Л и т е р а т у р а: [1, с. 45…55]; [2, с. 57…69]; [5, с. 61…64].
1. 1. 5. Потери энергии при установившемся движении
жидкости
Изучая эту тему, необходимо установить взаимосвязь потерь напора с видом сопротивления, параметрами потока, режимом движения жидкости, относительной шероховатостью стенок трубы (канала).
Ознакомиться с выводом основного уравнения равномерного движения жидкости. Изучить основы теории ламинарного течения жидкости в трубах и в зазоре между двумя стенками, обратив внимание на распределение касательных напряжений и скоростей по сечению трубы, на вывод формулы Дарси–Вейсбаха для определения потерь напора по длине. Уметь доказывать, что при ламинарном течении потери напора по длине пропорциональны средней скорости в первой степени, а коэффициент кинетической энергии равен 2,0.
Рассмотреть особенности турбулентного движения жидкости. Уяснить понятие осредненной скорости в данной точке, отличая его от понятия средней скорости живого сечения потока. Представить и пояснить расчетную модель турбулентного потока. Объяснить, почему коэффициент кинетической энергии турбулентного потока при возрастании критерия Рейнольдса от критического значения до весьма больших величин изменяется в узких пределах (1,13…1,0).
Дать характеристики трех областей гидравлических сопротивлений: гладких труб, переходной, шероховатых труб (квадратичной). Уметь определять для каждой области гидравлический коэффициент трения по известным формулам (Блазиуса, Альтшуля, Прандтля) и графикам (Никурадзе, Мурина).
Записать формулу Вейсбаха для определения местных потерь напора. Ознакомиться по рекомендуемой литературе с основными видами местных сопротивлений, а также формулами и численными значениями коэффициентов местных сопротивлений.
Вопросы для самопроверки
1. Как взаимосвязаны касательные напряжения на стенках трубы с гидравлическим уклоном и радиусом?
2. Объясните характер распределения касательных напряжений и скоростей в сечении ламинарного потока.
3. От каких параметров зависит гидравлический коэффициент трения при ламинарном течении жидкости?
4. Почему потери напора по длине при ламинарном течении пропорциональны средней скорости в первой степени?
5. В чем различие понятий осредненной (местной) и средней скорости в сечении турбулентного потока?
6. Как распределяются скорости в сечении трубы при турбулентном течении жидкости?
7. Почему одна и та же труба может быть в одном случае гидравлически гладкой, а в другом – гидравлически шероховатой?
8. От чего зависит гидравлический коэффициент трения в различных зонах сопротивления и как его определить?
9. Дайте определение местного сопротивления.
10. Как вычисляются потери напора и давления на местных сопротивлениях?
11. От чего зависят значения коэффициентов местных сопротивлений: для внезапного и плавного сужений и расширений, резкого и плавного поворотов, задвижки?
Л и т е р а т у р а: [1, с. 55…64]; [2, с. 69…106]; [4, с. 86…93].
1. 1. 6. Истечение жидкости через отверстия и насадки.
Гидравлические струи
Цель темы – получение расчетных уравнений для определения скоростей и расходов при истечении жидкости через отверстия и насадки различной формы при постоянном напоре, времени истечения при переменном напоре, высоты, дальности и силы давления струи.
Рассмотреть истечение жидкости через малое отверстие в тонкой стенке при постоянном напоре в резервуаре. Уяснить понятия малого отверстия, тонкой стенки, затопленного и незатопленного отверстий, совершенного и несовершенного сжатия струи. Получить на основе уравнения Бернулли формулы для определения скорости и расхода жидкости при истечении через малое отверстие. Понять физический смысл коэффициентов скорости, расхода, а также методику их экспериментального определения. Знать особенности определения скорости и расхода при истечении через затопленное отверстие.
Уяснить понятие насадка, знать конструктивные виды применяемых насадков. Рассмотреть процессы истечения через внешний цилиндрический насадок при напорах меньшем и большем критической величины. Вывести формулу для определения скорости и расхода жидкости через внешний цилиндрический насадок. Уметь определять критическое значение напора, выше которого срывается вакуум в сжатом сечении насадка.
Объяснить, почему коэффициент расхода жидкости через цилиндрический насадок в докритическом режиме выше по сравнению с истечением через отверстие в тонкой стенке.
Рассмотреть также другие виды насадков (внутренний цилиндрический, сходящийся и расходящийся конические, коноидальный), их пропускную способность в сравнении с отверстием в тонкой стенке.
Изучить истечение жидкости при переменном напоре в случае опорожнения резервуара. Разобраться в выводе формулы для определения времени истечения в заданных пределах изменения уровня жидкости.
Рассмотреть виды гидравлических струй. Выяснить структуру незатопленной и затопленной струй. Ознакомиться с уравнениями для определения высоты и дальности полета незатопленной свободной струи, силы давления струи на преграду, реактивной силы струи.
Вопросы для самопроверки
1. Какие отверстия считаются малыми?
2. Как взаимосвязаны коэффициенты сжатия, скорости, расхода и местного сопротивления малого отверстия? Каков физический смысл этих коэффициентов?
3. От чего зависит расход жидкости через малое отверстие в тонкой стенке?
4. Что называется насадком? Какие виды насадков Вы знаете и каково их практическое применение?
5. Почему при установке насадка увеличивается расход по сравнению с истечением через отверстие одинакового сечения?
6. От чего зависит время опорожнения резервуара?
7. Дайте определения затопленной, незатопленной, свободной струй.
8. Какие параметры определяют высоту полета вертикальной струи, дальность полета дождевальной струи?
Л и т е р а т у р а: [1, с. 72…84]; [2, с. 106…118]; [5, с. 100…114, 138…141].
1. 1. 7. Гидравлический расчет трубопроводов
Цель гидравлического расчета трубопровода заключается в определении по двум известным величинам третьей величины: расхода жидкости, напора на входе или диаметра труб.
Ознакомиться с классификацией трубопроводов. Изучить методики расчета простых коротких и длинных трубопроводов. При расчете коротких трубопроводов применяются уравнения Бернулли и неразрывности потока, формулы для определения потерь напора по длине и местных потерь. Расчет длинных трубопроводов ведется по упрощенному уравнению Бернулли. При этом пренебрегают скоростными напорами, так как они являются весьма малыми величинами по сравнению с другими членами уравнения. Следовательно, линия полной удельной энергии совпадает с пьезометрической. Местные потери напора принимаются равными 5…15% потерь напора по длине.
Рассмотреть принципы расчета трубопровода при параллельном и последовательном соединениях труб.
Уяснить особенности расчета потерь напора в трубопроводе с равномерно распределенным путевым расходом.
Изучить методику расчета разомкнутой (тупиковой) сети. Ознакомиться с расчетом сложного кольцевого трубопровода.
Понять принципы возникновения гидравлического удара в трубопроводе. Рассмотреть вывод формулы Н.Е. Жуковского для определения повышения давления при мгновенном закрытии затвора. Проанализировать формулу Н.Е. Жуковского для вычисления скорости распространения ударной волны в трубопроводе с упругой стенкой. Уяснить особенности расчета гидроудара при постепенном закрытии затвора. Ознакомиться со способами предотвращения и использования гидроударов.
Вопросы для самопроверки
1. Как классифицируются трубопроводы?
2. В чем различие расчетов коротких и длинных трубопроводов?
3. От каких факторов зависит сопротивление трубопровода?
4. Что такое экономически выгодный диаметр трубопровода и как он определяется?
5. Как определить общее сопротивление трубопровода при последовательном и параллельном соединении участков труб?
6. Как определяются потери напора в трубопроводе с равномерно распределенным путевым расходом при наличии транзитного расхода?
7. Объясните методику расчета сложного разомкнутого трубопровода.
8. Какие принципы положены в основу расчета сложного кольцевого трубопровода?
9. Что такое фаза гидравлического удара?
10. Как определить повышение давления при гидроударе?
11. От чего зависит скорость распространения ударной волны в жидкости?
12. Какие меры принимают для понижения давления при гидроударах?
13. В каких устройствах явление гидроудара используется в полезных целях?
Л и т е р а т у р а: [1, с. 64…72]; [2, с. 118…136]; [5, с. 115…135].
1. 2. Гидравлические машины
1. 2. 1. Общие сведения о гидравлических машинах
Ознакомиться с общей классификацией гидравлических машин и областями их применения. Уяснить основные технические параметры, характеризующие работу гидравлической машины: подача (расход), напор (рабочий перепад давления), мощность полезная и потребляемая, коэффициент полезного действия.
Вопросы для самопроверки
1. Дайте общую классификацию гидравлических машин.
2. Объясните общие принципы действия лопастного и объемного насосов.
3. Как определить напор насоса по показаниям приборов?
4. Как определить полезную и потребляемую мощности насоса, гидромотора?
5. Объясните физический смысл объемного, гидравлического и механического коэффициентов полезного действия.
Л и т е р а т у р а: [1, с. 89…97]; [2, с. 154…161]; [3, с. 7…16, 22…27]; [5, с. 179…183].
1. 2. 2. Динамические насосы
В динамическом насосе жидкая среда перемещается под силовым воздействием на нее в камере, постоянно сообщающейся с входом и выходом насоса.