 |
Основные законы гидродинамики
|
|
|
|
ВВЕДЕНИЕ
Изучение курса “Гидравлика” включает в себя работу с книгой, решение задач, проведение лабораторных работ, ответы на вопросы для самопроверки и выполнение контрольных заданий.
При изучении курса студент-заочник должен выполнить два контрольных задания. Первое – включает вопросы, на которые должны быть даны письменные ответы. Второе – решение задач.
Задания, оформленные в соответствии с правилами технического оформления контрольных заданий, студент должен выслать в университет для проверки. Только после защиты заданий и лабораторных работ студент допускается к аттестации по всему курсу.
УКАЗАНИЯ К ИЗУЧЕНИЮ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ЧАСТИ
Прикладная механика жидкости и газа – инженерная дисциплина, рассматривающая основные задачи движения и равновесия жидкостей и газов в естественных и искусственных руслах, сооружениях и машинах.
Знание законов механики жидкости и газа необходимо для решения многих технических задач, возникающих при строительстве промышленных и гражданских сооружений, например, понижение уровня грунтовых вод при устройстве котлованов и глубоких выемок, отвод воды из котлованов; отвод дождевых и снеговых вод с городской территории, устройств водостоков; определение ветровой нагрузки на здания и сооружения; расчёт трубопроводов различного назначения (при устройстве водоснабжения, газоснабжения, вентиляции, отопления, канализации и пр.), расчёт отверстий дорожных труб и др.
Прикладная механика жидкости и газа является также базой для изучения ряда специальных дисциплин, таких как водоснабжение, канализация, отопление, вентиляция, газоснабжение, теплоснабжение и др. Механику жидкости и газа изучают после математики, физики, теоретической механики и сопротивления материалов, но до прохождения специальных дисциплин. Понимание законов механики жидкости и газа позволит студенту сознательно подойти к изучению специальных дисциплин и в значительной степени облегчит их усвоение, а в будущей инженерной деятельности даст возможность самостоятельно решать многие вопросы, непосредственно связанные с движением и равновесием жидкостей и газов.
|
|
|
Основные физические свойства жидкостей
Основные законы гидравлики те же, что в механике твердых тел: они основаны на законах движения Ньютона. Однако применение этих законов к задачам гидравлики отличается некоторыми особенностями из-за разницы между свойствами жидкостей и твердых тел. Поэтому изучение гидравлики целесообразно начать с определения и оценки основных свойств жидкостей.
Жидкости (в отличие от твердых тел) оказывают слабое сопротивление изменению своей формы, но в отличие от газов оказывают сильное сопротивление изменению своего объема. Сопротивление жидкостей изменению объема характеризуется коэффициентами температурного расширения βt и объемного сжатия βv (величина, обратная модулю упругости Е 0). В большинстве случаев, встречающихся в строительной практике, изменения объема воды, связанные с изменением давления и температуры, незначительны и ими можно пренебречь, считая удельный вес практически постоянным. В Международной системе единиц (СИ) удельный вес выражается в ньютонах на кубический метр (Н/м3). Удельный вес воды при 40С равен γв4=9810 Н/м3=0,00981 Н/см3.
Коэффициент объемного сжатия βv в системе СИ выражается в метрах квадратных на ньютон (м2/Н), а модуль упругости Е 0 – в паскалях (Па). При переводе единиц коэффициента объемного сжатия и модуля упругости можно пользоваться соотношениями: 1 кгс/м2=9,81Па; 1м2/кгс=0,102 м2/Н.
|
|
|
Сопротивление жидкостей изменению своей формы характеризуется вязкостью. При движении жидкости между отдельными слоями жидкости или частицами возникают силы трения, описываемые законом Ньютона. Кинематическая вязкость представляет собой отношение динамической вязкости к плотности жидкости.
В системе СИ динамическая вязкость имеет размерность [μ] = Па.с (паскаль-секунда), кинематическая - [ν] = м2/с. При температуре 200 ν = 10-6 м2/с.
Числовые значения удельного веса и вязкости воды в обычных условиях рекомендуется помнить наизусть.
Основные понятия и законы гидростатики
В этой теме изучают физические свойства жидкостей, поведение жидкостей в состоянии покоя, а также рассматривают методы определения давления жидкости на соприкасающиеся с ней тела. Прежде всего следует уяснить понятие о гидростатическом давлении и усвоить его основные свойства. Не нужно путать давление, имеющее размерность напряжения, с суммарным давлением (давление на площадь конечных размеров), имеющим размерность силы. Помимо тех единиц давления, которые в настоящее время широко используются на практике (физическая и техническая атмосфера, миллиметры ртутного и водяного столба), в СИ за единицу давления принято равномерно распределённое давление, при котором на 1 м2 приходится сила, равная 1 Н, т.е.: 1Н/м2=1 Па; 1кгс/м2≈0,1 МПа; 1 мм вод.ст.=9,81 Па.
Для усвоения единиц давления полезно решить несколько задач на определение величины гидростатического давления, выражая эту величину в различных размерностях. Особое внимание обратить на свойства гидростатического давления и основное уравнение гидростатики, которое имеет большое значение для решения многих практических задач и создания различных приборов и механизмов.
Важное практическое значение имеет вопрос о давлении жидкости на стенки (плоские и криволинейные). Здесь следует попрактиковаться в построении эпюр давления и обратить внимание на методы определения вертикальной и горизонтальной составляющих сил суммарного давления на криволинейные поверхности.
Большое значение для практики имеют также важнейшие законы гидростатики – законы Паскаля и Архимеда.
Основные законы гидродинамики
|
|
|
Наиболее важно для изучения всей практической гидравлики (движение в трубах и каналах, истечение из отверстий и др.) начинать эту тему с усвоения основных понятий о потоке жидкости и его элементах, о видах движения жидкости (установившееся и неустановившееся, равномерное и неравномерное, напорное и безнапорное и др.). Затем следует перейти к усвоению уравнения Бернулли и уравнения постоянства расхода и неразрывности потока. Эти два уравнения являются главнейшими формулами гидравлики. С их помощью можно подойти к решению почти любой практически важной задачи гидравлики. Особое внимание следует уделить выводу уравнения Бернулли, а также уяснению его физического (энергетического) и геометрического смысла. Следует обратить внимание на запись уравнения Бернулли в общем виде для элементарной струйки жидкости и для потока, для вязкой и невязкой жидкости. Для улучшения усвоения физического смысла уравнения Бернулли и возможностей использования этого уравнения в практических расчетах необходимо решить несколько задач (особенно задачу о водомере Вентури) и выполнить лабораторные работы.
|
|
|
