнодействующую силу давления Р (считая,
что в туннеле давление воздуха атмосферное) и подъемное усилие Т.
35.Прямоугольный клапан размерами а * b = 0,5 * 0,6 м закрывает отверстие в
дне резервуара. Вес клапана G = 120 Н. Глубина воды в резервуаре h =
(1,8+0,2j) м. Клапан может вращаться шарнирно у оси О (рис. 21).
Определить: а) на каком расстоянии х от шарнира нужно прикрепить
трос, чтобы при подъеме получить наименьшее усилие Т? б) величину этого
усилия, в) чему равнялось бы усилие Т, если трос был бы прикреплен к
середине клапана (х = 0,25 м)? Трение не учитывать.
36.Затвор квадратного сечения со стороной b = 2 м может вращаться вокруг
горизонтальной оси, проходящей через центр затвора (рис.22). Определить
силу F, которую нужно приложить к верхней кромке затвора, чтобы его
открыть, если глубина воды перед ним h = (3,0+0,2j) м. В штольне справа
воздух. Трением пренебречь.
37.Найти силу Т, с которой нужно тянуть трос, прикрепленный к нижней
кромке плоского квадратного затвора со стороной b = 1 м, закрывающего
отверстие трубы (рис. 23). Затвор может вращаться вокруг шарнира О.
Глубина воды над верхней кромкой затвора равна h = (3+0,2j) м., а масса
затвора равна (200+20j) кг. Трос направлен под углом 45о к горизонту.
38.Определить минимальную толщину стенок
стального трубопровода
диаметром d = 60см., находящегося под избыточным давлением равным
(20+0,2j) бар. Допускаемое напряжение принять 13734 * 104 Н/м2.
39.Поршень А гидравлического пресса имеет диаметр d = (4,9+0,1j) см. Сила
Р1 = (190+5j) Н, действующая на поршень А, создает усилие Р2 = (5,8+0,1j)
43
кН (рис.24). Определить диаметр поршня В, пренебрегая трением и весом
поршней.
44
Рисунки к задачам 33…43
45
40.Определить удельный вес бруса (рис. 25), имеющего следующие размеры:
ширину b = 30 см, высоту h = 200 мм и длину l = (0,9+0,1j) м, если его
осадка в воде с = 16 см.
41.Деревянный брус длиной (4,5+0,5j) м, шириной b = (0,29+0,01j) м и высотой
(0,29+0,01j) м спущен в воду (рис.25). На какую глубину он погрузится,
если относительный удельный вес бруса 0,7? Определить сколько человек
могут встать на брус, чтобы верхняя поверхность бруса оказалась бы
заподлицо со свободной поверхностью воды, считая, что каждый человек в
среднем имеет массу 67,5 кг.
42.Определить количество бревен, из которых нужно изготовить плот, чтобы
перевезти через реку груз массой m = (200+50j) кг. Диаметр бревен d =
(15+1j) см, длина l = (6,5+0,1j) м. Глубина погружения бревен должна
находится в пределах 15 см. Масса перевозчика 75 кг. Относительный
удельный вес намокших бревен 0,75. Какое понадобится количество
бревен, если верх плота будет заподлицо со свободной поверхностью воды.
43.Определить, при каком манометрическом давлении воды рм внутри
водопроводной трубы внутренним диаметром d = 50 мм откроется клапан
К, закрывающий при горизонтальном положении рычага
bc отверстие
трубы (рис. 26). Плечо с в 6 раз больше, чем плечо b. Диаметр полого шара
D = (190+10j) мм. При расчете вес полого шара, а также вес рычага не
учитывать. В резервуаре вода.
Одномерное течение жидкости
44.Определить потери напора при подаче воды со средней скоростью с =
(10+5j) см/с. Температура воды 10 оС. Внутренний диаметр трубопровода d
= 200 см, его длина l = (1450+50j) м. Трубы стальные сварные новые.
Потерями напора на местных сопротивлениях пренебречь.
45.Определить потери напора в водоводе длиной l = (450+50j) м при подаче 80
46
л/с. Трубы стальные сварные бывшие
в эксплуатации с внутренним
диаметром d = 200 мм. Температура воды t = 12 оС.
46.Определить абсолютное давление жидкости перед входом в насос (рис. 27).
Всасывающий трубопровод насоса имеет длину l = (5+0,2j) м, внутренний
диаметр d = 32 мм. Высота всасывания насоса h = 0,8 м, а его подача
(45+0,5j) л/мин; h1 = 0,2 м. Учесть наличие местных
сопротивлений: приемный клапан с сеткой (ξкл = 8), плавный поворот и
вентиль. Трубопровод новый стальной.
47.Насос подает воду на высоту Н = (9+j) м по трубопроводу длиной L =
(18+2j) м с внутренним диаметром 32 мм. Объемный расход воды Q =
(4+2j) л/с при температуре 10 оС. Определить избыточное давление рм на
выходе из насоса, если давление в конце трубопровода р м1 = 1,5 бар.
Имеются местные сопротивления: вентиль В и два резких поворота на углы
β1 = 30о и β2 = 60о. Трубопровод новый стальной (рис. 28).
48.На ферму из водонапорной башни (рис. 29) поступает вода. Определить
абсолютное давление р в точке А, если расход воды Q = (90+3j) л/мин,
внутренний диаметр чугунного трубопровода d = 0,1 м, а его длина L =
(300+10j) м. Разность геодезических уровней h = (11+0,5j) м, а h1 = 0,2 м.
49.Определить напор Нн, который должен развивать насос, подающий воду в
водонапорную башню (рис.30). Глубина погружения насоса h = (40+5j) м,
объемный расход Q = (6+0,5j) л/с. Длина стального нового трубопровода L
= (800+50j) м, внутренний диаметр d = 100 мм, h1 = 14 м. Потери напора на
местных сопротивлениях принять равным 10% от потерь по длине.
50.Определить какой расход Q может обеспечить сифон при перекачке
жидкости из водоема А в водоем В при разности горизонтов Н = (1,2+0,2j) м
(рис. 31). Длина сифона L = (50+5j) м, а внутренний диаметр d = 20 см.
Трубы чугунные новые. Коэффициент потерь сетки с обратным клапаном С
принять равным 10.
47
48
Рисунки к задачам 46…53
51.На берегу реки предполагается установить станцию (рис. 32) дли подачи
воды с расходом Q = (15+0,2j) л/с. Высота оси насоса над уровнем воды в
реке hн = 4 м. Длина всасывающей трубы L = (18+0,1j) м. Трубы стальные
новые. Определить диаметр всасывающей трубы, исходя из допустимой
скорости воды ν = 0,8…1,2 м/с. При расчете скоростным напором в реке
пренебречь, температуру воды
принять равной 12 оС,
а коэффициент
сопротивления фильтра – 10.
52.Вода подается в открытый верхний бак по вертикальной трубе длиной L =
(5+0,2j) м и диаметром d = 50 мм за счет давления воздуха р в нижнем
замкнутом резервуаре (рис. 33). Определить давление воздуха р, при
котором расход
будет равен Q = (3+0,2j) л/с. Принять коэффициенты
сопротивления: вентиля равным 8,0; входа в трубу – 0,5, выхода в бак – 1,0.
Эквивалентная шероховатость стенок трубы равна 0,2 мм.
53.При истечении жидкости из резервуара в атмосферу по горизонтальной
трубе с внутренним диаметром d = 40 мм и длиной 2L = (3,8+0,2j) м уровень
в пьезометре П, установленном посередине длины трубы, равен h =
(2,8+0,2j) м (рис. 34). Определить объемный расход воды Q и коэффициент
гидравлического трения λ, если статический напор в баке постоянен и равен
Н = (6,8+0,2j) м. Построить пьезометрическую и действительную напорную
линии. Сопротивлением входа в трубу пренебречь.
54.Определить внутренний диаметр трубопровода, по которому подается вода
с расходом Q = (0,29+0,02j) л/с, из условия получения в нем максимально
возможной скорости при сохранении ламинарного режима. Температура
жидкости равна 20 оС.
55.При ламинарном режиме движения по горизонтальному трубопроводу
диаметром d = 30 см расход равнялся Q = (0,25+0,01j) м3/с, а падение
пьезометрической высоты на участке длиной L = 450 см составило h =
(65+0,01j) см. Определить кинематический и динамический коэффициенты
49
вязкости воды.
56.Определить длину трубы L, при которой расход жидкости Q из бака будет в
2 раза меньше, чем через отверстие того же диаметра d = 30 мм. Напор над
отверстием равен H = (5,8+0,2j) м (рис. 35). Коэффициент гидравлического
трения в трубе принять равным λ = 0,025.
57.Определить диаметр d горизонтального стального трубопровода длиной L =
(19+0,5j) м, необходимый для пропуска по нему воды в количестве Q =
(2,4+0,1j) л/с, если располагаемый напор H = (3,4+0,15j) м. Эквивалентная
шероховатость стенок трубы 0,15 мм.
Указание. Для ряда значений d и заданного Q определяется ряд значений
потребного напора Hп. Затем строится график Hп = f(d) и по заданному H
определяется d.
58.При внезапном расширении трубопровода (рис. 36) скорость жидкости в
трубе большего диаметра равна ν = (2+0,5j) м/с. Отношение диаметров труб
D/d = 2. Определить h – разность показаний пьезометров.
59.На поршень диаметром D = (200+10j) мм действует сила F = (4+0,05j) * 104
H (рис. 37). Определить скорость движения поршня, если в цилиндре
находится вода, диаметр отверстия в поршне d = 10 мм, толщина поршня b
= 25 мм. Силой трения поршня о цилиндр пренебречь, давление жидкости
на верхнюю плоскость поршня не учитывать.
60.По трубопроводу внутренним диаметром d = 12 мм и длиной L = (650+10j)
м движется жидкость (рис. 38). Какова разность уровней H, при которой
происходит окончание ламинарного режима движения? Местные потери
напора не учитывать. Температура воды равна 20 оС.
61.Для отвода воды необходимо под проезжей частью дороги проложить
железобетонный дюкер (рис. 39). Внутренний диаметр дюкера d = 0,5 м, его
длина L = (14,0+0,2j) м, разность уровней H = (0,1+0,02j) м. Определить
объемный расход жидкости Q. Коэффициенты местных сопротивлений
(поворотов) принять равными 0,2. Температура воды t = 15 оС. Высота
50
шероховатости стенок дюкера ∆ = 1 мм.
51
52
Рисунки к задачам 56…65
62.В центре днища бака расположено отверстие диаметром d = 3 см. Глубина
воды в баке h = (0,8+0,1j) м. Определить расход жидкости из отверстия,
если давление на поверхности воды ро = 1 бар, а также, если давление ро =
(1,0+0,2j) бар (рис. 40).
63.Через отверстие с острой кромкой, сделанное в центре торца патрубка
диаметром D = 20 см, истекает жидкость с объемным расходом Q = (40+2j)
л/с. Диаметр отверстия d = 0,1 м. Определить избыточное давление
жидкости во внутренней полости патрубка.
64.Через цилиндрический насадок истекает вода в количестве Q = (5,5+0,1j)
л/с. Диаметр насадка d = (3,0+0,1j) см, длина L = 5d. Определить глубину
погружения H (рис. 41) центра насадка, среднюю скорость νс и давление рс в
насадке (в сжатом сечении).
65.Через отверстие в тонкой стенке истекает вода в бак, имеющий объем
внутренней полости W = (1,5+0,1j) м3. Площадь отверстия равна (15+0,1j)
см2. Напор над центром отверстия H = (0,9+0,05j) м. Определить: а) время t
наполнения бака; б) при каком напоре H2 бак наполнится в 2 раза быстрее
(рис. 42).
66.В теле железобетонной плотины проектируется водоспуск в виде трубы
длиной L = 5 м (рис. 43). Центр водоспуска погружен под уровень
свободной поверхности на глубину H1 = (6,3+0,2j) м. Разность отметок
уровней воды в верхнем и нижнем бьефах плотины H2 = (12,0+0,2j) м.
Скорость подхода воды к плотине равна ν = 0,3 м/с. Определить диаметр d
водоспуска, если расход Q = (11,8+0,1j) м3/с.
67.Вода истекает через отверстие в дне бака (рис. 44). Диаметр отверстия d =
(25+0,05j) мм, расход Q = (4+0,5j) л/с.Определить величину постоянного
напора истечения H. Как изменится расход, если к отверстию с внешней
стороны приварить цилиндрический патрубок длиной 100 мм?
68.По трубе диаметром d = 50 мм протекает вода с температурой 30 оС.
53
Шероховатость стенок трубы ∆ = (0,1+0,01j) мм, а объемный расход Q =
(2+0,5j) л/с. Установить режим движения, область гидравлического
сопротивления и определить величину коэффициента гидравлического
трения λ.
69.Из
резервуара
А
животноводческого
помещения
сточные
воды
перекачиваются центробежным насосом по трубопроводу в общий
резервуар – накопитель В, где они проходят биологическую очистку (рис.
45). Перепад горизонтов в резервуарах А и В составляет ∆z = (1.4+0.1j) м.
Всасывающий трубопровод имеет внутренний диаметр d 1 = 150 мм и длину
L1 = (8,0+0,5j) м, а нагнетающий соответственно d2 = 130 мм и L2 = (130+2j)
м. Объемный расход равен Q = 25 л/с. Принять, что коэффициенты
гидравлического трения всасывающего трубопровода равен λ1 = 0,04, а
нагнетательного λ2 = 0,031; суммы коэффициентов местных сопротивлений
соответственно равны 5,6 и 8,4. Выбрать типоразмер насосного агрегата и
определить мощность на валу насоса и приводящего его в работу
электродвигателя.
70.Для подъема воды из источника водоснабжения в напорный резервуар (рис.
46) требуется подобрать центробежный насос и определить мощность на
валу насоса. Отметка уровня воды в источнике водоснабжения (30+0,5j) м, а
отметка уровня воды в напорном резервуаре (80-0,5j) м. Расход воды равен
Q = (25+j) м. Длина всасывающего трубопровода L1 = (8+0,2j) м, а его
внутренний диаметр d1 = 125 мм, у напорного трубопровода L2 = (180+2j) м
и d2 = 125 мм. Местные потери напора принять во всасывающем
трубопроводе 100%, а в напорном – 5% от потерь по длине. Эквивалентную
шероховатость труб принять равной 0,02 мм, а температуру воды t = 10 оС;
Коэффициент полезного действия насоса η = 0,7.
Гидравлический удар в трубопроводах
54
71.Горизонтальная труба служит для отвода жидкости в количестве Q =
(0,2+0,1j) л/с из большого открытого резервуара. Свободный конец трубы
снабжен краном. Определить ударное повышение давления в трубе перед
Рисунки к задачам 66…70
краном, если наружный диаметр трубы d = 28 мм, длина L = (20+10j) м,
55
толщина стенки δ = (2+0,05j) мм, материал стенки сталь. Время закрытия
крана tзакр = (0,2+0,01j) с. Жидкость – вода.
72.Жидкость в количестве
Q = (0,34+0,02j) м3/мин перекачивается по
чугунной трубе диаметром d = 50 мм, длиной L = (1000+100j) м с толщиной
стенки δ = (7,0+0,1j) мм. Свободный конец трубы снабжен затвором.
Определить время закрытия затвора при условии, чтобы повышение
давления в трубе вследствие гидравлического удара не превышало ∆р = 10
ат. Как повысится давление при мгновенном закрытии затвора? Жидкость –
авиационный бензин.
73.Определить время закрытия задвижки, установленной на свободном конце
стального трубопровода внутренним диаметром d = 150 мм, длиной L =
(1500+50j) м
с толщиной стенки δ = 8 мм, при условии, чтобы
максимальное повышение давления было в три раза меньше,
чем при
мгновенном закрытии задвижки. Через сколько времени после мгновенного
закрытия задвижки повышение давления распространится до сечения,
находящегося на расстоянии 0,7 L от задвижки?
74.Жидкость поступает из бака в трубопровод, имеющий внутренний диаметр
d = 100мм, толщину стенки δ = 4,5 мм, длину L =(800+20j) м и движется в
нем равномерно. Расход равен Q = (18+2j) л/с, давление перед затвором,
установленным на конце трубопровода, равно (0,15+0,5j) МПа. Определить
ударное повышение давления и напряжение в стенке трубы перед затвором
при закрытии последнего в течении заданного времени tзакр = 0,5 с.
Жидкость - вода, материал трубы – легированная сталь.
75.По трубопроводу длиной L = (500+10j) м протекает вода со скоростью
равной (1+0,5j) м/с. Труба полиэтиленовая с внутренним диаметром
305 мм и толщиной стенки 10 мм. Определить величину ударного
повышения давления в трубопроводе, если он перекрыт за 0,2 с.
76.Стальной трубопровод внутренним диаметром 800 мм, толщиной стенки
10мм, длиной (800+50j) м пропускает расход воды Q = (1,5+0,1j) м3/с.
56
Давление на стенки при нормальной эксплуатации трубопровода составляет
(450+20j) кПа. Выяснить, достаточна ли прочность стенок трубопровода
при его закрытии за время tзакр = (0,2+0,2j) с, если допускаемое напряжение
160 МПа.
77.Определить толщину стенок стального трубопровода, чтобы напряжение в
них от дополнительного давления при мгновенном закрытии затвора не
превышало 160 МПа. Внутренний диаметр трубопровода 305 мм, расход
воды Q = (0,8+0,1j) м3/с.
78.Напорный чугунный трубопровод длиной L = (900+50j) м, диаметром 300
мм пропускает расход воды Q = (200+10j) м3/ч. При нормальной работе
давление у затвора равно (130+5j) кПа. Определить время перекрытия
трубопровода из условия, чтобы дополнительное давление ∆р у затвора не
превышало первоначального.
79.Определить время перекрытия стального трубопровода длиной L =
(420+40j) м, по которому протекает вода со скоростью равной (1,2+0,2j) м/с,
чтобы повышение давления у задвижки не превышало (200+10j) кПа.
80.Определить
скорость
распространения
ударной
волны
и
ударное
повышение давления при мгновенном закрытии задвижки, если внутренний
диаметр чугунного трубопровода 250 мм, толщина стенки
11 мм, а скорость движения воды (1,0+0,1j) м/с.
57
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
Таблица П. 1 - Плотность некоторых жидкостей
Жидкость
Пресная вода
Морская вода
Дистиллированная вода
Ртуть
Нефть натуральная
Керосин
Дизельное топливо
Температура, оС
10
15
20
20
15
15
20
Плотность ρ, кг/м3
999,73
1020 - 1030
992,215
13546
700-900
790-820
846
Таблица П. 2 - Плотность пресной воды при разных температурах
(при атмосферном давлении)
t, оС
0
4
10
20
30
ρ, кг/м3
999,87
1000
999,73
998,23
995,67
t, оС
40
45
50
55
60
t, оС
70
80
85
90
99
ρ, кг/м3
992,24
990,25
988,07
985,73
983,24
ρ, кг/м3
977,81
971,83
968,65
965,34
959,09
Таблица П. 3 - Среднее значение объемного модуля упругости Е воды
в зависимости от температуры
t , оС
Е, 108, Н/м2
0
19,52
10
20,30
20
21,08
30
21,48
Таблица П. 4 - Значение коэффициента объемного сжатия βр воды в функции
от температуры и давления
t , оС
0
5
10
15
20
5 *105
5,40
5,29
5,23
5,18
5,15
βр * 1010, Па-1 при давлениях в Па
10* 105
20 * 105
39 * 105
5,37
5,31
5,23
5,23
5,18
5,08
5,18
5,08
4,98
5,10
5,03
4,88
5,05
4,95
4,81
58
78 * 105
5,15
4,93
4,81
4,70
4,60
Таблица П. 5 - Значение коэффициента объемного температурного расширения βт
воды в функции от температуры и давления
t , оС
1 * 105
14
150
422
556
719
1-10
10-20
40-50
60-70
90-100
βт,, 10-6, К-1 при давлениях в Па
10 * 105
20 * 105
43
72
165
183
422
426
548
539
704
-
50 * 105
149
236
429
523
661
Таблица П. 6 - Значение кинематического коэффициента вязкости ν
некоторых жидкостей при температуре 20 оС
Жидкость
Вода пресная
Глицерин
безводный
Дизельное
топливо
ν, 10-6, м2/с
1,01
4,10
5,0
Жидкость
Масло льняное
Масло
минеральное
Ртуть
ν, 10-6, м2/с
55
313-1450
0,11
Таблица П. 7 - Трубы стальные бесшовные холоднодеформированные
Наружный
диаметр,
мм
5
6
7…9
10…12
13…15
16…19
20
21…23
24
Толщина
стенки,
мм
0,3…1,5
0,3…2,0
0,3…2,5
0,3…3,5
0,3…4,0
0,3…5,0
0,3…6,0
0,4…6,0
0,4…6,5
Наружный
диаметр,
мм
25…28
30…36
38; 40
42
45; 48
50…76
80…95
100…108
110…130
Толщина
стенки,
мм
0,4…7,0
0,4…8,0
0,4…9,0
1,0…9,0
1,0…10
1,0…12
1,2…12
1,5…18
1,5…22
Наружный
диаметр,
мм
140
150
160
170
180
190
200..220
240
250
Толщина
стенки,
мм
1,6…22
1,8…22
2,0....22
2,0…24
2,0…24
2,8…24
3,0…24
4,5…24
4,5…24
В указанных пределах диаметр брать из ряда: 7; 8; 9; 10; 11; 12; 13; 14; 15; 16; 17;
18; 19; 21; 22; 23; 25; 26; 27; 28; 30; 32; 34; 35; 36; 38; 40; 50; 51; 53; 54; 56; 57; 60;
63; 65; 68; 70; 73; 75; 76; 80; 83; 85; 89; 90; 95; 100; 102; 108; 110; 120; 130; 200;
210; 220 мм.
59
Толщину стенки - из ряда: 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,8; 1,0; 1,2; 1,4; 1,5; 1,6; 1,8; 2,0; 2,2;
2,5; 2,8; 3,0; 3,2; 3,5; 4,0; 4,5; 5,0; 5,5; 6,0; 6,5; 7,0; 7,5; 8,0; 8,5; 9,0; 9,5; 10,0; 11;
12; 14; 16; 18; 20; 22; 24 мм.
Таблица П. 8 - Трубы стальные бесшовные горячедеформированные
Наружный
диаметр, мм
25…40
45
50
54
57
60; 63,5
68; 70
73; 76
83
89…102
108…121
Толщина стенки,
мм
2,5…4,0
2,5…5,0
2,5…5,5
3…11
3…12
3…14
3…16
3…18
3,5…18
3,5…22
4…28
Наружный
диаметр, мм
127
133
140…159
168…194
203; 219
245; 273
299; 351
377…426
450
480…530
Толщина стенки,
мм
4…30
4…32
4,5…36
5…45
6…50
7…50
8…75
9…75
16…75
25…75
В указанных пределах диаметр брать из ряда: 25; 28; 32; 38; 42; 89; 95; 102; 108;
114; 121; 140; 146; 152; 159; 168; 180; 194; 299; 325; 351; 377; 402; 426; 480; 500;
530 мм.
Толщину стенки – из ряда: 2,5; 2,8; 3,0; 3,5; 4,0; 4,5; 5,0; 5,5; 6;7; 8;9; 10; 11; 12; 14;
16; 18; 20; 22; 25; 28; 30; 32; 36; 40; 45; 50; 56; 60; 63; 65; 70; 75 мм.
60
Таблица П. 9 - Численные величины эквивалентной шероховатости
Трубы, их материал
и состояние
Цельнотянутые трубы
- новые технические
гладкие из стекла, латуни,
меди
- то же из алюминия
- стальные новые
- стальные после
нескольких лет
эксплуатации,
битумизированые
Стальные сварные трубы
- новые
- бывшие в эксплуатации
- умеренно заржавленные
- сильно заржавленные
Клепанные стальные
трубы
- покрытые изнутри лаком
с хорошим состоянием
поверхности
- внутри просмоленные
- поверхность труб в
плохом состоянии,
неравномерное перекрытие
соединений
Оцинкованные стальные
трубы
- новые чистые
- из листовой стали, новые
- то же, бывшие в
эксплуатации
∆ экв, мм
0,0015...0,01
0,015…0,06
0,02…0,05
0,15…0,3
0,04…0,1
0,1…0,15
0,3…0,7
2…4
0,3…0,4
1,2…1,3
≥5
0,07…0,15
0,15
0,18
61
Трубы, их материал
и состояние
Чугунные трубы
- новые чистые
- новые,
битумизированные
- асфальтированные
- бывшие в эксплуатации
- со значительными
отложениями
- очищенные, после
нескольких лет
эксплуатации
- сильно
корродированные
Бетонные и другие
трубы
- бетонные, хорошая
поверхность с затиркой
- то же, при среднем
качестве работ;
железобетонные
- то же при грубой
шероховатой
поверхности
- асбестоцементные,
новые
- то же, бывшие в
эксплуатации
- деревянные лотки из
строганых досок
- то же, из не строганых
досок
- керамические
- рукава и шланги
резиновые
∆ экв, мм
0,25…1
0,15
0,12…0,3
1…1,5
2…4
0,3…1,5
0,3
0,3…0,8
2,5
3…9
0,05…0,1
0,6
0,5…8
0,8…10
1,25
0,03
Таблица П.10
Коэффициенты местных сопротивлений
Схема местного сопротивления
1
Выход из трубы в резервуар под
уровень
Коэффициент местного сопротивления
2
2
1
 в ых  
Вход в трубу из резервуара
при
Re  Re
кр
при
Re  Re
кр
- при острых кромках
 вх = 0,50;
- при закругленных кромках и плавном входе
 вх = 0,20;
- при весьма плавном входе 
Диафрагма в трубопроводе
Резкий поворот (колено) круглой
трубы
= 0,05
2
 D2



 д   2  1
 D 2 d



0,043
  0,57 
2
 Dd


1,1  
D 
2

α,
0
град
ξ,
1
кол
α,
ξ,
кол

nn
30
45
60
75
0,155 0,318 0,355 0,806
90
110
130
150
180
1,19
1,87
2,6
3,2
3,6
град
Плавный поворот трубы на угол Ө
вх

1

90
d
2r0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
1
0,13
0,14
0,16
0,21
0,29
d
2r0
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
1
0,44
0,66
0,98
1,41
1,98
62
Продолжение таблицы П.10
1
Простая задвижка, перекрывающая
трубу
2
b/d
ξз
b/d
ξз
0.2
35.0
0.6
0.98
0.3
10.0
0.7
0.44
0.4
4.60
0.8
0.17
0.5
2.06
0.9
0.06
θ
ξ кр
θ
ξ кр
5
40
11,0
10
0,52
50
29,0
20
1,54
60
108
30
4,50
70
625
φ
ξ кр
φ
ξ кр
5
0,05
40
20,7
15
0,88
45
41
20
3,45
50
95
35
11,2
55
275
Дисковый (дроссельный) затвор
Кран
Вентили
имеют
коэффициенты - для вентилей с прямым затвором
местного
сопротивления
в
ξ в.п. = 2…5;
зависимости от их конструкции
- для вентилей с косым затвором
ξ в.к. = 0,4…2
Обратные клапаны в трубах
внутренним диаметром d, мм
с
d
ξ ок
d
ξ ок
63
50
18
250
4,5
75
11
300
3,5
100
8
350
3,0
150
6,5
400
2,5
200
5,5
500
1,8
Внезапное сужение
ξ в.с. = 0,5(1-d2/D2)2
64
Таблица П. 11 - Физические свойства жидкостей и твердых тел
Бензин
авиационный
Вода
710…780
Модуль
упругости Е, Твердые тела
109, Па
1,35
Сталь углер.
1000
2,06
Глицерин
Керосин
Спирт
этиловый
Нефть
Дизельное
топлива
Масло
турбинное
Масло
индустр. И-20
Мазут
Ртуть
12560
790…860
790
4,46
1,27
0,98
Сталь
легированная
Чугун черный
Чугун белый
Винипласт
760…900
845
1,12
1,35
Дюралюминий 70
Латунь
118
900
1,72
Полиэтилен
1,4…2,6
890
1,36
Асбоцемент
18,7
890…940
13600
25,6
Резина
0,006…0,017
Стеклопластик 5,1…10,3
Жидкость
Плотность ρ,
кг/м3
65
Модуль
упругости Е,
109, Па
206
216
151
134
3,2…3,5
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
Министерство сельского хозяйства РФ
Федеральное государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Пермская государственная сельскохозяйственная
Академия имени академика Д.Н. Прянишникова»
Кафедра «Технологическое оборудование
в животноводстве»
Контрольная работа
по гидравлике
Задание № ; вариант №
Выполнил студент 2-го курса
факультета заочного обучения
специальности _____________
__________________гр.______
__________________________
(Ф.И.О.)
Проверил:__________________
«___» ______________ 200 г.
66
Пермь, 2009
67