Основы гидравлики

1.

Основы
гидравлики
(для бакалавров)

2.

Предмет гидравлики,
как науки.
Гидростатика и
гидродинамика

3.

ОСНОВЫ ТЕОРИИ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ И АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ГИДРАВЛИКИ
Гидравлика - наука, изучающая законы равновесия и движения
жидкостей, а также взаимодействия жидкостей с соприкасающимися с
ними неподвижными или движущимися твердыми телами.
ЧТО ТАКОЕ ЖИДКОСТЬ? (ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЖИДКОСТИ)
Жидкость - физическое тело, обладающее свойствами текучести и легко
изменяющее свою форму под действием внешних сил. Точнее жидкость не
имеет собственной формы и приобретает форму сосуда, который она
заполняет.

4.

ВИДЫ ЖИДКОСТЕЙ
ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЖИДКОСТЕЙ
1) ПЛОТНОСТЬ
(значительно больше у капельных жидкостей)
2) УДЕЛЬНЫЙ ВЕС
g = 9,8 м/сек - ускорение свободного падения.

5.

ВИДЫ ЖИДКОСТЕЙ - Продолжение
3) УДЕЛЬНЫЙ ОБЪЕМ - объём , занимаемый единицей массы жидкости
При колебаниях °С и давления объемы капельных жидкостей изменяются
незначительно, поэтому на практике обычно принимают
СЖИМАЕМОСТЬ ЖИДКОСТЕЙ
Характеризуется коэффициентом сжимаемости - относительное
объема жидкости при изменении давления на единицу [ I / Па]
- уменьшение объема
- увеличение давления
изменение

6.

ВИДЫ ЖИДКОСТЕЙ- Продолжение
ИСТИННЫЙ МОДУЛЬ СЖАТИЯ
Величина, обратная коэффициенту сжимаемости
Для газов при постоянной температуре истинный модуль сжатия численно
равен давлению.
При относительно невысоких давлениях сжимаемостью жидкостей
пренебрегают.
Вследствие большой сжимаемости газообразных жидкостей их
плотность, удельный вес и удельный объем в значительной степени
зависят от температуры и давления.
Процессы сжатия и расширения газов подчиняются известным из
физики законам Бойля-Мариотта и Гей-Люссака для идеальных газов и
здесь не рассматриваются.

7.

Вязкость жидкости.
Закон Ньютона для вязкой
жидкости. Параметры,
характеризующие вязкость
жидкости. Идеальная
жидкость

8.

При движении реальных (вязких) жидкостей в них
возникают внутренние напряжения, обусловленные силами
внутреннего трения жидкости.
Природа этих сил довольно сложна; возникающие в
жидкости напряжения связаны с процессом переноса
импульса
(вектора массовой скорости движения жидкости). При этом возникающие в жидкости напряжения
обусловлены двумя факторами: напряжениями, возникающими при деформации сдвига и напряжениями,
возникающими при деформации объёмного сжатия.

9.

Наличие сил вязкостного трения в движущейся жидкости
подтверждается простым и наглядным опытом.
Если в цилиндрическую ёмкость, заполненную жидкостью опустить вращающийся цилиндр, то вскоре придёт в
движение (начнёт вращаться вокруг своей оси в том же
направлении, что и вращающийся цилиндр) и сама ёмкость с
жидкостью.
Этот факт свидетельствует о том, что вращательный
момент от вращающегося цилиндра был передан через
вязкую жидкость самой ёмкости, заполненной жидкостью.

10.

Напряжения, возникающие при деформации сдвига
согласно гипотезе Ньютона пропорциональны градиенту
скорости в движущихся слоях жидкости, а сила трения
между
слоями
движущейся
жидкости
будет
пропорциональна площади поверхности движущихся слоев
жидкости:
где:
T = τS ,
T - сила трения между слоями движущейся жидкости,
S - площадь поверхности слоев движущейся жидкости,
τ - касательные напряжения, возникающие в жидкости
при деформации сдвига,
du
τ = ±μ
dy
μ - коэффициент динамической вязкости жидкости.

11.

Величина коэффициента динамической вязкости жидкости при постоянной температуре и постоянном давлении
зависит от внутренних (химических) свойств самой жидкости.
Размерность коэффициента динамической вязкости в
системе единиц СИ – Н·с/м2, в системе СГС – д-с/см . Последняя размерность носит название пуаза (пз).
Таким образом, 1 пз =1 д-с/см , а соотношение между
единицами вязкости - 1 да=0,1 Н·с/м2.

12.

Помимо коэффициента динамической вязкости жидкости широко используется коэффициент кинематической
вязкости жидкости
, представляющий собой отношение
коэффициента динамической вязкости к плотности жидкости:
μ
ν=
ρ
В системе единиц СИ коэффициент кинематической
вязкости измеряется в м /с, в системе единиц СГС единицей
измерения
коэффициента
кинематической
вязкости
жидкости является стоке (cт), т.е. 1 cт = 1 см/с.

13.

Коэффициент динамической вязкости чистой воды
составляет 1-10~3 н-с/м (или 0,01 пз), коэффициент
кинематической вязкости чистой воды составляет МО" м/с
(или 0,01 cт). Коэффициенты вязкости жидкостей варьируются в весьма широких пределах от 0,0003 до 0,139 н-с/л2.
Вязкость жидкости в значительной степени зависит от
температуры и давления. При увеличении температуры
капельной жидкости коэффициенты её вязкости (как
динамический, так и кинематический) резко снижается в
десятки и сотни раз, что обусловлено увеличением
внутренней энергии молекул жидкости по сравнению с
энергией межмолекулярной связи в жидкости.

14.

Зависимость
вязкости
капельной
жидкости
от
температуры
может
быть
выражена
в
виде
экспоненциальной зависимости:
μ T = μ 0e
-aT T-T0
где:
μ0 -
вязкость капельной жидкости при стандартной
температуре
- 20°С,
a T - экспериментальный температурный коэффициент.

15.

Зависимость вязкости жидкости от давления в широком
диапазоне давлений остаётся практически линейной:
μ p = μ ат 1 + app
где:
μат - вязкость жидкости при атмосферном давлении,
a p- экспериментальный коэффициент пропорциональности.

16.

Измерение вязкости жидкостей осуществляется с помощью
вискозиметров, работающих на принципе истечения жидкости через
малое калиброванное отверстие; вязкость вычисляется по скорости
истечения.

17.

Предмет изучения
гидростатики. Силы,
действующие на жидкость,
находящуюся в равновесии.
Гидростатическое давление и
его свойства. Основное
уравнение гидростатики

18.

Предмет изучения гидростатики.
Гидростатическое давление и его свойства.
Основное уравнение гидростатики
Гидростатика- изучат законы равновесия
жидкостей и их действие на ограничивающие стенки.
Основные понятия гидростатики
В гидростатике рассматриваются равновесие
жидкости и ее взаимодействие с твердыми телами.

19.

Силы, действующие на жидкость
МАССОВЫЕ
(ОБЪЕМНЫЕ) СИЛЫ
Приложены к частицам
жидкости, заполняющим
некоторый объем (силы
собственной тяжести,
инерции и др.)
ПОВЕРХНОСТНЫЕ СИЛЫ
Действуют лишь на
поверхность выделенного
объема (атмосферное
давление, давление твердого
тела на обтекающую его
жидкость и др.)

20.

Гидравлическое давление
В покоящейся жидкости возможен лишь один
вид напряжения - напряжения сжатия, т.е.
гидростатическое давление, рассмотрим его суть:
Ср. давление Рср=F/∆S , при ∆S →0
P=lim∆S→0(∆F/∆S), [Н/м2=1Па]
Р- гидравлическое давление
Рис. 3.1.

21.

Свойства гидравлического давления
1. Всегда направлено по нормали к площадке,
на которую действует.
2. Всегда действует одинаково по всем
направлениям.
3. Давление в точке зависит от ее координат в
пространстве. По мере погружения точки под
уровень жидкости давление в ней будет возрастать
и наоборот. Газ, находящийся в сосуде, также
создает гидростатическое давление на стенки.

22.

Основное уравнение гидростатики
Рис. 3.2. к выводу
основного
уравнения
гидростатики
Рассмотрим основной случай
равновесия жидкости, когда на нее
действует лишь одна массовая сила сила тяжести.
Р0 - давление, действующее на
свободную поверхность жидкости.
Найдем
гидростатическое
давление Р в произвольной точке М.
Рассмотрим условие равновесия
объема жидкости h.
Сумма всех сил, действующих на
объем
в
вертикальном
направлении:

23.

Р∆S - Pо∆S – pgh∆S = 0 -вес столбика жидкости,
сократив на ∆S, получим:
Р = Pо + pgh. (А)
Это основное уравнение гидростатики. Оно
позволяет подсчитать давление в любой точке
покоящийся жидкости.

24.

Заменив в (А), h=Zо –Z, для точки М, получим:
Р = P0 + pg(Zо –Z),
откуда, разделив, на pg, получим:
Z + P/pg = Zo+ Po/pg
Основное уравнение гидростатики
Z+P/pg=const
Сумма (Z+P/pg) называется гидростатическим
напором, который, как показано, есть величина
постоянная для всего объема неподвижной
жидкости.

25.

Измерение
гидростатического
давления. Жидкостные
манометрыпьезометры.
Микроманометры

26.

ИЗМЕРЕНИЕ ГИДРОСТАТИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ
ИЗМЕРЯЕТСЯ МАНОМЕТРАМИ
ЖИДКОСТНЫЕ
ПРУЖИННЫЕ
Обычно применяются для
небольших давлений
Обычно применяются для
высоких давлений
Жидкостный манометр - U- образная трубка, частично
заполняется водой или ртутью. Одно колено трубки присоединяют к испытываемому объекту, а второе оставляют
открытым и сообщают с атмосферой либо из него
откачивают воздух и запаивают.

27.

НИВЕЛИРНАЯ И ПЬЕЗОМЕТРИЧЕСКАЯ ВЫСОТЫ

28.

НИВЕЛИРНАЯ И ПЬЕЗОМЕТРИЧЕСКАЯ ВЫСОТЫ - Продолжение
Избыточное или манометрическое
давление