|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
|
|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
ОСНОВЫ ГИДРАВЛИКИ И ГИДРОПРИВОДАСтр 1 из 8Следующая ⇒
ОСНОВЫ ГИДРАВЛИКИ И ГИДРОПРИВОДА
Учебно- методическое пособие по лабораторным работам По курсу «Основы гидравлики и гидропривода» для студентов специальности 270102.65 «Промышленное и гражданское строительство» Направлений 270800, 270100.62 «Строительство», Наземные транспортные системы», Сервисное транспортных и технологических Машин и оборудования».
Составитель: старший преподаватель кафедры «Строительство» Ткач Л.Ю.
Ханты-Мансийск Рецензент: профессор, доктор физико-математических наук С.И.Мартынов
Основы гидравлики и гидропривода: методические указания к лабораторным работам по курсу «Основы гидравлики и гидропривода» для студентов специальности 270102.65 «Промышленное и гражданское строительство» направлений 270100, 270800 «Строительство» / Составитель: старший преподаватель кафедры «Строительство» Л.Ю. Ткач. – Ханты-Мансийск: УИП ЮГУ, 2012 – 41с.
Учебно-методическое пособие по лабораторным работам по курсу « Основы гидравлики и гидропривода » составлены в соответствии с учебной программой и рассчитана на приобретение студентами навыками работы на портативном комплексе «Капелька». Составлены для студентов, обучающихся по специальности 270102.65 «Промышленное и гражданское строительство» и направлениям 270100, 270800 «Строительство»
© Югорский государственный университет, 2012 ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение………………………………………………………………………………………… 4 Жидкости и газы. Силы, действующие в жидкостях и газах………………………………….5 Основные свойства реальных жидкостей………………..…………………………………….10 Основы гидростатики……………………………………………..…………………………… 15 Расход жидкости……………………………………………………………………………… 19 Уравнение Бернулли для потока идеальной жидкости ……………………………………21 Уравнение Бернулли для потока реальной жидкости ……………………………………... 24 Режимы течения жидкости …………………………………………………………………… 25 Потери энергии в гидросистемах …………………………………………………………..… 27 Течение жидкости в коротких каналах с дросселированием потока……………………….. 33 Лабораторная работа №1. Изучение физических свойств жидкости ………………………. 34 Лабораторная работа №2. Изучение приборов для измерения давления............................. 38 Лабораторная работа №3. Измерение гидростатического давления..................................... 39 Лабораторная работа №4. Изучение структуры потоков жидкости..................................... 40 Лабораторная работа №5. Определение режимов движения жидкости............................... 42 Лабораторная работа №6. Иллюстрация уравнения Бернулли.............................................. 43 Лабораторная работа №7. Исследование местных гидравлических сопротивлений......... 46 Лабораторная работа №8. Определение потерь напора по длине........................................ 47 Список литературы…………………………………………………………………………….. 49 ПРИЛОЖЕНИЕ …………………………………………………………………………….. 50
ВВЕДЕНИЕ
Гидравлика - наука, входящая в цикл механических дисциплин, изучающая законы равновесия и движения жидких и газообразных тел и методы применения этих законов для решения технических задач. Цель дисциплины - получение теоретических знаний и практических навыков в области гидравлики и гидравлических машин. В результате изучения дисциплины будущий инженер должен быть подготовлен к решению задач в области гидропривода, водоснабжения, гидротранспорта и других вопросов промышленного и гражданского строительства При изучении гидравлики в высших учебных заведениях большая роль должна отводиться лабораторным занятиям. В Югорском государственном университете (ЮГУ) для наглядных демонстраций и лабораторных работ по гидравлике используется учебная портативная лаборатория «Капелька». Портативная лаборатория «Капелька» не имеет двигателей, насосов, вентилей и не требует подвода воды и электроэнергии. В состав лаборатории «Капелька» входят четыре прозрачных пластмассовых устройства с жидкостью, позволяющих выполнить 8 лабораторных работ по гидравлике (в скобках указан номер устройства, с помощью которого выполняется данная работа):
Основы гидростатики Гидростатикой называют раздел гидромеханики, в котором рассматривают законы, действующие в жидкостях, находящихся в состоянии относительного покоя, т.е. когда отсутствуют перемещения частиц жидкости относительно друг друга. Поскольку жидкости практически не способны сопротивляться растяжению, на неподвижную жидкость из поверхностных сил могут действовать только силы давления, причем на внешней поверхности рассматриваемого объема силы давления всегда направлены по нормали внутрь объема жидкости и, следовательно, являются сжимающими. Таким образом, в неподвижной жидкости возможен только один вид напряжения — напряжение сжатия, т.е. гидростатическое давление, основным свойством которого является то, что в любой точке жидкости давление по всем направлениям одинаково. Рассмотрим условие равновесия объема Vжидкости ограниченного цилиндром, в основании которого находится некоторая произвольная точка М, расположенная на глубине h(рис. 6, а).
Рис. 4. Схемы для рассмотрения вопросов гидростатического давления Так как на свободную поверхность жидкости, находящуюся в сосуде, действует давление р0, то на рассматриваемый объем в проекции на вертикаль действуют силы:
где р— давление в точке М. Силы давления на боковую поверхность цилиндра в уравнение не входят, поскольку они нормальны к вертикали. Подставив математическое выражение для G, и перегруппировав члены уравнения, получим P = Po+ρ gh. Данное уравнение называют основным законом гидростатики: абсолютное давление в любой точке покоящейся жидкости равно сумме давления на свободной поверхности и давления, созданного весом столба жидкости над данной точкой. Основной закон гидростатики позволяет подсчитать давление в любой точке покоящейся жидкости. Величина Po является одинаковой для всех точек объема жидкости, поэтому, учитывая основное свойство гидростатического давления, можно утверждать, что внешнее давление на поверхность Ажидкости, равное отношению нормальной составляющей суммы сил F, приложенных извне, к площади поверхности А, передается всем точкам этой жидкости и по всем направлениям одинаково. Это положение называют законом Паскаля (рис. 4, б). Закон Паскаля лежит в основе принципа действия множества гидравлических устройств и машин, в которых реализуются преобразование силы, перемещения и давления. Под внешней поверхностью жидкости понимают не только поверхность раздела жидкости с газообразной средой или твердыми стенками, но и поверхность объема, мысленно выделяемого из общего объема жидкости. Преобразование силы. Рассмотрим принцип действия гидравлического домкрата (рис. 2.7, а). Если к нагнетательному поршню А, площадь которого равна А1, приложить силу F1, то в жидкости появится давление р =F1 /A1Это же давление действует на поршень В, площадь которого равна А2 : р =F2/A2, следовательно: F1 /A1=F2/A2 Таким образом, приложив к нагнетательному поршню А малые силы, можно за счет большей площади рабочего поршня В, получить на нем силы большей величины. Преобразование перемещений. Давление в рассмотренной системе всегда соответствует нагрузке и площади, на которую она действует. Если сила F1будет такой, что сила давления на поршень В окажется больше нагрузки F2, то поршни начнут перемещаться (рис. 2.7, б). Поршень А, опустившись на расстояние l1 выдавит под поршень В объем жидкости V=A1l1, который поднимет его на высоту l2 = V/А2.
Рис. 5. Преобразование силы и перемещения
Таким образом, перемещения поршней обратно пропорциональны их площадям:
Преобразование давлений. Устройство для повышения давления жидкости, состоящее из двух соединенных между собой цилиндров разного диаметра называют гидравлическим мультипликатором (рис. 6).
Рис. 6. Схема гидравлического мультипликатора
Давление р1, действующее на поршень площадью А2создает на нем силу F, которая передается на поршень площадью А2, в результате чего под ним возникает давление р2: Отношение величин входного и выходного давлений в мультипликаторе обратно пропорционально отношению площадей его поршней. Простейшим прибором для измерения давления является пьезометр, представляющий собой вертикально установленную прозрачную трубку, верхний конец которой открыт в атмосферу, а нижний присоединен к емкости, в которой измеряется давление. Высоту hр столба данной жидкости, соответствующую давлению рвданной точке, называют пьезометрической высотой:
Если на свободную поверхность жидкости действует атмосферное давление (рис. 7, а), то пьезометр показывает высоту столба жидкости над точкой подключения пьезометра, т.е. фактически выполняет функцию уровнемера.
Рис. 7. Измерение давления с помощью пьезометра
Если в емкости создать избыточное давление ризб= F/A(рис. 7, б), то уровень жидкости в пьезометре поднимется на высоту Низб:
При этом давление жидкости на уровне подключения пьезометра к емкости будет равно
где hо — глубина подсоединения пьезометра. Если в емкости создать вакуум (рис. 7, в), то пьезометрическая высота hр окажется ниже уровня жидкости в этой емкости на величину Нвак. Измерения посредством пьезометра проводят в единицах длины, поэтому значения давления могут быть выражены в единицах высоты столба определенной жидкости. Например, одной технической атмосфере соответствуют
Пьезометры просты по конструкции и обеспечивают высокую точность измерений, однако их нельзя использовать для замеров давлений в промышленных гидросистемах, поскольку рабочие жидкости в них находятся под давлениями во много раз превышающими атмосферное. Так для измерения давления воды всего в 1 МПа потребуется пьезометр высотой 100 м.
Расход жидкости Расходом называют количество жидкости, протекающее через сечение потока в единицу времени. В зависимости от единиц измерения этого количества различают объемный, весовой и массовый расходы. При расчетах гидравлических систем обычно пользуются объемным расходом жидкости. В технической литературе объемный расход обозначают латинской буквой Q(или QV) и определяют из соотношения
где Q — объемный расход, м3/с; V— объем, м3; t— время, с. При установившемся течении идеальной жидкости, например по трубопроводу, эпюра скоростей в произвольном сечении 1-1 будет иметь прямоугольную форму (рис. 10, а).
Рис. 8. Эпюры распределения скоростей идеальной (а) и реальной (б) жидкостей
Равенство скоростей течения различных слоев идеальной жидкости является следствием отсутствия сил трения между ними, т.е. отсутствием вязкости. Через некоторое время t все частицы жидкости, находящиеся в сечении 1-1, площадь которого равна А, сместятся на расстояние l, и займут новое положение в сечении 2-2. Это означает, что за время t через сечение 1-1 пройдет объем жидкости V=А l, т.е. объемный расход составит:
где — v =l/t скорость потока в сечении, м/с; А— площадь поперечного сечения, м2. Таким образом, при течении идеальной жидкости существует зависимость, связывающая основные кинематические и геометрические параметры потока в конкретном сечении: объемный расход Q, скорость жидкости v и площадь сечения А. Скорости движения слоев реальной жидкости будут различными по сечению потока, поскольку вязкость вызывает проскальзывание слоев относительно друг друга. Слои жидкости, взаимодействующие со стенками канала имеют практически нулевую скорость, а по мере удаления от стенки каждый последующий слой приобретает более высокую скорость. С максимальной скоростью перемещаются слои жидкости расположенные в центре потока (рис. 8, б). Для определения объемного расхода реальной жидкости по полученной выше формуле, вводят понятие средней скорости в сечении vср, под которой понимают скорость, удовлетворяющую равенству:
В прикладных расчетах гидросистем индекс «ср» и термин «средняя» обычно опускают и говорят о скорости в конкретном сечении потока, понимая при этом ее среднюю величину. Исходя из закона сохранения вещества, а также из предположения о сплошности (неразрывности) потока для установившегося течения несжимаемой жидкости, можно утверждать, что величины объемных расходов через любые сечения потока одинаковы (рис. 9).
Рис. 9. Схема течения жидкости по трубе переменного сечения Это явление описывается уравнением неразрывности:
Из полученного уравнения следует, что средние скорости в потоке несжимаемой жидкости обратно пропорциональны площадям сечений:
Уравнение неразрывности позволяет определить среднюю скорость в любом сечении потока, например в сечении 2-2, геометрические размеры которого известны (площадь А2), если известны хотя бы одна средняя скорость потока и площадь его поперечного сечения, например, скорость v1в сечении 1-1 площадью А1.
Режимы течения жидкости Экспериментальные исследования потоков реальной жидкости показывают, что процессы, происходящие в них, существенно зависят от характера течения. Различают два режима течения жидкостей: ламинарный (рис. 14, а) и турбулентный (рис. 14, б).
Рис. 14. Эпюры скоростей при ламинарном (а) и турбулентном (б) режимах течения жидкости
Ламинарное течение характеризуется упорядоченным (слоистым) движением без перемешивания частиц жидкости и без пульсаций скоростей и давлений. Когда скорость движения превысит некоторую критическую величину, слои начинают перемешиваться, образуются вихри; течение становится турбулентным, возрастают потери энергии. При течении жидкости по трубопроводу переход от ламинарного режима к турбулентному наблюдается в тот момент, когда осредненная по сечению трубы скорость движения потока становится равной критической лак показывает эксперимент, критическая скорость прямо пропорциональна кинематической вязкости v жидкости и обратно пропорциональна внутреннему диаметру d трубы:
где k— коэффициент пропорциональности; v - кинематическая вязкость жидкости, м2/с; d - внутренний диаметр трубы, м. Экспериментально был установлен и тот факт, что смена режима течения любой жидкости по трубе любого диаметра имеет место лишь при определенном значении безразмерного коэффициента k. Данный коэффициент называют критическим числом Рейнольдса:
Для труб круглого сечения Число Рейнольдса используют для описания режима течения:
Значение числа Рейнольдса позволяет судить о характере течения жидкости по трубе: ламинарное течение Re < 2 300; турбулентное течение Re > 2 300. Таким образом, зная скорость движения потока, вязкость жидкости и внутренний диаметр трубы, можно найти число Рейнольдса и, сравнив его с величиной Результаты экспериментов показывают, что сразу после разрушения ламинарного течения устойчивого турбулентного течения еще не появляется. Развитое турбулентное течение устанавливается при Re > 4 000. Если значение Re уменьшается и оказывается ниже Исходя из того, что законы распределения скоростей по сечению трубы при ламинарном и турбулентном режимах течения жидкости различны, коэффициент Кориолиса, учитывающий неравномерность распределения скоростей в уравнении Бернулли, принимает разные значения: для ламинарного течения α = 2; для турбулентного течения α = 1. Лабораторная работа №1. Лабораторная работа №2. Лабораторная работа №3. Лабораторная работа №4. Лабораторная работа №5. Лабораторная работа №6. Лабораторная работа №7. Лабораторная работа №8. ОСНОВЫ ГИДРАВЛИКИ И ГИДРОПРИВОДА
Популярное:
|
Последнее изменение этой страницы: 2016-07-13; Просмотров: 1646; Нарушение авторского права страницы
— вес выделенного цилиндра жидкости; 
— площадь основания цилиндра; 
м водяного столба (вод. ст.); 
мм ртутного столба (рт. ст.).
.
, определить режим течения жидкости.