Лекції з теплотехніки та гідравліки. Основи гідравліки та теплотехніки

09.09.2021

Методичний посібник «Основні закони гідравліки» є коротким теоретичним курсом, у якому викладаються основні терміни та положення.

Посібник рекомендується на допомогу студентам спеціальності «Монтаж та експлуатація систем та обладнання газопостачання» при аудиторній чи позааудиторній самостійній роботі та викладачеві дисциплін «Основи гідравліки, теплотехніки та аеродинаміки», «Гідравліка».

Наприкінці посібника наводиться перелік питань для самопідготовки та перелік рекомендованої для вивчення літератури.

Завантажити:

Попередній перегляд:

Методична розробка

з дисципліни «Основи гідравліки, теплотехніки та аеродинаміки»:

«Основні закони гідравліки»

Анотація

Введение…………………………………………………………………….....4

Гідростатика, основні поняття…………………………………….......5
Основне рівняння гідростатики………………………………………7
Види гідростатичного тиску ................................................. ........8
Закон Паскаля, застосування практично………………………………...9
Закон Архімеда. Умова плавання тел………………………………..11
Гідростатичний парадокс……………………………………………..13
Гідродинаміка, основні поняття……………………………………..14
Рівняння нерозривності (суцільності)………………………………16
Рівняння Бернуллі для ідеальної рідини…………………….......17
Рівняння Бернуллі для реальної рідини………………………….20
Питання самостійної підготовки учнів………………..22

Заключение…………………………………………………………………...23

Список литературы…………………………………………………..............24

Вступ

Даний методичний посібник охоплює розділи «Гідростатика» та «Гідродинаміка» дисципліни «Основи гідравліки, теплотехніки та аеродинаміки». У посібнику викладено основні закони гідравліки, розглянуто основні терміни та положення.

Матеріал викладається відповідно до вимог навчального плану даної дисципліни та навчально-методичного комплексу за спеціальністю «Монтаж та експлуатація систем та обладнання газопостачання».

Посібник є теоретичним курсом, його можна використовувати при вивченні окремих тем навчальної дисципліни, а також для позааудиторної самостійної роботи.

Будь ласка, зверніть увагу, що завершальним етапом даного методичного посібника є перелік питань для самопідготовки учнів на всі викладені теми.

1. Гідростатика, основні поняття

Гідростатика - розділ гідравліки, що вивчає закони рівноваги рідин та їх взаємодію з поверхнями, що обмежують.

Розглянемо рідина, що у стані абсолютного рівноваги, тобто. у стані спокою. Виділимо всередині рідини деякий нескінченно малий обсягΔ V і розглянемо сили, що діють на нього ззовні.

Існує два види зовнішніх сил – поверхневі та об'ємні (масові).

Поверхневі сили - Це сили, що діють безпосередньо на зовнішню поверхню виділеного об'єму рідини. Вони пропорційні площі цієї поверхні. Такі сили обумовлені впливом сусідніх об'ємів рідини на цей об'єм чи впливом інших тіл.

Об'ємні (масові) силипропорційні масі виділеного об'єму рідини та діють на всі частинки всередині цього об'єму. Прикладами об'ємних сил є сила тяжіння, відцентрова сила, сила інерції та ін.

Для характеристики внутрішніх сил, що діють виділений обсяг рідини введемо спеціальних термін. Для цього розглянемо довільний об'єм рідини, що перебуває у рівновазі під дією зовнішніх сил.

Усередині цього об'єму рідини виділимо дуже малий майданчик. Сила, що діє на цей майданчик, нормальна (перпендикулярна) до неї, тоді співвідношення:

являє собою середній гідростатичний тиск, що виникає на майданчикуΔω . Інакше можна охарактеризувати, що під дією зовнішніх сил виникає напружений стан рідини, що характеризується виникненням гідростатичного тиску.

Щоб визначити точне значення р у даній точці, треба визначити межу цього відношення при. що й визначить справжній гідростатичний тиск у цій точці:

Розмірність [р] дорівнює розмірності напруги, тобто.

[р] = [Па] або [кгс/м 2 ]

Властивості гідростатичного тиску

На зовнішній поверхні рідини гідростатичний тиск завжди спрямовано внутрішньої нормалі, а в будь-якій точці всередині рідини його величина не залежить від кута нахилу майданчика, на якій воно діє.

Поверхня, у всіх точках якої гідростатичний тиск однаково називаєтьсяповерхнею рівного тиску. До таких поверхонь відноситься івільна поверхня, тобто поверхня розділу між рідиною та газоподібним середовищем.

Тиск вимірюють з метою безперервного контролю та своєчасного регулювання всіх технологічних параметрів. До кожного технологічного процесу розробляється спеціальна режимна карта. Відомі випадки, коли при безконтрольному підвищенні тиску багатотонний барабан енергетичного котла відлітав, немов футбольний м'яч, на кілька десятків метрів, руйнуючи все на своєму шляху. Зниження тиску не несе руйнувань, але призводить до:

брак продукції;
перевитрати палива.

Основне рівняння гідростатики

Рисунок 1 - Демонстрація основного рівняння гідростатики

Для будь-якої точки рідини, яка перебуває в стані рівноваги (див. рис.1), справедлива рівність

z+p/γ = z 0 +p 0 /γ = ... = H ,

де p – тиск у даній точці А (див. рис.); p 0 - тиск на вільній поверхні рідини; p/γ та p 0 /γ -висота стовпів рідини (з питомою вагою γ), відповідна тискам в точці, що розглядається, і на вільній поверхні; z та z 0 - координати точки А та вільної поверхні рідини щодо довільної горизонтальної площини порівняння (x0y); H - Гідростатичний натиск. З вищенаведеної формули випливає:

p = p 0 +γ(z 0 -z) або p = p 0 +γ·h

де h - глибина занурення розглянутої точки. Наведені вище вирази називаєтьсяосновним рівнянням гідростатики. Величина γ·h представляєвага стовпа рідинизаввишки h.

Висновок: Гідростатичний тиск p у цій точці дорівнює сумі тиску на вільній поверхні рідини p 0 і тиску, що виробляється стовпом рідини висотою, що дорівнює глибині занурення точки.

3. Види гідростатичного тиску

Гідростатичний тиск вимірюється у системі СІ - Па. Крім того, гідростатичний тиск вимірюється в кгс/см. 2 , Висотою стовпа рідини (в м вод. ст., мм рт. ст. і т. д.) та в атмосферах фізичних (атм) та технічних (ат).

Абсолютним називають тиск, що створюється на тіло окремо взятим газом без урахування інших атмосферних газів. Вимірюють їх у Па (паскалях). Абсолютний тиск являє собою суму атмосферного та надлишкового тиску.

Барометричним(атмосферним) називають тиск гравітації на всі предмети, що знаходяться в атмосфері. Нормальний атмосферний тиск створюється 760 мм стовпом ртуті за нормальної температури 0°С.

Вакуумом називають негативну різницю між вимірюваним та атмосферним тиском.

Різниця між абсолютним тиском p та атмосферним тиском pа називається надлишковим тиском і позначається рхат:

р изб = p - p а

або

р хат /γ = (p - p а )/γ = h п

h п у цьому випадку називаєтьсяп'єзометричною висотоюяка є мірою надлишкового тиску.

На рис. 2 а) показаний закритий резервуар з рідиною, на поверхні якої тиск p 0 . Під'єднаний до резервуару п'єзометрП (див. рис. нижче) визначає надлишковий тиск у точціА.

Абсолютний і надлишковий тиск, виражені в атмосферах, позначаються відповідно ата і ати.

Вакуумметричний тиск, або вакуум, - Нестача тиску до атмосферного (дефіцит тиску), тобто різниця між атмосферним або барометричним і абсолютним тиском:

р вак = p а - p

або

р вак /γ = (p а - p)/γ = h вак

де h вак - вакуумметрична висота, тобто показання вакуумметраУ , підключеного до резервуару, показаному на рис. 2 б). Вакуум виявляється у тих самих одиницях, як і тиск, і навіть у частках чи відсотках атмосфери.

Малюнок 2 а - Покази п'езометра Малюнок 2 б - Показання вакуумметра »

З двох двох виразів випливає, що вакуум може змінюватися від нуля до атмосферного тиску; максимальне значення hвак за нормального атмосферного тиску (760 мм рт. ст.) дорівнює 10,33 м вод. ст.

4. Закон Паскаля, його застосування на практиці

Згідно з основним рівнянням гідростатики, тиск на поверхні рідини p 0 передається всім точкам об'єму рідини та по всіх напрямках однаково. У цьому полягаєзакон Паскаля.

Цей закон було відкрито французьким вченим Б. Паскалем у 1653 р. Його іноді називають основним законом гідростатики.

Закон Паскаля можна пояснити з погляду молекулярної будови речовини. У твердих тілах молекули утворюють кристалічну решітку та коливаються біля своїх положень рівноваги. У рідинах і газах молекули мають відносну свободу, вони можуть переміщатися один щодо одного. Саме ця особливість дозволяє передавати тиск, що виробляється на рідину (або газ), не тільки у напрямі дії сили, а й у всіх напрямках.

Закон Паскаля знайшов широке застосування у сучасній техніці. На законі Паскаля засновано роботу сучасних суперпресів, що дозволяють створювати тиск близько 800 МПа. Також на цьому законі побудовано роботу систем гідроавтоматики, що управляє космічними кораблями, реактивними авіалайнерами, верстатами з числовим програмним управлінням, екскаваторами, самоскидами тощо.

Закон Паскаля не застосовний у разі рідини (газу), що рухається, а також у випадку, коли рідина (газ) знаходиться в гравітаційному полі; так, наприклад, відомо, що атмосферний та гідростатичний тиск зменшується з висотою.

Малюнок 3 - Демонстрація закону Паскаля

Розглянемо найвідоміший пристрій, який використовує у принципі своєї дії закон Паскаля. Це гідравлічний прес.

Основою будь-якого гідравлічного преса є сполучені судини у вигляді двох циліндрів. Діаметр одного циліндра значно менший за діаметр іншого циліндра. Циліндри заповнені рідиною, наприклад, олією. Зверху вони щільно закриті поршнями. Як видно із рис. 4, наведеного нижче, площа одного поршня S 1 у багато разів менше площі іншого поршня S 2 .

Малюнок 4 - Сполучені судини

Допустимо, до малого поршня прикладена сила F 1 . Ця сила діятиме на рідину, розподіляючись за площею S 1 . Тиск, який чиниться малим поршнем на рідину, можна розрахувати за формулою:

За законом Паскаля цей тиск передаватиметься без змін до будь-якої точки рідини. Це означає, що тиск, який чиниться на великий поршень p 2 буде таким же:

Звідси випливає:

Таким чином , Сила, що діє на великий поршень, буде в стільки разів більше сили, прикладеної до малого поршня, у скільки разів площа великого поршня більше площі малого поршня.

У результаті гідравлічна машина дозволяє отримативиграш у силі , рівний відношенню площі більшого поршня до площі меншого поршня

5. Закон Архімеда. Умова плавання тіл

На тіло, занурене в рідину, крім сили тяжіння, діє сила, що виштовхує, - сила Архімеда. Рідина тисне на всі грані тіла, але тиск неоднаковий. Адже нижня грань тіла занурена в рідину більше ніж верхня, а тиск з глибиною зростає. Тобто сила, що діє на нижню грань тіла, буде більшою, ніж сила, що діє на верхню грань. Тому виникає сила, яка намагається виштовхнути тіло із рідини.

Значення архімедової сили залежить від густини рідини та об'єму тієї частини тіла, яка знаходиться безпосередньо в рідині. Сила Архімеда діє у рідинах, а й у газах.

Закон Архімеда : на тіло, занурене в рідину або газ, діє виштовхувальна сила, що дорівнює вазі рідини або газу в обсязі тіла.

Сила Архімеда, що діє на занурене в рідину тіло, може бути розрахована за формулою:

де ρ ж - Щільність рідини, Vпункт - Об'єм зануреної в рідину частини тіла.

На тіло, що знаходиться всередині рідини, діють дві сили: сила тяжіння та сила Архімеда. Під впливом цих сил тіло може рухатися. Існує три умови плавання тіл (рис. 5):

якщо сила тяжіння більше архімедової сили, тіло тонутиме, опускатиметься на дно;
якщо сила тяжіння дорівнює силі Архімеда, то тіло може перебувати в рівновазі у будь-якій точці рідини, тіло плаває всередині рідини;
якщо сила тяжіння менше архімедової сили, тіло спливатиме, піднімаючись вгору.

Малюнок 5 - Умови плавання тіл

Закон Архімеда використовують і для повітроплавання. Вперше повітряну кулю в 1783 створили брати Монгольф'є. У 1852 році француз Жиффар створив дирижабль - керований аеростат з повітряним кермом та гвинтом.

6. Гідростатичний парадокс

Якщо одна й та сама рідина налита до однієї і тієї ж висоти в судини різної форми, але з однаковою площею дна, то, незважаючи на різну вагу налитої рідини, сила тиску на дно однакова для всіх судин і дорівнює вазі рідини в циліндричній посудині.

Це явище називаєтьсягідростатичним парадоксомі пояснюється властивістю рідини передавати на всі боки вироблений на неї тиск.

У судинах різної форми (рис. 6), але з однаковою площею дна та однаковим рівнем рідини в них тиск рідини на дно буде однаковим. Його можна розрахувати:

P = p ⋅ S = g ⋅ ρ ⋅ h ⋅ S

S – площа дна

h – висота стовпа рідини

Малюнок 6 - Посудини різної форми

Сила, з якою рідина тисне на дно судини, залежить від форми судини і дорівнює вазі вертикального стовпа, основою якого є дно судини, а висотою – висота стовпа рідини.

У 1618 р. Паскаль вразив своїх сучасників, розірвавши діжку всього кухлем води, влитої в тонку високу трубку, вставлену в діжку.

7. Гідродинаміка, основні поняття

Гідродинамікою називається розділ гідравліки, що вивчає закони руху рідин під дією прикладених зовнішніх сил та їх взаємодію з поверхнями.

Стан рідини, що рухається в кожній її точці характеризується не тільки щільністю і в'язкістю, але і головне - швидкістю частинок рідини і гідродинамічний тиск.

Основним об'єктом вивчення є потік рідини, під яким розуміється рух маси рідини, яка обмежена повністю або частково якоюсь поверхнею. Поверхня, що обмежує, може бути твердою (наприклад, береги річки), рідкою (кордон розділу між агрегатними станами) або газоподібною.

Перебіг рідини може бути встановленим і невстановленим. Рухом, що встановився, називається такий рух рідини, при якому в даній точці русла тиск і швидкість не змінюються в часі

υ = f(x, y, z) та р = f(x, y, z)

Рух, у якому швидкість і тиск змінюються як від координат простору, а й від часу, називається неустановившимся чи нестаціонарним υ = f(x, y, z, t) і р = f(x, y, z, t)

Прикладом руху може послужити витікання рідини з судини з підтримуваним постійно рівнем через конічну трубку. Швидкість руху рідини в різних перерізах трубки буде різнитися, але в кожному з перерізів ця швидкість буде постійною, яка не змінюється в часі.

Якщо ж у подібному досвіді рівень рідини в посудині не підтримувати постійним, то рух рідини по тій же конічній трубці матиме нестаціонарний (невстановлений) характер, оскільки в перерізах трубки швидкість не буде постійною в часі (зменшуватиметься зі зниженням рівня рідини в посудині).

Розрізняють напірне та безнапірне рух рідини. Якщо стінки повністю обмежують потік рідини, рух рідини називають напірним (наприклад, переміщення рідини по повністю заповненим трубам). Якщо ж обмеження потоку стінками часткове (наприклад, рух води у річках, каналах), такий рух називають безнапірним.

Напрямок швидкостей у потоці характеризується лінією струму.
Лінія струму - уявна крива, проведена всередині потоку рідини таким чином, що швидкості всіх частинок, що знаходяться на ній в даний момент часу, стосуються цієї кривої.

Рисунок 7 – Лінія струму

Лінія струму відрізняється від траєкторії тим, що остання відображає шлях якоїсь однієї частинки за деякий проміжок часу, тоді як лінія струму характеризує напрямок руху сукупності частинок рідини в даний момент часу. При русі лінії струму, що встановився, збігається з траєкторіями руху частинок рідини.

Якщо у поперечному перерізі потоку рідини виділити елементарний майданчикΔS і провести через точки її контуру лінії струму, то вийде так званатрубка струму . Рідина, що усередині трубки струму, утворюєелементарний струмок. Потік рідини можна розглядати як сукупність всіх елементарних струменів, що рухаються.

Малюнок 8 – Трубка струму

Живим перерізом ω (м²) називають площу поперечного перерізу потоку, перпендикулярну до напряму течії. Наприклад, живий переріз труби – коло.

Змочений периметр χ ("хі") - частина периметра живого перерізу, обмежений твердими стінками (на рис. він виділений потовщеною лінією).

Малюнок 9 – Живий переріз

Гідравлічний радіус потоку R - відношення живого перерізу до змоченого периметру

Витрата потоку Q - об'єм рідини V, що протікає за одиницю часу t через живий переріз ω.

Середня швидкість потоку - швидкість руху рідини, що визначається ставленням витрати рідини Q до площі живого перерізу ω

Оскільки швидкість руху різних частинок рідини відрізняється одна від одної, тому швидкість руху й усереднюється. У круглій трубі, наприклад, швидкість на осі труби максимальна, тоді як стінки труби вона дорівнює нулю.

Рівняння нерозривності (суцільності)

Рівняння нерозривності течій випливає із закону збереження речовини та сталості витрати рідини по всій течії. Представимо трубу зі змінним живим перетином.

Рисунок 10 – Демонстрація рівняння нерозривності струменя

Витрата рідини через трубу у її перерізі постійний, т.к. виконується закон збереження енергії. Також вважатимемо, що рідина нестерпна. Таким чином, Q 1 = Q 2 = const, звідки

ω 1 υ 1 = ω 2 υ 2

Або можливий інший запис цього рівняння:

Тобто. середні швидкості v 1 та v 2 обернено пропорційні відповідним площам живих перерізів w 1 і w 2 потоку рідини.

Отже, рівняння нерозривності виражає сталість об'ємної витрати Q , і умова нерозривності струменя рідини, по довжині потоку рідини, що встановився.

9. Рівняння Бернуллі для ідеальної рідини

Рівняння Данила Бернуллі, отримане в 1738 показує зв'язок між тиском р, середньою швидкістю υ і п'єзометричною висотою z в різних перерізах потоку і виражає закон збереження енергії рідини, що рухається.

Розглянемо трубопровід змінного діаметра, розташований у просторі під кутом β (див. рис.10)

Рисунок 11 – Демонстрація рівняння Бернуллі для ідеальної рідини

Виберемо довільно на ділянці трубопроводу, що розглядається, два перерізи: переріз 1-1 і переріз 2-2. Вгору трубопроводом від першого перерізу до другого рухається рідина з витратою Q.

Для вимірювання тиску рідини застосовують п'єзометри - тонкостінні скляні трубки, в яких рідина піднімається на висоту.. У кожному перерізі встановлені п'єзометри, у яких рівень рідини піднімається різні висоти.

Крім п'єзометрів у кожному перерізі 1-1 і 2-2 встановлено трубку, загнутий кінець якої спрямований назустріч потоку рідини, яка називається трубка Піто. Рідина у трубках Піто також піднімається на різні рівні, якщо відраховувати їх від п'єзометричної лінії.

П'єзометричну лінію можна побудувати в такий спосіб. Якщо між перетином 1-1 і 2-2 поставити кілька таких п'єзометрів і через показання рівнів рідини в них провести криву, то отримаємо ламану лінію (показана на малюнку).

Але висота рівнів у трубках Піто щодо довільної горизонтальної прямої 0-0 (площини відліку координат), яка називається площиною порівняння, буде однакова.

Якщо через показання рівнів рідини в трубках Піто провести лінію, вона буде горизонтальна, і відображатиме рівень повної енергії трубопроводу.

Для двох довільних перерізів 1-1 і 2-2 потоку ідеальної рідини рівняння Бернуллі має такий вигляд:

Оскільки перерізи 1-1 і 2-2 взяті довільно, отримане рівняння можна переписати інакше:

Формулювання рівняння таке:

Сума трьох членів рівняння Бернуллі для будь-якого перерізу потоку ідеальної рідини є постійна величина.

З енергетичної точки зору кожен член рівняння є певними видами енергії:

z 1 та z 2 - питомі енергії положення, що характеризують потенційну енергію у перерізах 1-1 та 2-2;- питомі енергії тиску, що характеризують потенційну енергію тиску у тих самих перерізах;- питомі кінетичні енергії у тих самих перерізах.

Виходить, що повна питома енергія ідеальної рідини у будь-якому перерізі постійна.

Також є формулювання рівняння Бернуллі з геометричної точки зору. Кожен член рівняння має лінійну розмірність. z 1 та z 2 - геометричні висоти перерізів 1-1 та 2-2 над площиною порівняння;- п'єзометричні висоти;- Швидкісні висоти у зазначених перерізах.

У цьому випадку рівняння Бернуллі можна прочитати так: сума геометричної, п'єзометричної та швидкісної висоти для ідеальної рідини є постійною величиною.

10. Рівняння Бернуллі для реальної рідини

Рівняння Бернуллі для потоку реальної рідини відрізняється від рівняння Бернуллі для ідеальної рідини.

При русі реальної в'язкої рідини виникають сили тертя, наприклад, пов'язані з тим, що поверхня трубопроводу має певну шорсткість, на подолання яких рідина витрачає енергію. В результаті повна питома енергія рідини в перерізі 1-1 буде більшою за повну питому енергію в перерізі 2-2 на величину втраченої енергії.

Рисунок 12 – Демонстрація рівняння Бернуллі для реальної рідини

Втрачена енергія (втрачений натиск) позначаютьсямає лінійну розмірність.

Рівняння Бернуллі для реальної рідини матиме вигляд:

У міру руху рідини від перерізу 1-1 до перерізу 2-2 втрачений напір постійно збільшується (втрачений натиск виділено вертикальним штрихуванням).

Таким чином, рівень початкової енергії, якою володіє рідина в першому перерізі, для другого перерізу складатиметься з чотирьох складових: геометричної висоти, п'єзометричної висоти, швидкісної висоти та втраченого натиску між перерізами 1-1 та 2-2.

Крім цього, в рівнянні з'явилися ще два коефіцієнти α 1 та α 2 , Які називаються коефіцієнтами Коріоліса і залежать від режиму течії рідини (α = 2 для ламінарного режиму, α = 1 для турбулентного режиму).

Втрачена висотаскладається з втрат напору по довжині трубопроводу, спричинених силою тертя між шарами рідини, і втрат, спричинених місцевими опорами (змінами конфігурації потоку, наприклад, засувка, поворот труби)

H довжин + h місць

За допомогою рівняння Бернуллі вирішується більшість завдань практичної гідравліки. Для цього вибирають два перерізи по довжині потоку, таким чином, щоб одного з них були відомі величини р, ρ, а для іншого перерізу одна або величини підлягали визначенню. При двох невідомих для другого перерізу використовують рівняння сталості витрати рідини 1 ω 1 = υ 2 ω 2 .

11. Запитання для самостійної підготовки учнів

Завдяки дії яких сил тіло плаває у воді? Поясніть умови, за яких тіло починає тонути.
У чому, на вашу думку, полягає відмінність ідеальної рідини від реальної? Чи існує ідеальна рідина у природі?
Які види гідростатичного тиску Ви знаєте?
Якщо визначати гідростатичний тиск у точці рідини на глибині h , то які сили діятимуть на цю точку? Назвіть та поясніть відповідь.
Який фізичний закон лежить в основі рівняння нерозривності та рівняння Бернуллі? Поясніть відповідь.
Назвіть та коротко охарактеризуйте пристрої, принцип дії яких ґрунтується на законі Паскаля.
У чому полягає фізичне явище, яке називається гідростатичним парадоксом?
Коефіцієнт Коріоліса, середня швидкість потоку, тиск, втрати напору по довжині трубопроводу ... Поясніть яке рівняння, пов'язує всі ці величини, і що ще не зазначено в цьому перерахуванні.
Назвіть формулу, що зв'язує питому вагу та щільність.
Рівняння нерозривності струменя рідини відіграє важливу роль у гідравліці. Для якого виду рідини воно є справедливим? Поясніть свою відповідь.
Назвіть прізвища всіх вчених, названих у цьому методичному посібнику, і поясніть їх відкриття.
Чи існують в навколишньому світі ідеальна рідина, лінія струму, вакуум? Поясніть свою відповідь.
Назвіть прилади для вимірювання різних видів тиску за схемою: «Вигляд тиску….. – прилад…..».
Наведіть приклади з повсякденного життя види напірного та безнапірного руху рідини, стаціонарного та невстановленого.
Для яких цілей застосовуються на практиці п'єзометр, барометр та трубка Піто?
Що станеться, якщо при вимірюванні тиску виявлять, що він набагато вищий за нормативні значення? А якщо менше? Поясніть свою відповідь.
У чому відмінність об'єктів вивчення розділів «гідростатика» та «гідродинаміка»?
Поясніть геометричний та енергетичний зміст рівняння Бернуллі?
Змочений периметр, живий переріз. Продовжіть цей список і поясніть, що характеризують перелічені терміни.
Перерахуйте, які закони гідравліки Ви дізналися з даного методичного посібника, і який фізичний зміст вони несуть у собі?

Висновок

Сподіваюся, що цей методичний посібник допоможе студентам краще засвоїти навчальний матеріал дисциплін «Гідравліка», «Основи гідравліки, теплотехніки та аеродинаміки» і головне – отримати уявлення про «найяскравіші» моменти дисципліни, що вивчається. про основні закони гідравліки. На цих законах заснована робота багатьох пристроїв, які ми використовуємо в роботі та у повсякденному житті, часто навіть не здогадуючись про це.

З повагою Маркова Н.В.

Список літератури

Брюханов О.М. Основи гідравліки та теплотехніки: Підручник для студ. учред. середовищ. проф. освіти / Брюханов О.М., Мелік-Аракелян А.Т., Коробко В.І – М.: ІЦ Академія, 2008. – 240 c.
Брюханов О.М. Основи Гідравліки, теплотехніки та аеродинаміки: Підручник для студ. учред. середовищ. проф. освіти/Брюханов О.М., Мелік-Аракелян А.Т., Коробко В.І. - М: Інфра-М, 2014, 253 с.
Гусєв А. А. Основи гідравліки: Підручник для студ. учред. середовищ. проф. освіти / А. А. Гусєв. – К.: Видавництво Юрайт, 2016. – 285 с.
Ухін Б.В. Гідравліка: Підручник для студ. учред. середовищ. проф. освіти / Ухін Б.В., Гусєв А.А. - М: Інфра-М, 2013, 432 с.

Обласна бюджетна освітня установа

середньої професійної освіти

«Курський монтажний технікум»

Робоча ПРОГРАМА НАВЧАЛЬНОЇ ДИСЦИПЛІНИ

ВП 06.

основної професійної освітньої програми середньої професійної освіти за фахом

140102 Теплопостачання та теплотехнічне обладнання

(базова підготовка)

м.Курськ

РОЗГЛЯДНО І СХІДНО

на засіданні ЦК ОПД

Протокол №_____

«____»_____________2012 р.

Голова ЦК Станар О.М.

ПОГОДЖЕНО

__________________

Зам. директора з УР О.Б. Грунєва

«____»______________2012 р.

Робоча програма навчальної дисципліни«Теоретичні основи теплотехніки та гідравліки» розроблена на основі:

Федерального державного освітнього стандарту за спеціальністю середньої професійної освіти(базова підготовка), що входить до складу укрупненої групи спеціальностей 140000 Енергетика, енергетичне машинобудування та електротехніка, затвердженого наказом Міністерства освіти і науки Російської Федерації від 15 лютого 2010 року, №114.

Розробник:

А.А. Катальнікова, викладач ОБОУ СПО «Курський монтажний технікум».

ЗМІСТ

Стор.

ПАСПОРТ робочої ПРОГРАМИ НАВЧАЛЬНОЇ ДИСЦИПЛІНИ

СТРУКТУРА та зміст НАВЧАЛЬНОЇ ДИСЦИПЛІНИ

умови реалізації робочої програми навчальної дисципліни

Контроль та оцінка результатів Освоєння навчальної дисципліни

1. паспорт робочої ПРОГРАМИ НАВЧАЛЬНОЇ ДИСЦИПЛІНИ

Теоретичні основи теплотехніки та гідравліки

1.1. Область застосування робочої програми

Робоча програма навчальної дисципліни є частиною основної професійної освітньої програми відповідно до ФГОС за фахом СПО140102 «Теплопостачання та теплотехнічне обладнання» (базова підготовка), що входить до складу укрупненої групи спеціальностей 140000 Енергетика, енергетичне машинобудування та електротехніка.

Робоча програма навчальної дисципліни може бути використана у додатковій професійній освіті та професійній підготовці працівників у галузі теплопостачання та теплотехнічного обладнанняза наявності середньої (повної) загальної освіти. Досвід роботи не потрібний.

1.2. Місце навчальної дисципліни у структурі основної професійної освітньої програми: дисципліна входить до професійний цикл, відноситься до загальнопрофесійних дисциплін.

1.3. Цілі та завдання навчальної дисципліни – вимоги до результатів освоєння навчальної дисципліни.

вміти :

виконувати теплотехнічні розрахунки:

Термодинамічних циклів теплових двигунів та теплосилових установок;

витрат палива; теплоти та пари на вироблення енергії;

Коефіцієнтів корисної дії термодинамічних циклів теплових двигунів та теплосилових установок;

Втрат теплоти через огороджувальні конструкції будівель, ізоляцію трубопроводів та теплотехнічного обладнання;

Теплових та матеріальних балансів, площі поверхні нагріву теплообмінних апаратів;

Визначати параметри при гідравлічному розрахунку трубопроводів, повітроводів;

Будувати характеристики насосів та вентиляторів.

В результаті освоєння навчальної дисципліни учень повинензнати :

Параметри стану термодинамічної системи, одиниці виміру та співвідношення між ними;

Основні закони термодинаміки, процеси зміни стану ідеальних газів, водяної пари та води;

Цикли теплових двигунів та теплосилових установок;

Основні закони теплопередач;

Фізичні властивості рідин та газів;

Закони гідростатики та гідродинаміки;

Основні завдання та порядок гідравлічного розрахунку трубопроводів;

Види, пристрої та характеристики насосів та вентиляторів.

1.4. Кількість годин на освоєння робочої програми навчальної дисципліни:

максимального навчального навантаження учня 180 годин, у тому числі:

обов'язкового аудиторного навчального навантаження учня 120 годин;

самостійної роботи учня 60 год.

2. СТРУКТУРА І ЗМІСТ НАВЧАЛЬНОЇ ДИСЦИПЛІНИ

2.1. Обсяг навчальної дисципліни та види навчальної роботи

в тому числі:

навчально – індивідуальна робота студента;

підготовка рефератів;

оформлення лабораторних робіт;

систематичне опрацювання конспектів занять, навчальної та спеціальної літератури з питань до параграфів, розділів навчальних посібників;

вирішення завдань, виконання вправ

Підсумкова атестація у формі іспиту

2.2. Тематичний план та зміст навчальної дисципліни

Теоретичні основи теплотехніки та гідравліки

Короткий історичний огляд та сучасний рівень розвитку гідравліки та теплотехніки.

Роль вітчизняних вчених у розвитку цих наук.

Розділ 1.Фізичні властивості рідин та газів

Тема 1.1.

Фізичні властивості рідини та газів

Фізичні властивості рідин: щільність, питома вага, питомий об'єм, залежність між ними, стисливість, в'язкість, залежність від температури та тиску.

Самостійна робота

Розділ 2. Основи гідростатики

Тема 2.1

Гідростатичний тиск. Основне рівняння гідростатики.

Сили, що діють усередині рідини. Гідростатичний тиск у точці, його властивості, одиниці виміру. Абсолютний та надлишковий тиск.

Основне рівняння гідростатики. Фізична сутність та графічне уявлення рівняння гідростатики. Напори. Прилади для вимірювання тиску.

Лабораторні роботи

Вимірювання тиску п'єзометром та манометром. Переведення одиниць вимірювання тиску.

Практичні заняття

Розв'язання задач на складання рівняння рівноваги рідини

Самостійна робота:

Тема 2.2. Сили тиску рідини та газу на плоскі та криволінійні стінки.

Закон Паскаля. Гідравлічний прес, гідравлічний домкрат.

Сила гідростатичного тиску на пласкі поверхні. Центр тиску. Гідростатичний феномен. Графічний спосіб визначення сили гідростатичного тиску

Сила гідростатичного тиску на циліндричну поверхню. Формула розрахунку труб на міцність. Закон Архімеда. Плавлення тіл та їх стійкість.

Практичні заняття

Розв'язання задач щодо визначення сили тиску на різні поверхні, визначення товщини стінки труб

Самостійна робота учнів:

Оформлення практичних робіт

Розділ 3. Основи гідродинаміки

Тема 3.1. Основні закони руху рідини

Види руху рідин: встановлений, невстановлений, рівномірний, нерівномірний. Поняття про струминчастий рух рідини. Потік рідини елементи потоку. Швидкість та витрата рідини. Рівняння нерозривності потоку.

Рівняння Бернуллі, його геометричний та енергетичний зміст.

Лабораторні роботи

Дослідження рівняння Бернуллі. Побудова напірної та п'єзометричної ліній.

Самостійна робота:

Оформлення лабораторних робіт;

Систематичне опрацювання конспектів занять, навчальної та спеціальної літератури з питань до параграфів, розділів навчальних посібників

Тема 3.2. Гідравлічні опори

Гідравлічні опори та їх види. Режими руху рідини.

Критерій Рейнольдса. Характеристика ламінарного та турбулентного руху рідини. Втрати напору по довжині потоку та в місцевих опорах (запірній арматурі, при розширенні та звуженні потоку, зміні напряму потоку). Розрахунок втрат напору при раптовому розширенні потоку. Коефіцієнт гідравлічного тертя, його визначення у ламінарному та турбулентному режимах руху рідини.

Лабораторні роботи

Визначення двох режимів руху рідини. Визначення числа Рейнольдс.

Визначення втрат напору за довжиною коефіцієнта гідравлічного тертя.

Визначення місцевих втрат напору, коефіцієнта місцевих опорів.

Самостійна робота

Оформлення лабораторних робіт;

Систематичне опрацювання конспектів занять, навчальної та спеціальної літератури з питань до параграфів, розділів навчальних посібників;

Тема 3.3. Гідравлічний розрахунок трубопроводів

Трубопроводи та їх види. Гідравлічний розрахунок простого та складного трубопроводів. Гідравлічний удар у трубопроводах (прямий та непрямий).

Розрахунок безнапірних та коротких трубопроводів.

Практичні заняття

- Розрахунок простого трубопроводу

Самостійна робота:

Оформлення практичних робіт;

Підготовка рефератів

Прикладна тематика:

Сучасні засоби захисту трубопроводів від гідравлічного удару.

Явище кавітації при перебігу рідини у трубах.

Заходи, які застосовуються для запобігання кавітації.

Тема 3.4. Закінчення рідини через отвори та насадки

Витікання рідини з отворів при постійному натиску. Поняття "отвір у тонкій стінці" та "малий отвір". Види насадок. Закінчення рідини через насадки при постійному натиску.

Практичні заняття

Визначення витрати рідини при витіканні з отвору та через насадки

Самостійна робота:

- оформлення практичних робіт

Контрольна робота з розділу 3. Основи гідродинаміки

Розділ 4 Насоси та вентилятори

Тема 4.1. Види та принцип дії насосів

Відцентрові насоси, їх види, принцип дії. Повний натиск, гранична висота всмоктування. Подача, напір, потужність та ККД відцентрового насоса, їх визначення. Залежність цих параметрів від частоти обертання двигуна.

Формули пропорційності. Характеристики відцентрових насосів та напірних трубопроводів. Паралельна та послідовна робота відцентрових насосів. Поршневі насоси, їх види, принцип дії. Струменеві насоси.

Практичні роботи

Побудова характеристик відцентрового насосу

Самостійна робота:

Оформлення практичних робіт;

Навчально – індивідуальна робота студента.

Тема 4.2. Види та принцип дії вентиляторів

Відцентрові та осьові вентилятори, їх види та принцип дії. Продуктивність, тиск, споживана потужність та ККД вентиляторів. Залежність параметрів вентилятора від частоти обертання двигуна.

Практичні роботи

Побудова параметрів відцентрового вентилятора.

Самостійна робота:

Оформлення практичних робіт;

Розділ 5. Основи технічної термодинаміки

Тема 5.1. Основні положення технічної термодинаміки. Газові закони Газові суміші

Теплова та механічна енергія. Основні термодинамічні характеристики стану робочого тіла. Ідеальний та реальний газ. Молекулярно-кінетична теорія газів.

Газова суміш, її склад. Парціальний тиск та наведений обсяг компонентів газової суміші. Закон Дальтона. Співвідношення між масовими та об'ємними складами суміші.

Самостійна робота:

систематичне опрацювання конспектів занять, навчальної та спеціальної літератури з питань до параграфів, розділів навчальних посібників

Тема 5.2. Теплоємність

Теплоємність та кількість теплоти. Постійна та змінна теплоємність. Середня та справжня теплоємність. Теплоємність газової суміші

Практичні заняття:

Визначення об'ємної теплоємності повітря при постійному тиску

Самостійна робота

Оформлення практичних робіт;

Тема 5.3. Закони термодинаміки. Термодинамічні процеси.

Перший закон термодинаміки - закон збереження та перетворення теплової та механічної енергії. Одиниці виміру теплоти та роботи. Ентальпія газу. Аналіз основних термодинамічних процесів зміни стану ідеальних газів: ізохорного, ізобарного, ізотермічного, адіабатного, політропного. Рівняння стану термодинамічних процесів, їх зображення на pv – діаграмі. Визначення роботи, зміна внутрішньої енергії та кількості теплоти.

Другий закон термодинаміки. Кругові процеси чи цикли. Термічний ККД циклу. Рівноважний та нерівноважний стан робочого тіла. Зворотні та незворотні процеси та цикли. Ідеальний цикл Карно, його зображення на pv – діаграмі. Другий закон термодинаміки для оборотних та незворотних процесів. Ентропія її фізичний зміст. Тs-діаграма. Третій закон термодинаміки.

Практичні заняття:

Термодинамічний розрахунок циклів та визначення їх термічних коефіцієнтів корисної дії (ККД), зображувати цикли на pv та Ts - діаграмах.

Самостійна робота

Оформлення практичних робіт;

Розв'язання задач, виконання вправ

Тема 5.4. Газові цикли

Двигун внутрішнього згорання. Цикли ДВС із різними способами підведення теплоти. Їхнє зображення на pv і Ts - діаграмах. Термічний ККД циклів ДВЗ. Газотурбінні установки. Цикли ГТУ із різними способами підведення теплоти. Їхнє зображення на pv і Ts - діаграмах. Термічний ККД циклів ГТУ. Термодинамічні засади роботи компресора. Зображення циклу компресора на pv та Ts - діаграмах.

Практичні заняття:

Проведення порівняння термічних ККД циклів ДВЗ та ГТУ з різними способами підведення теплоти.

Самостійна робота

оформлення практичних робіт;

Розв'язання задач, виконання вправ

Тема 5.5. Реальні гази. Водяна пара та її властивості

Властивість реальних газів. Характеристичне рівняння реальних газів Ван-дер-Ваальса. Водяна пара як реальний газ. Пароутворення, випаровування, кипіння, конденсація, сублімація, десублімація.

Насичена водяна пара. Суха і волога насичена пара. Перегріта пара. Ступінь сухості. Вологості та перегріву. Прикордонні криві та критична точка. Таблиці термодинамічних властивостей води та водяної пари.

Практичні заняття:

Визначення параметрів водяної пари з використанням таблиць.

Обчислення параметрів вологої насиченої пари з використанням таблиць водяної пари та математичних залежностей.

Самостійна робота

Оформлення практичних робіт;

Тема 5.6. Термодинамічні процеси водяної пари

Основні процеси зміни стану водяної пари: ізобарний, ізохорний, ізотермічний та адіабатний. Зображення основних термодинамічних процесів водяної пари на pv та Ts - діаграмах.

Визначення кількості теплоти, зміни внутрішньої енергії, ентальпії, ентропії та питомого об'єму водяної пари в кожному термодинамічному процесі.

Практичні заняття:

Розрахунок процесів зміни стану водяної пари за допомогою таблиць та діаграм.

Самостійна робота

Оформлення практичних робіт;

Розв'язання задач, виконання вправ.

Тема 5.7. Закінчення та дроселювання газів та парів

Загальні поняття закінчення. Робота проштовхування і робота.

Швидкість та критична швидкість закінчення, секундна масова витрата газу. Залежність закінчення від співвідношення тисків. Практичне застосування закінчення. Комбіноване сопло Лаваля.

Процес дроселювання та його особливості. Технічне застосування дроселювання.

Практичні заняття:

Визначення параметрів та характеристик водяної пари при закінченні та дроселюванні

Самостійна робота

оформлення практичних робіт;

Підготовка реферату

Прикладна тематика:

Комбіноване сопло Лаваля;

Практичне застосування процесу дроселювання;

Технічне застосування процесу закінчення.

Тема 5.8. Цикли паротурбінних установок.

Схема паротурбінної установки. Цикл Ренкіна ідеальний пароводяний цикл теплової електричної станції, зображення циклу на pv та Ts – діаграмах. Регенеративний цикл паротурбінної установки. Цикл із проміжним перегрівом пари. Бінарний та парогазовий цикли теплосилових установок.

Практичні заняття:

Зображення циклів паротурбінних установок на pv та Ts - діаграмах

Самостійна робота

Оформлення практичних робіт;

Розділ 6. Основи теплопередачі

Тема 6.1. Основні положення теорії теплообміну.

Процес передачі тепла теплопровідністю, конвекцією та випромінюванням. Концепція теплопередачі. Передає теплоту через плоску одношарову стінку. Закон Фур'є

Передача теплоти теплопровідністю через багатошарову пласку стінку. Передача теплоти теплопровідністю через багатошарову циліндричну стінку.

Практичні заняття:

Визначення коефіцієнта теплопровідності та розрахунок кількості теплоти переданого теплопровідністю через стінки різної форми.

Самостійна робота

Оформлення практичних робіт;

Тема 6.2. Конвективний теплообмін. Тепловіддача та теплопередача.

Основні положення конвективного теплообміну. Тепловіддача між плоскою стінкою та рідиною. Коефіцієнт тепловіддачі, його фізичний сенс Теплопередача через багатошарову стінку та циліндричні стінки. Коефіцієнт теплопередачі, його фізичне значення.

Практичні заняття:

Розрахунок кількості теплоти, що передається від теплоносія до стін різної форми.

Самостійна робота

Оформлення практичних робіт;

Тема 6.3.Теплопередача при вільному русі рідини, вимушеному поздовжньому та поперечному обтіканні труб, зміна агрегатного стану речовини.

Чинники, що зумовлюють вільний рух рідини. Розподіл температур та швидкостей у прикордонному шарі. Характер руху рідини вздовж вертикальної стінки, поблизу горизонтальних труб та пластин. Рівняння визначення коефіцієнта тепловіддачі, умови його застосування.

Тепловіддача при поздовжньому обтіканні гладких труб у турбулентному режимі. Коефіцієнт тепловіддачі. Процес тепловіддачі при поперечному обтіканні труб. Шахове та коридорне розташування труб у пучках. Критеріальне рівняння.

Умови виникнення конденсації. Термічний опір під час конденсації пари. Визначення коефіцієнта тепловіддачі під час конденсації. Умови виникнення кипіння. Коефіцієнт тепловіддачі при кипінні та залежність його від різних факторів.

Практичні заняття:

Розрахунок коефіцієнта тепловіддачі за допомогою критеріальних рівнянь у різних випадках конвективного теплообміну.

Самостійна робота

Оформлення практичних робіт;

Розв'язання задач виконання вправ;

Тема 6.4. Основні поняття та закони теплового випромінювання. Теплообмін випромінюванням між тілами.

Властивості теплового випромінювання. Поглинаюча, відбивна та пропускна здатність тел. Основні закони теплового випромінювання: закони Планка, Стефана-Больцмана, Ламберта, Кірхгофа. Різні випадки теплообміну випромінюванням.

Практичні заняття:

Розрахунок кількості променистої теплоти, ступеня чорноти поверхні тіл. випромінювальної та поглинаючої здатності тел.

Самостійна робота

Оформлення практичних робіт;

Тема 6.5. Теплообмінні апарати

Призначення та класифікація теплообмінних апаратів. Принцип роботи поверхневих та змішувальних теплообмінних апаратів. Основні схеми руху теплоносія. Рівняння теплового балансу та теплопередачі в теплообмінному апараті. Коефіцієнт теплопередачі теплообмінного апарату. Визначення поверхні нагрівання теплообмінного апарату.

Практичні заняття:

Складання рівняння теплового балансу та теплопередачі в теплообмінних апаратах.

Самостійна робота

оформлення практичних робіт;

Індивідуальна навчальна робота студентів

Контрольна робота з розділу 6. Основи теплопередачі

Для характеристики рівня освоєння навчального матеріалу використовуються такі позначення:

1. - ознайомлювальний (впізнавання раніше вивчених об'єктів, властивостей);

2. – репродуктивний (виконання діяльності за зразком, інструкцією чи під керівництвом);

3. - продуктивний (планування та самостійне виконання діяльності, вирішення проблемних завдань).

3. умови реалізації програми дисципліни

3.1. Вимоги до мінімального матеріально-технічного забезпечення

Реалізація навчальної дисципліни потребує наявності лабораторіїгідравліки, теплотехніки та аеродинаміки.

Обладнання навчального кабінету:

посадкові місця за кількістю учнів;

робоче місце викладача, обладнане персональним комп'ютером з ліцензійним чи вільним програмним забезпеченням, відповідним розділам програми та підключеним до мережі Internet та засобами виведення звукової інформації;

комплект навчально-наочних посібників «Основи гідравліки, теплотехніки та аеродинаміки»;

об'ємні моделі насосів та вентиляторів;

віртуальна лабораторія "Гідравліка";

сканер;

принтер.

Технічні засоби навчання:

мультимедіа-проектор або мультимедійна дошка;

фото або відео камера;

веб-камера.

3.2. Інформаційне забезпечення навчання

Основні джерела:

1. О.Н.Брюханов, В.А.Жила. Основи гідравліки, теплотехніки та аеродинаміки. - М: Інфра-М, 2010.

2. І.А. Прибутков, І.А. Левицький. Теоретичні основи теплотехніки. - М.: Видавничий центр «Академія», 2004.

Додаткові джерела:

В.І. Калицун. Гідравліка, водопостачання та каналізація. - М.: Будвидав, 2000.

В.І.Каліцун, Є.В. , К.І. . Основи гідравліки, теплотехніки та аеродинаміки. - М.: Будвидав, 2005.

В.М. Луканин. Теплотехніка. - М.: Вища школа, 1999.

Інтернет ресурси:

http://twt.mpei.ru/GDHB/OGTA.html

4. Контроль та оцінка результатів освоєння Дисципліни

Контроль та оцінка результатів освоєння навчальної дисципліни здійснюється викладачем у процесі проведення практичних занять та лабораторних робіт, тестування, а також виконання індивідуальних завдань, що навчаються, проектів.

Результати навчання

(Освоєні вміння, засвоєні знання)

Форми та методи контролю та оцінки результатів навчання

повинен вміти:

виконувати теплотехнічні розрахунки:

Термодинамічних циклів теплових двигунів та теплосилових установок;

Захист практичної роботи

витрат палива; теплоти та пари на вироблення енергії;

Перевірна робота за темою

Коефіцієнтів корисної дії термодинамічних циклів теплових двигунів та теплосилових установок;

Захист практичної роботи

Теплових та матеріальних балансів, площі поверхні нагріву теплообмінних апаратів;

Захист практичної роботи

Визначати параметри при гідравлічному розрахунку трубопроводів, повітроводів;

Перевірна робота за темою

Будувати характеристики насосів та вентиляторів.

Перевірка виконання самостійної домашньої роботи

Опитування за індивідуальними завданнями

В результаті освоєння навчальної дисципліни учень повинен знати:

Параметри стану термодинамічної системи, одиниці виміру та співвідношення між ними;

Основні закони термодинаміки, процеси зміни стану ідеальних газів, водяної пари та води;

Цикли теплових двигунів та теплосилових установок;

Оцінка виконання усних та письмових вправ

Контрольна робота

Фізичні властивості рідин та газів;

Фронтальне та індивідуальне опитування під час аудиторних занять

Закони гідростатики та гідродинаміки;

Оцінка фронтального та індивідуального опитування під час аудиторних занять.

Аналіз результатів письмового тестування.

Контрольна робота

Основні завдання та порядок гідравлічного розрахунку трубопроводів;

Перевірка самостійної роботи

Види, пристрої та характеристики насосів та вентиляторів.

Аналіз результатів письмового тестування

Розробник:

ОБЛУ СПО «КМТ» _________ __ викладач _____ __ А.А. Катальнікова

Експерти:

ОБЛУ СПО «КМТ» ________ _ методист ___ ____ М. Г. Денісова _____

____________________ _______ ___________________ _________________________

(місце роботи) підпис (займана посада) (ініціали, прізвище)

Контрольна робота

Основи гідравліки та теплотехніки

тиск гідростатичний насос

Дано: Δt 0 =7 0 C, b t = 10 -4 °С -1; b w = 5'10 -10 Па -1

Визначити Δр

Коефіцієнти об'ємного стиснення b w та температурного розширення b t визначаються за формулами:

де DW- Зміна початкового обсягу W н, що відповідає зміні тиску на величину Dpабо температури на величину Dt; Wн- Початковий обсяг, займаний рідиною, до її нагрівання; Wн1- Початковий об'єм, займаний рідиною при атмосферному тиску після її нагрівання.

З даних формул:

Знаходимо шукану величину Dpпри зміні температури на задану величину Dt°С:

Завдання 2

Дано: r в= 1000 кг/м 3; g= 9,81 м/с 2 Н=4 м, h=3,3 м, b=1,3 м, r кл=2,15∙10 3 кг/м 3

Потрібно визначити:

1. Силу надлишкового гідростатичного тиску на 1 погонний метр довжини стінки, попередньо побудувавши епюру гідростатичного тиску.

2. Положення центру тиску.

3. Запас стійкості Kпідпірної стінки на перекидання.

Ширину стінки b 3 при запасі стійкості K = 3.

Рішення

1) Для побудови епюри гідростатичного тиску на стінку слід у точках А та В визначити надлишковий тиск за формулою:

, (1)

де - щільність води,

h- Глибина занурення даної точки під рівень води, м.м.

При побудові епюри гідростатичного тиску слід пам'ятати, що тиск завжди спрямований перпендикулярно до майданчика, на який він діє.

У точці А h A =0, отже, за формулою (1) надлишковий тиск дорівнює нулю р А =0

У точці h В =h, отже, за формулою (1) надлишковий тиск дорівнює нулю р B =1000∙9,81∙3,3=32373 Па=32,4 кПа

У масштабі 1 см = 10 кПа будуємо епюру гідростатичного тиску - трикутник.

Сила надлишкового гідростатичного тиску на плоску стінку обчислюється за такою формулою:

, (3)

де pц.т. - Тиск у центрі тяжкості змоченої поверхні, Па (Н/м 2);

w- площа змоченої поверхні, м 2 w = h∙1 п.м.

За формулою (1):

де h цт - Відстань від вільної поверхні рідини до центру тяжкості.

h цт = 3,3/2 = 1,65 м

Точка застосування сумарної сили надлишкового гідростатичного тиску називається центром тиску. Положення центру тиску визначається за такою формулою:

, (4)

де Lц.д. - відстань у плоскій стінці від центру тиску до вільного рівня рідини, м; Lц.т. - відстань у плоскій стінці від центру тяжкості стінки до вільного рівня рідини, м; w - площа змоченої поверхні, м; J- момент інерції змоченого плоского майданчика щодо горизонтальної осі, що проходить через центр ваги.

Для плоскої прямокутної фігури:

Пог. м

Підставимо в (4):

Знайдемо перекидальний момент.

Мопр = 53,41 ∙ (3,3-2,2) = 58,75 кНм

Утримуючий момент щодо точки Про дорівнює:

де G- Вага підпірної стінки, кН.

Вага стінки дорівнює G=mg=ρклVg=ρкл b H 1 пм g

Де ρкл – щільність кладки.

Запас стійкості на перекидання дорівнює відношенню утримуючого моменту сил щодо точки Про до перекидального моменту:

М=71,29/58,75=1,21, оскільки значення K вийшло менше трьох, то визначимо ширину стінки b 3 яка б задовольняла запасу стійкості K = 3.

М уд1 = 3Мопр = 176,25 кНм

Отримане значення округлити до 5 сантиметрів у велику сторону, отримаємо ширину стінки.

Завдання 3 (В0)

Дано: D=1,7 м, =1000 кг/м 3 , Н=2 м

Визначити величину та напрям сили гідростатичного тиску води на 1 метр ширини вальцевого затвора

Сумарна сила надлишкового гідростатичного тиску води на циліндричну поверхню визначається за такою формулою:

де Р х - горизонтальна складова сили надлишкового гідростатичного тиску, Н,

Р у - вертикальна складова сили надлишкового гідростатичного тиску, Н.

,(6)

Де h цт - відстань по вертикалі від центру ваги вертикальної циліндричної поверхні рівня води, м,

Площа вертикальної проекції циліндричної поверхні, м2.

Вертикальна складова сили надлишкового гідростатичного тиску визначається за такою формулою:

Де W - об'єм тіла тиску, м3. Вертикальна складова сили тиску дорівнює вазі рідини обсягом тіла тиску. Для знаходження тіла тиску циліндричної поверхні розділимо її на 2 частини: АВ та ВС, причому тіло тиску на поверхні АВ буде позитивним, для ВС – негативним. Результуючий об'єм тіла тиску на всю циліндричну поверхню АВС і його знак знаходяться шляхом підсумовування алгебри тіл тиску на криволінійні поверхні АВ і ВС. Тіло тиску на рис.3. заштриховано.

За формулою (5) рівнодіюча сили тиску:

Сила надлишкового гідростатичного тиску спрямована по радіусу до центру циліндричної поверхні під кутом до вертикалі:

Положення центру тиску визначається за такою формулою:

Завдання 4 (В0)

Дано: рис.5, k е = 0,1 мм, Q = 3,5 л / с, d 1 = 75 мм = 0,075 м, d 2 = 50 мм = 0,05 м, d 3 = 40 мм = 0 ,04 м, l 1 = 6 м, l 2 = 2 м, l 1 = 1 м, t = 30 0 C

Потрібно:

1. Визначити швидкості руху води та втрати напору (за довжиною та місцевими) на кожній ділянці трубопроводу.

2. Встановити величину тиску Ну резервуарі.

Побудувати напірну та п'єзометричну лінії, з дотриманням масштабу.

Рішення

Складемо рівняння Д. Бернуллі у загальному вигляді для перерізу 0-0 (на вільній поверхні рідини в резервуарі) та перерізу 3-3 (на виході потоку з труби), за площину порівняння приймаємо вісь трубопроводу:

де z 0 , z 3 - відстань від центрів тяжкості перерізів 0 та 3 до довільно обраної горизонтальної площини порівняння; z 0 -z 3 = H,

p 0 , p 3 - Тиск у центрах тяжкості живих перерізів 0 і 3, р 0 = р 3 = р ат;

v 0 , v 3 - середня швидкість руху рідини в живих перерізах 0 та 3;

a 0 , a 3 - Коефіцієнт кінетичної енергії (коефіцієнт Коріоліса) - поправочний коефіцієнт, що являє собою безрозмірну величину, рівну відношенню істинної кінетичної енергії потоку в перерізі до кінетичної енергії, підрахованої за середньою швидкістю.

Швидкісним натиском у перерізі 0-0 нехтуємо

Для ламінарного режиму руху a = 2, а турбулентного a можна прийняти рівним 1;

h 0-3 - Втрати напору на подолання сил опору при русі потоку від перерізу 1 до перерізу 2; r = 1000 кг/м 3; g= 9,81 м/с2.

Тоді рівняння набуде вигляду:

(7)

Визначимо швидкість руху води на кожній ділянці.

Швидкість

Визначимо режим руху рідини кожному ділянці.

Число Рейнольдса:

де ν - коефіцієнт кінематичної в'язкості для води при t=30 0 C за додатком 1 n=0,009 cм 2 /c=0,009∙10 -4 м 2 /c

Режим перебігу рідини на всіх ділянках турбулентний, тому коефіцієнт гідравлічного тертя визначаємо за формулою Альтшуля:

, (12)

де kе- еквівалентна шорсткість стінки труби.

Втрати напору дорівнюють сумі втрат за довжиною та місцевих втрат:

h w = h l + h м

Втрати напору за довжиною визначаємо за формулою Дарсі:

1. Втрати напору у місцевих опорах обчислюють за формулою Вейсбаха:

де V- середня швидкість за цим місцевим опором; z – безрозмірний коефіцієнт місцевого опору визначається за довідником.

Втрати за довжиною:

, За додатком 2 ξ вс1 =0,324

, За додатком 2 ξ вс2 =0,242

При обчисленні втрати напору на вхід до труби коефіцієнт місцевого опору z вхдорівнює 0,5.

Швидкісний натиск

Підставимо в (7):

Н=0,40+0,06+0,16+0,26+0,05+0,10+0,02=1,05 м

Будується напірна лінія. Напірна лінія показує, як змінюється повний напір: (Повна питома енергія) по довжині потоку. Значення Нвідкладаються вертикально нагору від осьової лінії трубопроводу.

При побудові напірної лінії необхідно виділити вертикалями розрахункові ділянки. Таких ділянок у цій задачі буде три. Далі у довільно вибраному вертикальному масштабі відкладається від осьової лінії величина знайденого рівня рідини в резервуарі Н. Проводячи за рівнем горизонтальну лінію, отримуємо лінію вихідного (початкового) напору. Від рівня рідини в резервуарі по вертикалі, що відповідає перерізу при вході рідини в трубопровід, відкладається в масштабі вниз відрізок, що дорівнює втраті напору при вході рідини в трубу (втрата напору в місцевому опорі hвх). На ділянці L 1 має місце втрата напору по довжині трубопроводу h L 1 . Для отримання точки, що належить напірній лінії в кінці ділянки L 1 потрібно від лінії повного напору після входу рідини в трубу відкласти по вертикалі в кінці ділянки L 1 вниз у масштабі відрізок, що відповідає втраті напору на цій ділянці h L 1 . Потім від точки повного натиску в кінці ділянки L 1 відкладається у масштабі відрізок, що відповідає втраті напору у місцевому опорі (раптове розширення hвр), і так до кінця трубопроводу. З'єднуючи точки повного натиску у кожному перерізі, отримаємо напірну лінію. П'єзометрична лінія показує, як змінюється п'єзометричний натиск (питома потенційна енергія) по довжині потоку. Питома потенційна енергія менша за повну питому енергію на величину питомої кінетичної енергії a v 2 / (2 g). Тому, щоб побудувати п'єзометричну лінію, потрібно обчислити на кожній ділянці величину a v 2 / (2 g) на початку та в кінці кожної ділянки та з'єднуючи отримані точки, будуємо п'єзометричну лінію.

Верхня лінія (синя) – напірна

Нижня (червона) – п'єзометрична

Горизонтальний масштаб: 1 см - 1,25 м

Вертикальний масштаб: 1 см - 0,2 м

Завдання 5 (в0)

Дано: d=200 мм=0,2 м, L=200 м, L нд =20 м, d нд =200 мм=0,02 м, Q=47,1 л/с=0,0471 м 3 /с , Н = 2,2 м

Потрібно визначити:

1. Тиск при вході в насос (показ вакуумметра в перерізі 2 -2), виражене у метрах водяного стовпа.

Як зміниться величина вакууму в цьому перерізі, якщо воду в колодязь подавати двома трубами однакового діаметра d?

Рішення

Для визначення необхідної величини вакууму при вході в насос (перетин 2-2) -необхідно знати висоту розташування осі насоса над рівнем води у водоприймальному колодязі. Ця висота складається із суми висот H + z. Оскільки величина Нзадана, необхідно визначити перепад рівнів води в річці та водоприймальній криниці z.

Величина zпри заданих довжині та діаметрі самопливної лінії залежить від витрати Q і визначається з рівняння Бернуллі, складеного для перерізів О-Оі 1-1 (рис. 9):

. (14)

Приймаючи за горизонтальну площину порівняння перетин 1-1 та рахуючи v 0 = 0 і v 1 = 0, а також враховуючи, що тиск у перерізах О-Оі 1-1 дорівнюють атмосферному ( р о= p aті р 1= p aт), маємо розрахунковий вид рівняння:

Таким чином, перепад рівнів води в басейні і водоприймальному колодязі дорівнює сумі втрат напору при русі води по самопливній лінії. Вона складається з втрат напору за довжиною та у місцевих опорах

Швидкість у самопливному трубопроводі:

До місцевих опорів відносяться вхід у трубопровід і вихід із нього. При визначенні втрат напору цих опорах коефіцієнт місцевого опору входу слід прийняти z вх = 3, а виходу z вих = 1.

Приймаємо кінематичний коефіцієнт в'язкості n = 0,01х10 -4 м 2 /с, тоді за формулою (8) число Рейнольдса:

Приймаємо еквівалентну шорсткість стін труб kе= 1 мм

Тоді з (15) перепад тисків z = 0,46 +3,33 = 3,79 м

Шукана величина вакууму при вході в насос визначається з рівняння Бернуллі, складеного для перерізів 1-1 2 -2, при цьому за горизонтальну площину порівняння беремо перетин 1 -1:

Втрати напору дорівнюють сумі втрат за довжиною та місцевих втрат.

Коефіцієнт місцевого опору приймального клапана із сіткою по дод. 3 дорівнює z сет =5,2, коліна z кіль = 0,2.

Втрати за довжиною:

Тоді h 1-2 = 0,62 +0,33 = 0,95 м

Вакуум на вході в насос:

При русі води двома самопливними трубами однакового діаметра нове значення вакууму в перерізі 2-2 визначається з розрахунку проходження по одній трубі витрати Q 1 = Q / 2 = 0,02355 м 3 / с

Швидкість у самопливному трубопроводі:

Визначимо місцеві втрати за формулою (13)

Число Рейнольдса:

Коефіцієнт гідравлічного тертя за формулою (12):

Втрату напору за довжиною знайдемо за формулою Дарсі:

Тоді з (15) перепад тисків z = 0,12 +0,86 = 0,98 м

Вакуум на вході в насос:

Вакуум зменшиться в 63,3: 12,6 = 5 разів.

Завдання 6 (в0)

Дано: d 1 = 4,5 см, d 2 = 3,5 см, Н 1 = 1,5 м, h 1 = 1 м, h 2 = 0,5 м

Потрібно визначити:

Витрата Q,

Перепад рівнів води у відсіках h.

а) вільне закінчення; б) закінчення під рівень

Рішення

Витрата рідини при витіканні з отворів та насадок визначається за формулою:

, (16)

де w - площа отвору, w=πd 2 /4, Н - діючий натиск над центром отвору: m - коефіцієнт витрати (при закінченні з отвору можна прийняти m про = 0,62, з насадки - m н = 0,82).

Припустимо, що отвір не затоплено. Тоді за формулою (16) знаходимо витрату:

Враховуючи рівність витрат з отвору та насадки, визначаємо

. (20)

(h 2 + H 2)=0,5+2,35=2,85м³ h 1 =1м, отже, отвір затоплено, виконаємо перерахунок, вважаючи витікання з отвору затопленим. В цьому випадку:

З цієї рівності знаходимо Н 2 .

Перевіряємо умову затоплюваності

(h 2 + H 2) = 0,5 +1,22 = 1,72 м > h 1 = 0,5 м і визначаємо шукану витрату

Знаходимо потрібне значення

h = (h 1 + H 1) - (h 2 + H 2) = (1 +1,5) - (0,5 +1,22) = 0,78 м

Виконуємо перевірку

Завдання 7 (в0)

Дано: Q=60 л/с=0,06 м3/с, L=0,75 км=750 м, z=3 м, Н св=12 м, труби чавунні, hм=0,1h l

Знайти d, Нб, Нсв \

Діаметр трубопроводу призначається за таблицею граничних витрат, поданою в дод. 4.

Для Q=60 л/с та чавунних труб призначаємо d=250 мм.

Необхідна висота водонапірної башти визначається рівнянням

, (21)

де h w- втрата напору на ділянці трубопроводу від точки А до точки В, що складається з втрати напору за довжиною та втрати напору в місцевих опорах:

, (22)

де S 0 - Питомий опір труби; K- Витратна характеристика (модуль витрати) труби.

Швидкість у трубопроводі:

Отже, виправлення на неквадратичність не потрібна.

За додатком 5 питомий опір труби, що працює в квадратичній ділянці опору при d=250 мм:

S 0 кв=2,53 з 2/м 6

Втрати напору формулою (22):

Тоді за формулою (21) висота вежі:

Нб = 7,51 +12-3 = 16,51 м, округляємо до Нб = 17 м

Величина вільного натиску в кінцевій точці мережі при витраті, що дорівнює половині розрахункового, визначається за формулою:

, (28)

де - Втрата напору в мережі при витраті Q 1 .

Q 1 = Q / 2 = 0,03 м 3 / с

Швидкість

Потрібна поправка на неквадратичність

k 1 - поправочний коефіцієнт, що враховує неквадратичність, за дод. 6 k 1 = 1,112

Втрати напору формулою (22):

Завдання 8 (в0)

Дано: L 1-2 = 600 м, L 2-3 = 100 м, L 3-4 = 0,5 км = 500 м, L 2-5 = 0,7 км = 700 м, Q 2 = 11 л/ с = 0,011 м 3 / с, Q 3 = 9 л / с = 0,009 м 3 / с, Q 4 = 7 л / с = 0,007 м 3 / с, Q 5 = 16 л / с = 0,016 м 3 / с, q 3-4 = 0,01 л/с м, q 2-5 = 0,02 л/с м, Нсв = 15 м

Потрібно:

2. Встановити діаметри труб на магістральному напрямку за граничними витратами.

3. Визначити необхідну висоту водонапірної башти.

4. Визначити діаметр відгалуження від магістралі.

Обчислити фактичні значення вільних напорів у точках водовідбору.

Рішення:

1. Визначимо дорожні витрати Q n 3-4 , Q n 2-5 за формулою

де q- задана питома дорожня витрата на ділянці; L- Довжина ділянки.

Q n 3-4 = q 3-4 ∙ L 3-4 =0,01∙500=5 л/с

Q n 2-5 = q 2-5 ∙ L 2-5 =0,02∙700=14 л/с

2. Встановимо розрахункові витрати води для кожної ділянки мережі, керуючись тим, що розрахункова витрата на ділянці дорівнює сумі вузлових витрат, розташованих за даною ділянкою (у напрямку руху води). При цьому рівномірно розподілені дорожні витрати замінюються зосередженими порівну в прилеглих вузлах.

Виправлення на неквадратичність не потрібна.

Для d 2-5 = 150 мм із 2 /м 6

Втрати напору формулою (22):

6. Обчислимо висоту водонапірної башти за формулою

де Hсв- вільний натиск у кінцевій точці магістралі; S× h сума втрат натиску на ділянках магістралі від вежі до кінцевої точки.

Нб = 15 +3,61 +13,74 = 32,35 м

Отримане значення Hбокругляємо до Нб = 33 м-коду.

Визначити тиск води на початку відгалуження від магістралі (у точці 2) за формулою

де h 1-2 - Втрата натиску на ділянці магістралі від вежі до відгалуження.

Н 2 = 33-3,61 = 29,39 м

Середній гідравлічний ухил для відгалуження визначаємо за формулою

, (34)

де Hсв- необхідний вільний натиск у кінцевій точці відгалуження; L з 2/м 6

Чугаєв Р.Р.Гідравліка: Підручник для вузів. 5-те вид., репринтне. – М.: ТОВ «БАСТЕТ», 2008. – 672 с.: іл.

Штеренліхт Д.В. Гідравліка. – К.: Колос, 2006, – 656 с. іл..

Лапшев Н.М. Гідравліка. – М.: Академія, 2007. – 295 с.

Ртищева О.С. Теоретичні основи гідравліки та теплотехніки. Навчальний посібник. – Ульяновськ, УлГТУ, 2007. – 171 c.

Брюханов О.М. Основи гідравліки та теплотехніки. - М.: Академія, 2008.

Акімов О.В., Козак Л.В., Акімова Ю.М. Гідравліка: навч. посіб. – Хабаровськ: Вид-во ДВГУПС, 2008 – 94 с.: іл.

Акімов О.В., Козак Л.В., Акімова Ю.М. Гідравліка: метод. Вказівки щодо виконання лабораторних робіт. Частина 2. – Хабаровськ: Вид-во ДВГУПС, 2009 – 27 с.: іл.

Акімов О.В., Акімова Ю.М. Гідравліка. Приклади розрахунку: навч. посіб. – Хабаровськ: Вид-во ДВГУПС, 2009 – 75 с.: іл.

Акімов О.В., Козак Л.В., Акімова Ю.М, Бірзуль О.М. Гідравліка: зб. лабораторні роботи. – Хабаровськ: Вид-во ДВГУПС, 2008 – 83 с.: іл.

Козак Л.В., Ромм К.М., Акімов О.В. Гідравліка. Гідростатика: Збірник типових завдань. У 3-х частинах. - Частини 1 і 2. - Хабаровськ: Вид-во ДВГУПС, 2001

Козак Л.В., Бірзуль О.М. Гідравліка. Гідродинаміка: зб. типових завдань. – Хабаровськ: Вид-во ДВГУПС, 2008 – 74 с.: іл.

Гідравліка - наука, що вивчає закони рівноваги та руху рідини, а також методи практичного застосування цих законів. Закони гідравліки використовуються при проектуванні та будівництві гідротехнічних споруд, гідравлічних машин, розрахунку трубопроводів тощо.

Перші, дуже важливі результати досліджень у галузі гідравліки пов'язані з ім'ям давньогрецького вченого Архімеда (287-212 рр. до н. е.), який відкрив закон про рівновагу тіла, зануреного в рідину. Однак посту Архімеда протягом майже 1700 років гідравліка не набула помітного розвитку.

Новий етап у розвитку гідравліки настав час відродження. Тут слід зазначити роботи голландського вченого Стевіна (1548-1620 рр.), який дав правила визначення сили тиску на дно та стінки судин; італійського вченого Торрічеллі (1608-1647 рр.), що досліджував властивості поточної рідини і відкрив закон закінчення рідини з отвору в посудині; французького математика і фізика Паскаля (1623-1662 рр.), що сформулював закон про передачу рідиною тиску, що чиниться на її поверхню.

В XVII-XVIII ст. були встановлені найважливіші закони
гідромеханіки. Відкриття законів механіки Ньютоном (1643-1727 рр.) створило необхідну основу вивчення законів руху рідин. Ньютон розробив основи теорії внутрішнього тертя рідин, розвиненої надалі його послідовниками, зокрема російським ученим М. П. Петровим (1836 — 1920 рр.). Розроблена ним теорія отримала назву гідродинамічної теорії мастила.

переглядів

Зберегти Однокласники Зберегти ВКонтакте