Пташкина-Гирина О.С.; Щирый В.Д. Гидравлика. Учебное пособие

Подождите немного. Документ загружается.

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации

Департамент научно-технологической политики и образования

ФГОУ ВПО "Челябинский государственный агроинженерный

университет"

Пташкина-Гирина О.С., Щирый В.Д.

ГИДРАВЛИКА

Учебное пособие

Челябинск

2009

УДК 532

Пташкина-Гирина О.С., Щирый В.Д. Гидравлика: Учебное

пособие. - Челябинск: ЧГАУ, 2009.

Учебное пособие по гидравлике состоит из пяти разделов:

гидравлика, гидравлические машины, гидравлический привод,

сельскохозяйственное водоснабжение и водоотведение. В них

рассмотрены основы теории гидравлики, классификация и конст-

рукция гидравлических машин, даны основные понятия гидро-

привода, изложены основы сельскохозяйственного водоснабже-

ния и водоотведения.

Пособие предназначено для студентов высших учебных за-

ведений, обучающихся по специальности «Агроинженерия».

Рецензенты

Васильев В.И. – канд.техн.наук, доцент (ЮУрГУ)

Пономарев С.И. – гл. инженер (ФГУ «Челябгидрострой»)

Печатается по решению редакционно-издательского

совета ЧГАУ

Редактор Гришина Л.Ф.

РИО ЧГАУ. Формат А 5. Объем 9,0 уч.-изд.л.

Тираж 100 экз. Заказ №

УОП ЧГАУ

ISBN 978-5-88156-507-7

университет», 2009.

Введение

Слово «гидравлика» произошло от слияния двух греческих

слов: «хюдор» - вода и «аулос» - труба. Как видно, раньше счита-

ли, что гидравлика должна заниматься изучением движения

именно воды и именно в трубах.

Однако в настоящее время термин «Гидравлика» получил

более широкое значение. В современном смысле гидравлика есть

техническая (прикладная) наука, в которой изучаются законы

равновесия и движения жидкостей, а также методы применения

этих законов в инженерной практике. Часть гидравлики, рассмат-

ривающую законы равновесия жидкостей, называют гидростати-

кой, часть, рассматривающую законы движения жидкостей –

гидродинамикой.

Исследование движения жидких тел является более трудной

и сложной задачей, чем исследование абсолютно твердого тела.

Еще Галилей сказал, что гораздо легче изучить движение беско-

нечно удаленных от нас небесных светил, чем движение воды в

ручейке, протекающем у наших ног. Это станет понятным, если

учесть, что в механике твердого тела мы имеем систему жестко

связанных между собой частиц, тогда как в механике жидкостей

рассматривается среда, состоящая из множества подвижных друг

относительно друга частиц.

Вследствие этих трудностей историческое развитие механи-

ки жидкостей шло двумя путями. Первый путь – путь точного

математического анализа, основанного на законах механики, –

был чисто теоретический. Он привел к созданию теоретической

гидромеханики, науке, которая долгое время являлась самостоя-

тельной дисциплиной, непосредственно не связанной с экспери-

ментом. Этот метод является весьма эффективным средством на-

учного исследования, однако не всегда дает ответы на вопросы,

выдвигаемые практикой. Поэтому из насущных задач практиче-

ской инженерной деятельности людей родилась другая наука –

гидравлика, где исследователи пошли по пути широкого привле-

чения эксперимента и накопления опытных данных для исполь-

зования их в инженерной практике.

Метод, применяемый в современной гидравлике при иссле-

довании движения жидкости, заключается в следующем. Иссле-

дуемые явления на первых порах упрощаются, идеализируются и

к ним применяют законы теоретической механики. Затем полу-

ченные результаты сравнивают с данными опытов, определяют

степень расхождения, уточняют и обеспечивают их практическое

использование.

Целый ряд явлений, крайне трудно поддающихся теоретиче-

скому анализу ввиду своей сложности, исследуется в гидравлике

чисто экспериментальным путем, а результаты такого исследова-

ния представляются эмпирическими формулами. Поэтому гид-

равлика является наукой полуэмпирической.

Эта наука дает методы расчета и проектирования разнооб-

разных гидротехнических сооружений (плотин, каналов, водо-

сливов, трубопроводов для подачи всевозможных жидкостей),

гидравлических машин (насосов и гидротурбин), гидроприводов,

а также других гидравлических устройств, применяемые во мно-

гих областях техники.

Особенно велика роль гидравлики в машиностроении. Так,

например, на современном машиностроительном заводе широко

используется гидравлический привод в металлорежущих станках,

кузнечно-прессовом гидрооборудовании; гидравлика применяет-

ся при литье металлов, пластмасс и пр.

Одной из характерных особенностей современного сельско-

хозяйственного производства является возрастающая роль раз-

личного гидравлического оборудования – гидроприводов, топ-

ливных и масляных систем на тракторах, автомобилях, комбай-

нах и других устройствах. Сельскохозяйственное производство

немыслимо без систем водоснабжения, орошения, канализации,

транспортировки и раздачи жидких кормов в животноводстве.

Для того чтобы хорошо понимать работу этих систем, гра-

мотно их эксплуатировать, уметь устанавливать причины неис-

правностей и находить пути их устранения, а тем более проекти-

ровать и рассчитывать эти системы, нужно иметь соответствую-

щую подготовку в области гидравлики.

Кроме того, гидравлика, как дисциплина общеобразователь-

ная, является фундаментом для создания принципиально новых

машин, технических и всевозможных устройств. Она входит в

число наук, наиважнейших при подготовке специалиста XXI в.

Зарождение отдельных представлений из области гидравли-

ки следует отнести к глубокой древности, ко времени гидротех-

нических работ, проводимых древними народами.

Математик и механик из Древней Греции Архимед (287-212

лет до н.э.) оставил после себя десятки рукописей и двухтомный

анализ вопросов гидростатики и плавания тел.

Труды, в которых рассматривались те или другие вопросы

гидравлики, начали появляться только спустя 16 веков. В эти ве-

ка, именуемые Средневековьем, прогресса во всех областях нау-

ки, включая и гидравлику, почти не было. «Святая» инквизиция

инакомыслящих отправляла на костер.

После периода застоя в Италии появляется гениальная лич-

ность – Леонардо да Винчи (1452-1519), который обладал обшир-

нейшими знаниями в самых различных областях: живописи, му-

зыке, скульптуре, физике, анатомии, ботанике, механике, геоло-

гии, архитектуре, строительстве. К сожалению, многие труды Ле-

онардо были утеряны или не расшифрованы (как известно, свои

труды он зашифровал, опасаясь плагиата). Есть мнение, что Лео-

нардо уже знал то, что в будущем откроют Галилей и Ньютон. В

свете дальнейшего развития науки сделалось особенно ясным ве-

личие гения Леонардо. Укажем только некоторые вопросы меха-

ники жидкости, которыми он занимался: принцип работы гидрав-

лического пресса; плавание тел; аэродинамика летательных аппа-

ратов; вопросы подводного плавания; мельницы и другие гидрав-

лические машины. Леонардо изобрел центробежный насос, па-

рашют, анемометр. Все это отражено в сохранившихся 7 тыс.

страниц его рукописей. Справедливо будет признать, что Лео-

нардо да Винчи – основоположник гидравлической науки.

Рассматривая период Возрождения, следует отметить нидер-

ландского математика инженера Симона Стевина (1548-1620),

решившего, в частности, задачу о величине гидростатического

давления, действующего на плоскую фигуру.

Великий итальянский физик, механик и астроном Галилео

Галилей (1564 – 1642) опубликовал доклад по гидростатике; он

показал, что гидравлические сопротивления возрастают с увели-

чением скорости движущегося в воде твердого тела.

В период XVII – начала XVIII веков можно отметить сле-

дующих ученых, работы которых оказались существенными для

дальнейшего развития гидравлики: Эванджелист Торричелли

(1608-1647), Эдм Мариотт (1620-1684), Блез Паскаль (1623-1662),

Исаак Ньютон (1643-1727), Вильгельм Лейбниц (1646-1716).

Современные теоретические основы механики жидкости

были заложены тремя учеными XVIII века: Бернулли, Эйлером и

Аламбером.

Даниил Бернулли (1700-1782) – выдающийся физик и мате-

матик (Голландия). С 1725 по 1733 гг. работал в Петербургской

академии наук. Он дал теоретическую основу известного уравне-

ния, носящего его имя.

Леонард Эйлер (1707-1783) – великий математик, механик и

физик (Швейцария) жил более 30 лет в России и работал в Петер-

бургской академии наук. Он подытожил и обобщил в безупреч-

ной математической форме работы предшествующих авторов и

дал известные дифференциальные уравнения движения и относи-

тельного равновесия жидкости, носящие его имя.

Жан Лерон Д

Аламбер (1717-1783) – математик и философ

(Франция), с 1764 г. состоял членом Петербургской академии на-

ук. Он предложил рассматривать жидкость как материю, состоя-

щую из большого числа частиц, свободно движущихся относи-

тельно друг друга. Считают, что он первый отметил возможность

возникновения кавитации жидкости.

С конца XVIII века во Франции возникла особая школа –

школа ученых инженеров, которые стали развивать механику

жидкости как техническую (прикладную) науку – гидравлику

(Шарль Боссю, Анри Пито, Антуан Шези, Жан Шарль Борда,

Пьер Луи Жорж Дюбуе, Джованни Баттиста Вентури).

В XIX веке гидравлическая школа инженеров быстро про-

грессировала. К французской школе присоединились специали-

сты других стран (Анри Навье, Беланже, Кориолис, Хаген, Сен-

Венан, Пуазейль, Дарси, Вебер, Вейсбах, Фруд, Маннинг, Стокс,

Кирхгоф, Базен, Пельтон, Рейнольдс и др.). В России XIX век

прославили в области гидравлики ученые Петров, Жуковский,

Громеко, Менделеев.

XX век характерен развитием гидравлики в области инже-

нерно-строительных специальностей благодаря ученым Веберу,

Прандтлю, Кирпичеву, Бахметьеву, Карману, Павловскому, Бер-

надскому и др.

Раздел 1

ГИДРАВЛИКА

1. СИЛЫ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ В ЖИДКОСТИ

Жидкостью называется физическое тело способное изменять

свою форму под действием сколь угодно малых сил, т.е., как

принято говорить, жидкость обладает текучестью.

Жидкости делятся на два класса: капельные и газообразные

(газы). Капельные жидкости способны образовывать капли. Если

их объем меньше объема сосуда, они занимают часть его. В этом

случае они имеют поверхность раздела капельной жидкости с га-

зом, называемую свободной поверхностью.

Газы занимают весь предоставленный им объем. В курсе

гидравлики изучаются только капельные жидкости, называемые

просто жидкостями.

Жидкость рассматривается как сплошная среда, т.е. среда

без пустот и переуплотнений (по-латыни такая среда называется

континуум).

Вследствие текучести жидкости в ней принципиально не мо-

гут существовать сосредоточенные силы, а только равномерно

приложенные к объему (массе) или к поверхности. Поэтому си-

лы, действующие в жидкости, подразделяют на объемные (мас-

совые) и поверхностные.

Массовые силы в соответствии со вторым законом Ньюто-

на пропорциональны массе жидкости или ее объему. К ним отно-

сятся сила тяжести и сила инерции переносного движения, т.е. на

элементарный объем жидкости ∆W c плотностью ρ, движущийся

с ускорением Ј действует массовая сила ∆F = ρ∆W·Ј.

Поверхностные силы непрерывно распределены по по-

верхности жидкости и пропорциональны величине этой поверх-

ности. Эти силы обусловлены непосредственным воздействием

соседних объемов жидкости на данный объем или же воздействи-

ем других тел (твердых или газообразных), соприкасающихся с

данным жидким телом.

В общем случае при движении жидкости поверхностная си-

ла ∆R, действующая на элементарной площади ∆ω

ωω

ω, направлена

под некоторым углом к ней, и силу ∆R можно разложить на нор-

мальную ∆Р и тангенциальную ∆Т составляющие (рис. 1.1).

Рис. 1.1

Нормальное напряжение в жидкости называется давлением.

Истинное давление

dщ

Дщ

ДP

lim

ист

p =

→

∆

. (1.1)

Среднее давление на заданной поверхности

р =

Н/м

(1.2)

Касательное напряжение в жидкости, т.е. напряжение силы

трения обозначается τ и выражается подобно давлению.

Истинное касательное напряжение

dщ

Дщ

ДT

Дщ

lim

ист

ф =

→

. (1.3)

Среднее касательное напряжение на заданной поверхности

ф=

, Н/м

(1.4)

Способность жидкости воспринимать сжимающие усилия

(давления) ничем не ограничена. Этого нельзя сказать о растяги-

вающих усилиях. Наличие в жидкостях мельчайших твердых час-

тиц и растворенного воздуха делает их практически не сопротив-

ляющимися растяжению. Примем это утверждение за аксиому.

2. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЖИДКОСТИ

2.1. Плотность и удельный вес жидкости

Ввиду того, что жидкость в отличие от твердого тела в зна-

чительно большей степени подвержена изменению своей массы

под действием внешних сил, строго судить о плотности можем

только в данной точке жидкости, т.е. плотностью жидкого тела

будем называть предельное значение отношения массы элемен-

тарного тела к его объему. Такая плотность называется истинной

ДW

ДM

ДW

lim

ист

с =

→

(2.1)

Пренебрегая изменением массы, т.е. считая жидкость одно-

родной, ее плотность можно выразить аналогично твердому телу:

с =

, кг/м

(2.2)

Плотность жидкостей зависит от температуры. Она умень-

шается с ее ростом. Некоторым особняком в этом отношении на-

ходится вода. Так, дистиллированная вода имеет максимальную

плотность, равную 1000 кг/м

при температуре порядка 4

С. До

этой температуры и после она меньше. Это имеет принципиаль-

ное значение с точки зрения обмена слоев воды в естественных

водоемах.

Для удобства составления таблиц плотностей различных фи-

зических тел, в том числе и жидкостей, применяют понятие отно-

сительной плотности δ, равной плотности физического тела к

плотности воды при 4

С:

воды

д =

. (2.3)

По аналогии с плотностью истинным удельным весом на-

зывается предельное значение отношения веса элементарного те-

ла к его объему:

ДW

ДG

ДW

lim

ист

г =

→

(2.4)

Если считать жидкость однородной, ее удельный вес можно

выразить как

г =

, Н/м

(2.5)

Связь между удельным весом и плотностью в земных усло-

виях легко найти, если учесть, что G = М·g:

γ = ρg. (2.6)

Для инструментального определения плотности служат при-

боры, называемые ареометрами.

2.2. Сжимаемость жидкости

Сжимаемостью называют свойство жидкости обратимым

образом изменять свой объем при всестороннем сжатии.

Характеризуется сжимаемость коэффициентом объемного

сжатия, который представляет собой относительное изменение

объема, приходящееся на единицу давления:

рWД

ДW

в −=

, м

/Н (2.7)

Знак минус в формуле имеет символическое значение и обу-

словлен тем, что положительному приращению давления р соот-

ветствует отрицательное приращение (уменьшение) объема W.

Величина, обратная коэффициенту β

, представляет собой

объемный модуль упругости К:

K =

, Н/м

(2.8)

Для жидкостей модуль К несколько уменьшается с увеличе-

нием температуры и возрастает с повышением давления. Для во-

ды он составляет при атмосферном давлении приблизительно

2000 МПа. Следовательно, при повышении давления на 0,1 МПа

объем воды уменьшается всего на 1/20000 часть. Такого же по-

рядка модуль упругости и для других жидкостей.

В большинстве случаев жидкости можно считать практиче-

ски несжимаемыми, т.е. принимать их плотность не зависящей от

давления. Но при очень высоких давлениях и упругих колебаниях

сжимаемость жидкости следует учитывать.

2.3. Температурное расширение жидкости

Повышая температуру жидкости, мы обычно заставляем ее

молекулы удаляться друг от друга. Температурное расширение

характеризуется коэффициентом температурного расширения