Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
Задачи 1 и 2 связаны с основными свойствами жидкости.
Кондратьев А.С. ___ ГИДРОМЕХАНИКА (наименование дисциплины) КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ
Москва 2014 1. Методические рекомендации по выполнению расчетно-графических работ (РГР) В соответствии с методическими указаниями к РГР необходимо выбрать свой вариант работы. Ознакомиться с условиями каждой задачи и при необходимости перевести все исходные данные в систему СИ. Исходя из условий конкретной задачи, определить исходные расчетные формулы, которые потребуются для решения задачи. Следует обратить внимание на то, что в случае, когда целью задачи является определение относительной величины, например, во сколько раз изменится диаметр трубопровода и т. п., некоторые величины, входящие в расчетные теоретические выражения, не заданы в численном виде. Провести расчеты. Оформить РГР в виде единого документа (тетрадь и т. п.) и сдать преподавателю. После получения оценки ознакомиться с замечаниями. В течение изучения дисциплины предусмотрено проведение одного РГР. Номера варианта контрольных РГР студент выбирает по последней цифре (см. Таблица 1), а числовые значения - по предпоследней цифре шифра или удостоверения студента (см. Таблица 2). Условия задач сформулированы для каких то произвольных исходных данных, конкретные численные значения которых выбираются в соответствии со способом, указанным выше. Выполняемые контрольные РГР имеют целью научить студента применять изученные закономерности при решении практических задач курса гидравлики. Перечень тем 1. Свойства жидкостей 2. Гидростатическое давление в жидкости 3. Сила давления жидкости на плоские и криволинейные стенки 4. Положение равновесия жидкости при действии постоянного ускорения. 5. Уравнение Бернулли 6. Истечение жидкости через отверстия и насадки
10. Гидропривод Литература 1. Задачник по гидравлике, гидромашинам и гидроприводу. Под ред. Б.Б. Некрасова. М.: Высшая школа. 1989. 1. Свойства жидкостей Коэффициент объемного сжатия жидкости β р, Па-1 определяется выражением: β р = - (Δ V/ Δ р) /V, где: V – объем жидкости, м3; Δ V – изменение объема жидкости под воздействием давления, м3; Δ р – изменение давления, воздействующего на жидкость, Па. Еж = 1/ β р – модуль упругости жидкости, Па. Коэффициент температурного расширения жидкости β т, град-1 определяется выражением: Δ р = (Δ V/ Δ Т) /V; где: Δ Т – изменение температуры жидкости, град. Изменение плотности жидкости при одновременном изменении давления и температуры жидкости, определяется выражением: ρ к = ρ н (1 + β р Δ р - Δ р Δ Т); где: ρ к и ρ н – конечная и начальная плотности жидкости, соответственно, кг/м3. 2. Гидростатическое давление в жидкости Гидростатическое давление в любой точке неподвижной жидкости равно: р = р0 + ρ g h; где: р – давление в рассматриваемой точке (сечении), Па; р0 - давление на какой-либо поверхности уровня жидкости, например на свободной поверхности, Па; g = 9, 81 м/с2 – ускорение силы тяжести; h – глубина расположения рассматриваемой точки(сечения), отсчитываемая от поверхности с давлением р0, м. Другая форма записи этого уравнения: z + р/ (ρ g ) = z 0+ р0/ (ρ g ); где: z и z 0 – вертикальные координаты произвольной точки и свободной поверхности, отсчитываемые от горизонтальной плоскости вверх, м; р/ (ρ g ) – пьезометрическая высота, м. 3. Силы давления в жидкости действующие на плоские или криволинейные стенки Сила давления жидкости F, Н на плоскую стенку равна произведению гидростатического давления рс в центре тяжести площадки на площадь стенки S, м2: F = рсS. Центр давления (точка приложения силы F) расположен ниже центра тяжести площадки или совпадает с последним в случае горизонтальной стенки. Расстояние между центром тяжести площади и центром давления в направлении нормали к линии пересечения плоскости стенки со свободной поверхностью жидкости равно: Δ y = J0/ (yс S); где: J0 – момент инерции площади стенки относительно оси, проходящей через центр тяжести площади и параллельной линии пересечения плоскости стенки со свободной поверхностью; yс – координата центра тяжести площади. Сила давления жидкости на криволинейную стенку, симметричную относительно вертикальной плоскости, складываются из горизонтальной Fг и вертикальной Fв составляющих: F = (Fг2 + Fв2)1/2. Горизонтальная составляющая Fг равна силе давления жидкости на вертикальную проекцию данной стенки: Fг = ρ g hс Sв; где: hс - глубина расположения центра тяжести поверхности; Sв – площадь вертикальной проекции поверхности S. Вертикальная составляющая Fв равна весу жидкости в объеме, заключенном между данной стенкой, свободной поверхностью жидкости и вертикальной проекцирующей поверхностью, проведенной по контуру стенки. Если избыточное давление р0 на свободной поверхности жидкости отлично от нуля, то при расчете уровень свободной поверхности увеличивается на соответствующую пьезометрическую высоту р0/ (ρ g ). 4. Положение равновесия жидкости при действии постоянного ускорения. Относительный покой жидкости – это равновесие её в движущихся сосудах, когда помимо силы тяжести на жидкость действует вторая массовая сила – сила инерции переносного движения, причем эта сила постоянна по времени. Возможны два случая относительного покоя жидкости: в сосуде, движущемся прямолинейно и равноускоренно; и в сосуде, вращающемся вокруг вертикальной сои с постоянной угловой скоростью. В обоих случаях поверхности уровня и в том числе свободная поверхность жидкости: принимают такой вид, при котором равнодействующая массовых сил нормальна к этим поверхностям во всех их точках. В сосуде, движущемся прямолинейно и равноускоренно, поверхности уровня – плоские. В сосуде, равномерно вращающемся вокруг вертикальной оси, поверхности уровня представляют собой параболоиды вращения. Уравнение поверхности уровня в цилиндрической системе координат (r, z) имеет вид: z = z0 + ω 2r2/(2g); где: z0 – вертикальная координата вершины параболоида поверхности уровня при r = 0, м; ω – угловая скорость вращения, рад с-1. Закон распределения давления по объему жидкости, вращающейся вместе с сосудом, выражается уравнением: р = р0 + [ z0 - z + ω 2r2/(2g)]ρ g. 5. Уравнение Бернулли. Основными уравнениями, позволяющими решать задачи о движении идеальной жидкости, являются уравнение расхода и уравнение Бернулли. Уравнения расхода представляет собой условие неразрывности в двух поперечных сечениях одного и того же потокаQ1 = Q2. Так как: Q1 = U1S1; Q2 = U2S2, то отсюда следует, что: U1S1 = U2S2; где: Q1 и Q2 – объемные расходы жидкости в первом и втором сечениях, м3/с; U1 и U2 – средние скорости течения жидкости в первом и втором сечениях, м/с; S1и S2 – площади поперечного сечения потока в первом и втором сечениях, м2. Уравнение Бернулли, записанное для сечений 1 и 2 элементарной струйки или потока идеальной жидкости, имеет вид: p1 / (ρ g) + z1 + U12/(2g) = p2 / (ρ g) + z1 + U22/(2g) = H где: H- полный напор или полная удельная энергия жидкости. В случае реальной, вязкой жидкости, уравнение Бернулли записывается в виде: p1 / (ρ g) + z1 + α 1 U12/(2g) = p2 / (ρ g) + z1 + α 2 U22/(2g) + ∑ h; где: α 1 и α 2 – коэффициенты Кориолиса, учитывающие неравномерность распределения скоростей по 1 и 2 сечениям потока. Он равен отношению действительной кинетической энергии потока к кинетической энергии того же потока, но при равномерном распределении скоростей; ∑ h – суммарные потери полного напора между сечениями 1 и 2, обусловленные вязкостью жидкости. Различаются два вида гидравлических потерь напора: местные потери напора и потери на трение по длине. Местные потери напора определяются по формуле Вейсбаха: hм = ξ м U2/(2g); где: ξ м – коэффициент местного сопротивления, безразмерный. Потери напора на трение по длине ℓ (м) определяются по формуле Дарси: hтр = λ (ℓ /d) U2/(2g); где: λ – коэффициент гидравлического сопротивления трения, зависит от режима течении, безразмерный; d – внутренний диаметр трубопровода, м. Режим течения определяется числом Рейнольдса Re = Ud /ν, безразмерным. При ламинарном режиме течения (Re ≤ 2300): λ л = 64/ Re. При турбулентном режиме течения (Re ≥ 4000), коэффициент гидравлического сопротивления зависит как от числа Рейнольдса, так от степени шероховатости стенки трубы Δ, м: λ т = 0, 11( Δ /d + 68/ Re)1/4. В промежуточной области (2300 < Re < 4000): λ п = (64/2300) (Re/2300)k; где: k = 4, 16 lg(35, 94 λ т(4000)); а λ т(4000) – коэффициент гидравлического сопротивления, соответствующий турбулентному режиму течения при числе Рейнольдса, равном 4000. 6. Истечение жидкости через отверстия и насадки Из уравнения Бернулли может быть определена скорость истечения: U = φ (2gН )1/2; где: φ - коэффициент скорости, безразмерный; При истечении из отверстия струя сжимается от S0 – площади отверстия струи до фактической площади струи Sс, что характеризуется коэффициентом сжатия струи: ε = Sс/ S0. Объемный расход жидкости через отверстие площадью S0 в тонкой стенке определяется выражением: Q = μ S0 (2gН )1/2 = μ Sдр(2 Δ р /ρ )1/2; где: μ – коэффициент расхода, безразмерный; Н – расчетный напор, который в общем случае равен сумме геометрического и пьезометрического напоров; Δ р = ρ gН – расчетный перепад давлении, Па. Отверстием в тонкой стенке называется отверстие, диаметр которого больше толщины стенки. В этом случае коэффициент расхода μ и другие коэффициенты однозначно определяются числом Рейнольдса и в приближенных расчета обычно принимают: ε = 0, 64; φ = 0, 97; μ = 0, 62. При внешнем цилиндрическом насадке, который представляет собой короткую трубу, приставленную к отверстию снаружи, или при отверстии, диаметр которого в 2 – 6 раз меньше толщины стенки, возможны два режима истечения: безотрывный и отрывный. При первом режиме в приближенных расчетах принимают μ = φ = 0, 82; : ε = 1. При втором режиме коэффициенты не отличаются от случая истечения в тонкой стенке. Внутренний цилиндрический насадок – это короткая труба, приставленная к отверстию изнутри. В этом случае также возможны два режима истечения. При безотрывном режиме истечения: μ = φ = 0, 71; ε = 1. При втором режиме: μ = ε = 0, 5; φ = 1. 7. Гидравлический расчет трубопроводов При гидравлических расчетах рассматривается несколько видов трубопроводов. Простые трубопроводы – это трубопроводы, которые не содержат разветвлений. Простые трубопроводы могут быть соединены так, что образуют параллельные соединения. Если трубопровод имеет несколько труб, выходящих из одного места, он называется разветвленным. Трубопровод, содержащий как последовательные, так и параллельные соединения труб или разветвлений, называютмя сложными. Гидравлический расчет простых трубопроводов может производиться по формуле Дарси, которая была приведена в разделе Уравнение Бернулли. Формула Дарси может быть преобразована к виду: hтр = λ (ℓ /d) 8 Q2 /(g π 2 d4). При ламинарном режиме течения, потери на трение равны: hтр = 128 ν ρ ℓ Q/( π d4). Суммарные потери напора в простом трубопроводе складываются из потерь на трение по длине и местных потерь: ∑ h = hтр + ∑ hм = [λ (ℓ /d) + ∑ ξ i ] 8 Q2 /(g π 2 d4).
Условия контрольных РГР Таблица 1
№* -последняя цифра шифра Кондратьев А.С. ___ ГИДРОМЕХАНИКА (наименование дисциплины) КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ
Москва 2014 1. Методические рекомендации по выполнению расчетно-графических работ (РГР) В соответствии с методическими указаниями к РГР необходимо выбрать свой вариант работы. Ознакомиться с условиями каждой задачи и при необходимости перевести все исходные данные в систему СИ. Исходя из условий конкретной задачи, определить исходные расчетные формулы, которые потребуются для решения задачи. Следует обратить внимание на то, что в случае, когда целью задачи является определение относительной величины, например, во сколько раз изменится диаметр трубопровода и т. п., некоторые величины, входящие в расчетные теоретические выражения, не заданы в численном виде. Провести расчеты. Оформить РГР в виде единого документа (тетрадь и т. п.) и сдать преподавателю. После получения оценки ознакомиться с замечаниями. В течение изучения дисциплины предусмотрено проведение одного РГР. Номера варианта контрольных РГР студент выбирает по последней цифре (см. Таблица 1), а числовые значения - по предпоследней цифре шифра или удостоверения студента (см. Таблица 2). Условия задач сформулированы для каких то произвольных исходных данных, конкретные численные значения которых выбираются в соответствии со способом, указанным выше. Выполняемые контрольные РГР имеют целью научить студента применять изученные закономерности при решении практических задач курса гидравлики. Перечень тем 1. Свойства жидкостей 2. Гидростатическое давление в жидкости 3. Сила давления жидкости на плоские и криволинейные стенки 4. Положение равновесия жидкости при действии постоянного ускорения. 5. Уравнение Бернулли 6. Истечение жидкости через отверстия и насадки
10. Гидропривод Литература 1. Задачник по гидравлике, гидромашинам и гидроприводу. Под ред. Б.Б. Некрасова. М.: Высшая школа. 1989. 1. Свойства жидкостей Коэффициент объемного сжатия жидкости β р, Па-1 определяется выражением: β р = - (Δ V/ Δ р) /V, где: V – объем жидкости, м3; Δ V – изменение объема жидкости под воздействием давления, м3; Δ р – изменение давления, воздействующего на жидкость, Па. Еж = 1/ β р – модуль упругости жидкости, Па. Коэффициент температурного расширения жидкости β т, град-1 определяется выражением: Δ р = (Δ V/ Δ Т) /V; где: Δ Т – изменение температуры жидкости, град. Изменение плотности жидкости при одновременном изменении давления и температуры жидкости, определяется выражением: ρ к = ρ н (1 + β р Δ р - Δ р Δ Т); где: ρ к и ρ н – конечная и начальная плотности жидкости, соответственно, кг/м3. 2. Гидростатическое давление в жидкости Гидростатическое давление в любой точке неподвижной жидкости равно: р = р0 + ρ g h; где: р – давление в рассматриваемой точке (сечении), Па; р0 - давление на какой-либо поверхности уровня жидкости, например на свободной поверхности, Па; g = 9, 81 м/с2 – ускорение силы тяжести; h – глубина расположения рассматриваемой точки(сечения), отсчитываемая от поверхности с давлением р0, м. Другая форма записи этого уравнения: z + р/ (ρ g ) = z 0+ р0/ (ρ g ); где: z и z 0 – вертикальные координаты произвольной точки и свободной поверхности, отсчитываемые от горизонтальной плоскости вверх, м; р/ (ρ g ) – пьезометрическая высота, м. 3. Силы давления в жидкости действующие на плоские или криволинейные стенки Сила давления жидкости F, Н на плоскую стенку равна произведению гидростатического давления рс в центре тяжести площадки на площадь стенки S, м2: F = рсS. Центр давления (точка приложения силы F) расположен ниже центра тяжести площадки или совпадает с последним в случае горизонтальной стенки. Расстояние между центром тяжести площади и центром давления в направлении нормали к линии пересечения плоскости стенки со свободной поверхностью жидкости равно: Δ y = J0/ (yс S); где: J0 – момент инерции площади стенки относительно оси, проходящей через центр тяжести площади и параллельной линии пересечения плоскости стенки со свободной поверхностью; yс – координата центра тяжести площади. Сила давления жидкости на криволинейную стенку, симметричную относительно вертикальной плоскости, складываются из горизонтальной Fг и вертикальной Fв составляющих: F = (Fг2 + Fв2)1/2. Горизонтальная составляющая Fг равна силе давления жидкости на вертикальную проекцию данной стенки: Fг = ρ g hс Sв; где: hс - глубина расположения центра тяжести поверхности; Sв – площадь вертикальной проекции поверхности S. Вертикальная составляющая Fв равна весу жидкости в объеме, заключенном между данной стенкой, свободной поверхностью жидкости и вертикальной проекцирующей поверхностью, проведенной по контуру стенки. Если избыточное давление р0 на свободной поверхности жидкости отлично от нуля, то при расчете уровень свободной поверхности увеличивается на соответствующую пьезометрическую высоту р0/ (ρ g ). 4. Положение равновесия жидкости при действии постоянного ускорения. Относительный покой жидкости – это равновесие её в движущихся сосудах, когда помимо силы тяжести на жидкость действует вторая массовая сила – сила инерции переносного движения, причем эта сила постоянна по времени. Возможны два случая относительного покоя жидкости: в сосуде, движущемся прямолинейно и равноускоренно; и в сосуде, вращающемся вокруг вертикальной сои с постоянной угловой скоростью. В обоих случаях поверхности уровня и в том числе свободная поверхность жидкости: принимают такой вид, при котором равнодействующая массовых сил нормальна к этим поверхностям во всех их точках. В сосуде, движущемся прямолинейно и равноускоренно, поверхности уровня – плоские. В сосуде, равномерно вращающемся вокруг вертикальной оси, поверхности уровня представляют собой параболоиды вращения. Уравнение поверхности уровня в цилиндрической системе координат (r, z) имеет вид: z = z0 + ω 2r2/(2g); где: z0 – вертикальная координата вершины параболоида поверхности уровня при r = 0, м; ω – угловая скорость вращения, рад с-1. Закон распределения давления по объему жидкости, вращающейся вместе с сосудом, выражается уравнением: р = р0 + [ z0 - z + ω 2r2/(2g)]ρ g. 5. Уравнение Бернулли. Основными уравнениями, позволяющими решать задачи о движении идеальной жидкости, являются уравнение расхода и уравнение Бернулли. Уравнения расхода представляет собой условие неразрывности в двух поперечных сечениях одного и того же потокаQ1 = Q2. Так как: Q1 = U1S1; Q2 = U2S2, то отсюда следует, что: U1S1 = U2S2; где: Q1 и Q2 – объемные расходы жидкости в первом и втором сечениях, м3/с; U1 и U2 – средние скорости течения жидкости в первом и втором сечениях, м/с; S1и S2 – площади поперечного сечения потока в первом и втором сечениях, м2. Уравнение Бернулли, записанное для сечений 1 и 2 элементарной струйки или потока идеальной жидкости, имеет вид: p1 / (ρ g) + z1 + U12/(2g) = p2 / (ρ g) + z1 + U22/(2g) = H где: H- полный напор или полная удельная энергия жидкости. В случае реальной, вязкой жидкости, уравнение Бернулли записывается в виде: p1 / (ρ g) + z1 + α 1 U12/(2g) = p2 / (ρ g) + z1 + α 2 U22/(2g) + ∑ h; где: α 1 и α 2 – коэффициенты Кориолиса, учитывающие неравномерность распределения скоростей по 1 и 2 сечениям потока. Он равен отношению действительной кинетической энергии потока к кинетической энергии того же потока, но при равномерном распределении скоростей; ∑ h – суммарные потери полного напора между сечениями 1 и 2, обусловленные вязкостью жидкости. Различаются два вида гидравлических потерь напора: местные потери напора и потери на трение по длине. Местные потери напора определяются по формуле Вейсбаха: hм = ξ м U2/(2g); где: ξ м – коэффициент местного сопротивления, безразмерный. Потери напора на трение по длине ℓ (м) определяются по формуле Дарси: hтр = λ (ℓ /d) U2/(2g); где: λ – коэффициент гидравлического сопротивления трения, зависит от режима течении, безразмерный; d – внутренний диаметр трубопровода, м. Режим течения определяется числом Рейнольдса Re = Ud /ν, безразмерным. При ламинарном режиме течения (Re ≤ 2300): λ л = 64/ Re. При турбулентном режиме течения (Re ≥ 4000), коэффициент гидравлического сопротивления зависит как от числа Рейнольдса, так от степени шероховатости стенки трубы Δ, м: λ т = 0, 11( Δ /d + 68/ Re)1/4. В промежуточной области (2300 < Re < 4000): λ п = (64/2300) (Re/2300)k; где: k = 4, 16 lg(35, 94 λ т(4000)); а λ т(4000) – коэффициент гидравлического сопротивления, соответствующий турбулентному режиму течения при числе Рейнольдса, равном 4000. 6. Истечение жидкости через отверстия и насадки Из уравнения Бернулли может быть определена скорость истечения: U = φ (2gН )1/2; где: φ - коэффициент скорости, безразмерный; При истечении из отверстия струя сжимается от S0 – площади отверстия струи до фактической площади струи Sс, что характеризуется коэффициентом сжатия струи: ε = Sс/ S0. Объемный расход жидкости через отверстие площадью S0 в тонкой стенке определяется выражением: Q = μ S0 (2gН )1/2 = μ Sдр(2 Δ р /ρ )1/2; где: μ – коэффициент расхода, безразмерный; Н – расчетный напор, который в общем случае равен сумме геометрического и пьезометрического напоров; Δ р = ρ gН – расчетный перепад давлении, Па. Отверстием в тонкой стенке называется отверстие, диаметр которого больше толщины стенки. В этом случае коэффициент расхода μ и другие коэффициенты однозначно определяются числом Рейнольдса и в приближенных расчета обычно принимают: ε = 0, 64; φ = 0, 97; μ = 0, 62. При внешнем цилиндрическом насадке, который представляет собой короткую трубу, приставленную к отверстию снаружи, или при отверстии, диаметр которого в 2 – 6 раз меньше толщины стенки, возможны два режима истечения: безотрывный и отрывный. При первом режиме в приближенных расчетах принимают μ = φ = 0, 82; : ε = 1. При втором режиме коэффициенты не отличаются от случая истечения в тонкой стенке. Внутренний цилиндрический насадок – это короткая труба, приставленная к отверстию изнутри. В этом случае также возможны два режима истечения. При безотрывном режиме истечения: μ = φ = 0, 71; ε = 1. При втором режиме: μ = ε = 0, 5; φ = 1. 7. Гидравлический расчет трубопроводов При гидравлических расчетах рассматривается несколько видов трубопроводов. Простые трубопроводы – это трубопроводы, которые не содержат разветвлений. Простые трубопроводы могут быть соединены так, что образуют параллельные соединения. Если трубопровод имеет несколько труб, выходящих из одного места, он называется разветвленным. Трубопровод, содержащий как последовательные, так и параллельные соединения труб или разветвлений, называютмя сложными. Гидравлический расчет простых трубопроводов может производиться по формуле Дарси, которая была приведена в разделе Уравнение Бернулли. Формула Дарси может быть преобразована к виду: hтр = λ (ℓ /d) 8 Q2 /(g π 2 d4). При ламинарном режиме течения, потери на трение равны: hтр = 128 ν ρ ℓ Q/( π d4). Суммарные потери напора в простом трубопроводе складываются из потерь на трение по длине и местных потерь: ∑ h = hтр + ∑ hм = [λ (ℓ /d) + ∑ ξ i ] 8 Q2 /(g π 2 d4).
Условия контрольных РГР Таблица 1
№* -последняя цифра шифра Задачи 1 и 2 связаны с основными свойствами жидкости. Задача 1. Канистра, заполненная бензином и не содержащая воздуха, нагрелась на солнце до температуры tк = 500С. На сколько повысилось бы давление бензина внутри канистры, если бы она была абсолютно жесткой? Начальная температура бензина tн = 200С Модуль объемной упругости бензина Еж = 1300 МПа, коэффициент температурного расширения β t = 8 10-4 1/град. Задача 2. Определить объемный модуль упругости жидкости, если под действием груза А массой m = 250 кг поршень опустился на расстояние Δ h = 5 мм. Начальная высота положения поршня (без груза) Н = 1, 5 м, диаметр поршня d = 80мм, а резервуара D = 300 мм, высота резервуара h = 1, 3 м. Весом поршня пренебречь. Резервуар считать абсолютно жестким. Рис. 1. Популярное:
|
Последнее изменение этой страницы: 2017-03-03; Просмотров: 639; Нарушение авторского права страницы