Задачник по гидравлике с основами гидротехники

Подождите немного. Документ загружается.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОУ ВПО «ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ГЕОГРАФИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

ГИДРАВЛИКА

С ОСНОВАМИ ГИДРОТЕХНИКИ

Методические указания

Печатается по решению учебно-методической комиссии географического

факультета Иркутского государственного университета

Рецензент: доцент кафедры гидрологии и охраны

водных ресурсов С. В. Фролов

Составитель: ст. преподаватель кафедры гидрологии и охраны

водных ресурсов, канд. геогр. наук Е. Н. Сутырина

Приводятся программа, тематика, порядок и правила подготовки практических

работ по дисциплине «Гидравлика с основами гидротехники». Предназначены для

студентов географического факультета очной формы обучения 3-го курса по специ-

альности «Гидрология».

Библиогр. 14 назв.

***********************************************************

Учебное издание

ГИДРАВЛИКА С ОСНОВАМИ ГИДРОТЕХНИКИ

Сутырина Екатерина Николаевна

Подготовлено к печати Г. А. Никифорова

План 2009 г. Поз. 37.

Подписано в печать 04.12.2009. Формат 60x84 1/16. Уч.-изд. л. 1,2.

Усл. печ. л. 2,7. Тираж 50 экз. Заказ 116.

Издательство Иркутского государственного университета

664003, г. Иркутск, бульвар Гагарина, 36

I. ПРОГРАММА

1. ОРГАНИЗАЦИОННО-МЕТОДИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ

Цель курса

Курс рассчитан на изучение студентами основ гидравлики в

объеме, достаточном для оценки влияния гидротехнических соору-

жений на изменение естественного режима речного потока.

Задачи курса

Обучение студентов методам гидравлических расчетов при

оценке параметров гидротехнических сооружений и их гидромеха-

нического оборудования в том объеме, который необходим при гид-

роэкологическом обосновании проектируемых

гидроузлов и водохо-

зяйственных установок.

Место курса в профессиональной подготовке выпускников

Программа курса связана с программами смежных учебных

дисциплин: «Теоретическая механика и гидромеханика», «Динамика

потоков и русловые процессы», «Гидрофизика», «Методы и средст-

ва гидрометеорологических измерений», «Водохозяйственные рас-

четы», «Эколого-экономическое использование водных ресурсов».

Требования к уровню освоения курса

Студент должен

полностью освоить содержание курса, выпол-

нить практические работы и лабораторные задания. По каждой теме

лекционный материал предусматривает решение задач и примеров

как в рамках семинаров, так и путем выполнения домашних заданий.

2. СОДЕРЖАНИЕ КУРСА

Введение

Гидравлическая схематизация турбулентных потоков вблизи

твердых границ. Связь гидравлики с гидромеханикой. Роль гидрав-

лики в гидротехническом строительстве. Задачи и методы решения.

Равновесие несжимаемой жидкости (гидростатика)

1. Уравнение равновесия жидкости Л. Эйлера. Интегрирование

уравнения равновесия жидкости. Закон гидростатического распре-

деления давления.

2. Техническая характеристика давления. Энергетическая харак-

теристика давления.

3. Сила гидростатического давления на горизонтальное дно,

плоские поверхности, произвольно ориентированные в пространст-

ве. Закон Паскаля. Сила весового давления на цилиндрические по-

верхности. Эпюра гидростатического давления. Графическое опре-

деление силы суммарного гидростатического давления и ее свойства.

4. Равновесие плавающих тел. Статическая устойчивость пла-

вающего тела.

Основные гидротехнические сооружения

1. Состав

и назначение гидроузлов.

2. Общие понятия о водонапорных сооружениях, их классифи-

кация, класс капитальности и нормы проектирования.

3. Гравитационные плотины. Силы, действующие на плотину.

Устойчивость плотины против сдвига.

4. Конструкция плотин на скальных основаниях. Контрфорсные и

арочные плотины, их классификация; силы, действующие на плотины.

5. Земляные, каменные и каменно

-земляные плотины. Плотины

однородные, неоднородные с ядрами и экраном.

6. Водосборы. Сифонный, шахтный, открытый водосброс. Тон-

нельный водовыпуск.

7. Затворы водосбросных сооружений. Плоские, шандоры, сег-

ментные, секторные и цилиндрические затворы. Затворы глубинных

отверстий. Силы, действующие на затворы.

8. Водопроводящие сооружения. Каналы, туннели, трубопрово-

ды. Их конструкция, назначение и классификация

Гидравлическая схематизация потока жидкости

1. Уравнение Д. Бернулли для элементарной струйки идеальной

жидкости. Энергетический смысл уравнения Бернулли.

2. Уравнение Бернулли для потока жидкости при плавно изме-

няющемся движении. Коэффициенты Кориолиса и Буссинеска, их

физический смысл.

3. Примеры применения уравнения Бернулли и уравнения не-

разрывности.

Гидравлические сопротивления

1. Режимы движения жидкости.

Опыты О. Рейнольдса. Потери на-

пора при ламинарном и турбулентном режимах. Переходные режимы.

2. Опыты Никурадзе. Автомодельные по числу Рейнольдса об-

ласти гидравлических сопротивлений.

3. Потери напора по длине потока, формула Шези, коэффициен-

ты Павловского, Базена, Маннинга и др. Связь коэффициента Шези

с коэффициентом Дарси.

4. Замыкание уравнения Бернулли для реального потока. Мест-

ные потери напора. Формулы Борда и Вейсбаха. Правило суммиро-

вания потерь напора. Коэффициент сопротивления гидравлической

системы.

Движение воды в открытых руслах

1. Равномерное распределение воды в призматическом канале.

Основные расчетные формулы равномерного движения воды в кана-

лах. Примеры гидравлических расчетов каналов.

2. Неравномерное

плавно изменяющееся движение воды в от-

крытых руслах. Основное дифференциальное уравнение установив-

шегося плавно изменяющегося движения воды.

3. Уравнение неравномерного движения в конечных разностях.

Расчет кривых свободной поверхности неравномерного движения в

призматическом канале.

4. Удельная энергия сечения потока. Анализ зависимости удель-

ной энергии сечения от глубины потока. Число Фруда. Состояние

потока

: спокойное, бурное, критическое.

5. Исследование форм свободной поверхности в случаях, когда

нормальная глубина больше критической, меньше критической и

равна ей.

Гидравлический прыжок

1. Характеристики гидравлического прыжка.

2. Основное уравнение гидравлического прыжка. Прыжковая

функция. Сопряженные глубины. Потери энергии в прыжке.

3. Гидравлический прыжок в прямоугольном призматическом

канале.

Водосливные плотины

1. Типы водосливов: с

тонкой стенкой, практического профиля,

с широким порогом. Гидравлический расчет пропускной способно-

сти водослива.

2. Конструкция водосливной плотины. Сопряжение бьефов. Га-

шение кинетической энергии в нижнем бьефе сооружения. Примеры

гидравлических расчетов сопряжения бьефов.

Движение воды в речных руслах

1. Основное уравнение неравномерного движения воды в реч-

ных руслах. Общий прием расчета

и построения кривых свободной

поверхности.

2. Модуль сопротивления. Постулат инвариантности модуля со-

противления.

3. Построение свободной поверхности по способу Павловского.

Другие способы расчета.

Неустановившееся движение воды

1. Волновое движение воды в нижних бьефах ГЭС и каналах с

большими уклонами (быстротоках)

2. Дифференциальные уравнения неустановившегося движения

воды Сен-Венана и способы их решения. Скорость волны переме-

щения.

3. Анализ устойчивости безволнового движения на быстротоке.

Перечень примерных контрольных вопросов и заданий

для самостоятельной работы

1. Гидростатика. Определение давления воды на плоские и

криволинейные поверхности, нахождение центра давления. Опреде-

ление грузоподъемности, осадки гидрометрического понтона.

2. Определение расхода воды и построение пьезометрической

линии при движении воды в трубах.

3. Гидравлические расчеты пропускной способности русел ка-

налов и рек.

4. Удельная энергия сечения потока. Состояние потока, крити-

ческие

параметры.

5. Расчеты и построения кривых водной поверхности потока

при неравномерном движении воды в каналах и реках, в открытом

русле и при ледяном покрове.

6. Построение графика прыжковой функции, определение со-

пряженных глубин и потерь энергии в прыжке. Расчеты сопряжения

бьефов.

7. Гидравлические расчеты водосливов.

8. Расчет потоков при неустановившемся

движении воды.

Примерная тематика рефератов, курсовых работ

1. Опытное определение значений членов уравнения Д. Бернул-

ли при движении воды в трубе переменного сечения.

2. Режимы движения жидкости. Опытное определение значений

числа Рейнольдса.

3. Определение гидравлического сопротивления при движении

воды в трубах.

4. Исследование пульсации скорости течения и определение

характеристик турбулентности в открытом потоке.

5. Исследование гидравлических явлений при прохождении

потока через водослив с широким порогом.

6. Исследование скоростного поля потока с водоворотной зоной.

Примерный перечень вопросов к зачету

1. Сила гидростатического давления на поверхности тел раз-

личной формы.

2. Равновесие плавающих тел (закон Архимеда и его приложения).

3. Состав и назначение гидроузлов.

4. Водонапорные сооружения, их конструкции и назначение.

5. Водопропускные сооружения и их затворы.

6. Водопроводящие сооружения. Их конструкции, назначение

и классификация.

7. Уравнение Д. Бернулли и его

энергетический смысл. Урав-

нение неразрывности.

8. Гидравлические сопротивления, потери напора. Формула

Шези, коэффициенты Павловского, Маннинга, Базена.

9. Основные расчетные формулы равномерного движения во-

ды в каналах.

10. Основные уравнения установившегося плавно изменяюще-

гося движения воды в открытом канале.

11. Удельная энергия сечения потока. Число Фруда и режимы

течения.

12. Исследование

форм свободной поверхности установившего-

ся движения воды в открытых каналах.

13. Основные уравнения гидравлического прыжка. Прыжковая

функция.

14. Конструкции водосливных плотин. Сопряжение бьефов.

Гашение энергии потока в затопленном гидравлическом прыжке.

15. Основное уравнение движения воды в речном русле. Спосо-

бы построения свободной поверхности воды в руслах рек.

16. Неустановившееся движение воды

в нижних бьефах ГЭС и

каналах с большими уклонами (быстротоках). Уравнения Сен-

Венана и способы их решения.

3. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЧАСОВ ПО ТЕМАМ И ВИДАМ РАБОТ

Аудиторные заня-

тия (час), в том

числе

Наименование разделов

Всего

(час)

лек-

ции

практиче-

ские за-

нятия

Само-

стоя-

тельная

работа

Введение 2 2

Гидростатика 12 4 4 6

Гидротехнические сооружения 12 4 8

Гидравлическая схематизация 6 2 4

Гидравлические сопротивления 10 4 6 4

Движение воды в открытых руслах 14 4 6

Гидравлический прыжок 8 4 4

Водосливные плотины 12 4 8

Движение воды в речных руслах 14 2 6 6

Неустановившееся движение воды 8 2 4

Итого 98 32 16 50

4. ФОРМА ИТОГОВОГО КОНТРОЛЯ

Зачет.

5. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КУРСА

ЛИТЕРАТУРА

Основная

1. Васильев А. В. Методические указания для практической ра-

боты по гидравлике / А. В. Васильев. – М. : Изд-во Моск. ун-та,

1988. – 87 с.

2. Кумсиашвили Г. П. Гидравлика и основы гидротехники :

учеб. пособие / Г. П. Кумсиашвили. – М. : Изд-во МГУ, 1998. – 74 с.

3. Чугаев P. P. Гидравлика / P. P. Чугаев. – Л. : Энергоиздат,

1982. – 672

с.

4. Чертоусов М. Д. Гидравлика / М. Д. Чертоусов. – Л. : Гос-

энергоиздат, 1962. – 630 с.

Дополнительная

1. Берг В. А. Основы гидротехники / В. А. Берг. – Л. : Гидроме-

теоиздат, 1963. – 473 с.

2. Грушевский М. С. Неустановившееся движение воды в реках

и каналах / М. С. Грушевский. – Л. : Гидрометиоиздат, 1982. – 315 с.

3. Железняков Г. В. Пропускная способность русел каналов и

рек / Г. В. Железняков. – Л. : Гидрометиоиздат, 1981. – 311 с.

4. Изббаш С. В

. Основы гидравлики / С. В. Изббаш.– М. : Гос-

издат по строительству и архитектуре, 1952. – 423 с.

5. Караушев А. В. Речная гидравлика / А. В. Караушев. – Л. :

Гидрометеоиздат, 1969. – 155 с.

6. Картвелишвили Н. А. Потоки в недеформируемых руслах /

Н. А. Картвелишвили. – Л. : Гидрометеоиздат, 1973. – 280 с.

7. Кумсиашвили Г. П. Основные уравнения гидромеханики :

метод. разработки по

курсу лекций / Г. П. Кумсиашвили. – М. : Изд-

во МГУ, 1987. – 42 с.

8. Спицын И. П. Общая и речная гидравлика : учебник / И. П. Спи-

цын, В. А. Соколов. – Л. : Гидрометеоиздат, 1990. – 360 с.

9. Справочник по гидравлическим расчетам / П. Г. Киселев [и

др.]. – М. : Энергия, 1974. – 313 с.

10. Субботин А. С. Основы гидротехники / А. С.

Субботин. – Л. :

Гидрометеоиздат, 1983. – 318 с.

II. РЕКОМЕНДАЦИИ К РЕШЕНИЮ ЗАДАЧ

Общие положения

Основное назначение методических указаний – помочь студен-

там овладеть методами решения типовых задач по гидравлике. Ре-

шение задач позволяет закрепить теоретические знания и вырабо-

тать навыки применения теоретических сведений к решению кон-

кретных инженерных задач.

Приводятся основные определения и формулы, а также вариан-

ты исходных данных для решения задач. В приложении приведены

некоторые справочные материалы.

Номер варианта выполняемого задания определяется по послед-

ней цифре в номере студенческого билета.

1. ГИДРОСТАТИКА

1.1. Давление в покоящейся жидкости

Гидростатическое давление p , Па (или Н/м

) представляет со-

бой напряжение сжатия в точке, расположенной внутри покоящейся

жидкости:

lim

∆→

∆

, (1.1)

где

∆

– элементарная площадка, содержащая данную точку,

; P∆ – сила давления жидкости, действующая на эту площадку, Н.

Гидростатическое давление в данной точке всегда нормально к

площадке, на которую оно действует, и не зависит от ориентации

площадки. Гидростатическое давление зависит от положения рас-

сматриваемой точки внутри жидкости и от внешнего давления

приложенного к свободной поверхности жидкости. В наиболее рас-

пространенном случае, когда действует лишь сила тяжести, гидро-

статическое давление

p в точке определяется по формуле:

p= p +

, (1.2)

где

p – внешнее давление, Па;

– плотность жидкости, кг/м

; g –

ускорение свободного падения, м/с

; h – глубина погружения точки, м.