Чефанов В.М. Основы гидравлики: Учебное пособие

Подождите немного. Документ загружается.

Министерство образования и науки Российской Федерации

КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-

СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

В.М. ЧЕФАНОВ

ОСНОВЫ ГИДРАВЛИКИ

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ ч.I

Основы гидравлики

Казань 2004

В.М. Чефанов

Основы гидравлики

УДК 62-822

Ш39

Чефанов В.М. Основы гидравлики: Учебное пособие. Казань: Изд-во

Казан. гос. архит.- строит. ун-та, 2006. -с

ISBN 5-276-00380-7

Учебное пособие содержит дидактический материал, необходимый студентам

для освоения в течение одного семестра обучения основных положений

механики жидкости. Используется единый, универсальный, подход к

изучению движения жидкости: движение любой жидкости подчиняются

законам сохранения. Для решения любой гидравлической задачи необходимо

записать уравнения законов сохранения, уравнения или зависимости,

описывающие физические характеристики, свойства жидкости, а также

термодинамический процесс течения. Конкретность задачи течения заданной

жидкости определяется формулировкой граничных и начальных условий.

Приводятся примеры решения задач гидравлики. Пособие содержит в конце

каждого параграфа вопросы для самопроверки усвоения прочитанного

материала. Для подготовки к прохождению промежуточной аттестации

(зачету, экзамену) прилагаются тестовые вопросы.

В.М. Чефанов

Основы гидравлики

Табл. Ил. Библиогр.: 12 назв.

Рецензенты:

Кафедра

ISBN 5-276-00380-7  В.М. Чефанов, 2004

 Изд-во Казан. гос. архит.-стоит

ун-та

В.М. Чефанов

Основы гидравлики

ПРЕДИСЛОВИЕ

Учебное пособие содержит краткое систематическое изложение 1-й части

курса Гидравлика «Основы гидравлики». Оно предназначено для студентов,

обучающихся по всем формам обучения.

Материал учебного пособия базируется на предшествующих курсах

математики, физики, теоретической механики и является фундаментом для второй и

третьей частям курса: «Гидравлический расчет трубопроводов. Гидравлические

машины» и «Гидропривод и гидродинамические передачи».

При изложении материала основное внимание уделяется не строгости

изложения, а основам методологии и практическим приложениям механики

жидкости и газа (применительно к конструированию и эксплуатации гидросистем,

транспортных и технологических машин и устройств.). Поэтому основным в

пособии является техническая гидромеханика – гидравлика, изучающая законы,

условия равновесия и движения жидкостей, способы применения этих законов для

решения практических задач. Целью учебного пособия является овладение

выпускниками технических вузов основными методами решения задач и получение

знаний, необходимых для постановки сложных задач перед специалистами в

области механики жидкости и газа и их решения в результате совместной

деятельности.

В.М. Чефанов

Основы гидравлики

1. Введение

1.1. Предмет гидравлики

Раздел механики, в котором изучают равновесие и движение жидкости, а

также силовое взаимодействие между жидкостью и обтекаемыми ею телами или

ограничивающими ее поверхностями, называют гидромеханикой. Если же помимо

жидкостей изучают движение газов и обтекание им поверхностей и тел, то науку

называют аэрогидродинамикой или механикой жидкости и газа (МЖГ).

Термину «жидкость» в МЖГ часто придают более широкий смысл, чем это

принято в обыденной жизни. В понятие «жидкость» включают все тела, для которых

свойственна текучесть – способность изменять свою форму под действием сколь

угодно малых сил. Таким образом, в это понятие включают как обычные жидкости,

называемые капельными, так и газы. Первые отличаются тем, что в малом

количестве под действием поверхностного натяжения принимают сферическую

форму, а в большом – образуют свободную поверхность раздела с газом. Важной

особенностью капельных жидкостей является их несжимаемость – они ничтожно

мало изменяют свой объем при изменении давления. Газы, наоборот, могут

значительно изменять свой объем при изменении давления, т.е. они обладают

большой сжимаемостью.

Несмотря на это различие, законы движения капельных жидкостей и газов при

определенных условиях можно считать одинаковыми. Основным из этих условий

является малая скорость газа по сравнению со скоростью распространения в нем

слабых возмущений, скоростью звука.

В гидравлике изучают движение, главным образом, капельных жидкостей,

причем, в подавляющем большинстве случаев последние рассматривают как

несжимаемые. Внутренние течения газа относятся к области гидравлики лишь в тех

случаях, когда их скорости значительно меньше скорости звука (не более 30%

В.М. Чефанов

Основы гидравлики

скорости звука). Такие случаи движения встречаются в практике довольно часто

(например, течение воздуха в вентиляционных системах, в системах

кондиционирования воздуха и некоторых газопроводах).

Гидравлика дает методы расчета и проектирования разнообразных

гидротехнических сооружений (плотин, каналов, водосливов, трубопроводов для

подачи всевозможных жидкостей), гидромашин (насосов, гидротурбин,

гидропередач) а также других гидравлических устройств, применяемых во многих

областях техники. Особенно велико значение гидравлики в машиностроениии, где

приходится иметь дело с потоками без свободной поверхности и с давлениями,

отличными от атмосферного.

Гидросистемы, состоящие из насосов, трубопроводов, различных

гидроагрегатов, широко используют в технике в качестве систем жидкостного

охлаждения, топливоподачи, смазочных и т.д.

В различных видах современных машин очень широкое применение находят

гидропередачи (гидроприводы) и гидроавтоматика.

Гидропередачи представляют собой устройства для передачи механической

энергии и преобразования движения посредством жидкости. По сравнению с

передачами других видов (зубчатыми и т. п.) гидропередачи имеют ряд сущест-

венных преимуществ: простота преобразования вращательного движения в

возвратно-поступательное, возможность плавного (бесступенчатого) изменения

соотношения скоростей входного и выходного звеньев, компактность конструкций и

малая масса гидромашин при заданной мощности по сравнению, например, с

электромашинами и др.

Гидропередачи, снабженные системами автоматического или ручного

управления, образуют гидроприводы, которые благодаря перечисленным

преимуществам широко используют в различных металлобрабатывающих станках,

на летательных аппаратах, на сухопутных транспортных машинах, в строительно-

дорожных и подъемно-транспортных машинах, в прокатных станах и т.п.

В.М. Чефанов

Основы гидравлики

Гидроприводы, гидроавтоматика и различные гидравлические устройства

являются неотъемлемой частью комплексной автоматизации и механизации

производства.

Для расчета и проектирования гидросистем, гидроприводов, их систем

автоматического регулирования и других устройств с гидромашинами, а также для

правильной их эксплуатации и наладки нужно иметь соответствующую подготовку

в области гидравлики.

1.2. Методика решения задач в гидравлике.

Методика решения задач в гидравлике заключается в следующем. Выделяется

(мысленно) некоторый объем жидкости, который называется контрольным

объемом. Все, что окружает контрольный объем (окружающая среда),

отбрасывается. Чтобы движение жидкости в контрольном объеме не изменилось

действие окружающей среды на выделенный объем заменяется соответствующими

силами, которые и определяют движение жидкости. Для контрольного объема

записываются уравнения законов сохранения: закона сохранения массы, закона

количества движения (второго закона Ньютона), закона сохранения и превращения

энергии. К уравнениям законов сохранения должны быть добавлены уравнения и

зависимости, определяющие свойства жидкости и термодинамический процесс

течения. Полученная система уравнений должна быть совместной – число

уравнений должно быть равно числу неизвестных. Поскольку уравнения законов

сохранения имеют всеобщий характер для заданной жидкости, то конкретность

задачи определяется заданием начальных и граничных условий. Граничными

условиями являются форма и расположение границ контрольного объема, а также

параметры жидкости на границах выделенного объема. Под начальными условиями

понимают значения параметров жидкости во всех точках контрольного объема в

начальный момент времени.

В.М. Чефанов

Основы гидравлики

Полученная система уравнений и вспомогательных зависимостей вместе с

начальными и граничными условиями должна быть решена каким-либо методом –

теоретическим, численным, экспериментальным. В современной гидравлике, из-за

сложностей решения уравнений, исследуемое течение реальной жидкости сначала

упрощают (моделируют), затем упрощенное (модельное) течение рассчитывают.

Полученные результаты сравнивают с опытом, выявляют степень расхождения,

уточняют и исправляют теоретические выводы и формулы для приспособления их к

практическому использованию. Целый ряд явлений, крайне трудно поддающихся

теоретическому анализу из-за сложности, исследуют экспериментальным путем, а

результаты представляют в виде эмпирических формул. В настоящее время в связи с

развитием численных методов расчета, доля теоретического метода гидромеханики

несколько снизилась. Но важность экспериментального метода сегодня заключается

в том, что опыт служит как для первичного изучения явления, так и для создания

адекватных расчетных схем, причем одним из важнейших объектов эксперимента

является определение полей скоростей и давлений.

Рассмотренная методика изучения движения жидкости позволяет

сформировать этапы изучения (освоения дисциплины «Гидравлика»):

1-й этап – это знакомство с основными свойствами жидкостей и газов. Данный

этап необходим для вывода уравнений законов сохранения. Действительно, для

того, чтобы описать поведение какого-то объекта необходимо знать свойства этого

объекта.

2-м этапом является, естественно, вывод законов сохранения для

рассматриваемого объекта – жидкости.

3-й этап – упрощения и допущения, используемые при решении уравнений

МЖГ.

4-й – решение задач гидравлики.

1.3. Краткий исторический очерк развития гидравлики (МЖГ)

В.М. Чефанов

Основы гидравлики

Зарождение отдельных представлений в области гидравлики следует отнести к

глубокой древности на основе практических сведений, накопленных в Египте,

Месопотамии, Греции и Китае в результате гидротехнических работ. Устройства и

машины, созданные Ктесибием и Героном, в Александрии были образцами для

подражания в течение многих столетий. В Древней Греции впервые появился

термин «Гидравлика», первоначально обозначающий «искусство сооружения

музыкальных инструментов типа органов, использующих вертикальные трубы,

частично заполненные водой». Этимология термина связана с двумя греческими

словами: «гидр» - вода и «авлос» – труба, трубка. В Древнем Риме сооружались

сложные системы водоснабжения. Первым научным трудом по гидравлике

считается работа Архимеда (287-212 гг. до н.э.) «О плавающих телах», содержащая

его известный закон о равновесии тела, погруженного в жидкость.

Период Средневековья обычно характеризуется как регресс. Однако именно в

это время были созданы универсальные энергетические машины – водяные колеса

различных типов и размеров, послуживших основой промышленной революции

нового времени.

Эпоха Возрождения неразрывно связана, прежде всего, с именем Леонардо да

Винчи (1452-1519), явившимся основоположником гидравлики как науки. Леонардо

да Винчи обладал обширнейшими достижениями в живописи, музыке, скульптуре,

физике, анатомии, биологии, архитектуре и строительстве. Многие труды великого

Леонардо стали известны сравнительно недавно, однако, некоторые достижения в

механике и гидротехнике (например, улучшение конструкции шлюзовых ворот)

влияли на развитие европейской технике и при его жизни. Он написал труд «О

движении воды в речных сооружениях», первый установил понятие сопротивления

движению твердых тел в жидкостях и газах и положил начало экспериментальной

гидравлике, поставив лабораторные опыты. Голландский инженер и математик

Симон Стевин (1548-1620) решил задачу об определении силы давления,

действующую на плоскую фигуру в 1586 г. в книге «Начала гидростатики». Он

В.М. Чефанов