Афанасьев, Ю.О. Гидрогазомеханика

Подождите немного. Документ загружается.

Ю. О. Афанасьев Н. В. Тиунова

ГИДРОГАЗОМЕХАНИКА

Учебное пособие

Кемерово 2009

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

¬Кузбасский государственный технический университет°

Ю. О. Афанасьев Н. В. Тиунова

ГИДРОГАЗОМЕХАНИКА

Учебное пособие

Кемерово 2009

УДК 532.5, 621.22, 629.1.065 (075.32)

Рецензенты:

Старший научный сотрудник Института теплофизики СО РАН

(г. Новосибирск) кандидат технических наук А. Р. Богомолов

Заместитель председателя Кемеровского научного центра СО РАН

кандидат технических наук В. Н. Кочетков

Афанасьев, Ю. О. Гидрогазомеханика : учеб. пособие / Ю. О. Афа-

насьев, Н. В. Тиунова ; под ред. П. Т. Петрика ; Кузбас. гос. техн. ун-т. –

Кемерово, 2009. – 133 с.

ISBN 978-5-89070-705-5

Подготовлено по материалам лекций по курсу ¬Гидрогазомеханика°.

Рассматриваются теоретические основы гидростатики и гидродинамики,

практическое применение законов гидрогазомеханики в промышленном

производстве. Большое внимание уделяется определению гидравлических

потерь, принципам измерения основных параметров потока жидкости

и газа, а также различным конструкциям насосов и компрессоров и спосо-

бам регулирования подачи насосных установок.

Предназначено для студентов специальности 240801 ¬Машины

и аппараты химических производств° и может быть полезно для специали-

стов в области гидродинамики.

Печатается по решению редакционно-издательского совета Кузбас-

ского государственного технического университета.

УДК 532.5, 621.22, 629.1.065 (075.32)

µ Афанасьев Ю. О., Тиунова Н. В.,

2009

ISBN 978-5-89070-705-5

µ Кузбасский государственный

технический университет, 2009

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие 5

Основные обозначения 6

Введение 7

ПРЕДМЕТ ГИДРОГАЗОМЕХАНИКИ

Глава 1. Предмет, задачи и методы гидрогазомеханики 8

1.1. Жидкости и газы. Внутренняя и внешняя задачи 8

1.2. Силы, действующие на жидкость (газ) 9

1.3. Основные свойства жидкостей и газов 9

ГИДРОСТАТИКА

Глава 2. Гидростатическое давление и уравнения равновесия 13

2.1. Свойства гидростатического давления 13

2.2. Закон Паскаля 13

2.3. Дифференциальные уравнения равновесия Эйлера 15

2.4. Основное уравнение гидростатики 17

Глава 3. Применение законов гидростатики 19

3.1. Сообщающиеся сосуды 19

3.2. Пневматический измеритель уровня жидкости 21

3.3. Гидравлический затвор 21

3.4. Гидростатические машины 22

ГИДРОДИНАМИКА

Глава 4. Основные характеристики движущейся жидкости 23

4.1. Расход, скорость и поле скоростей 23

4.2. Стационарное и нестационарное движение жидкости 24

4.3. Режимы движения жидкости. Критерий Рейнольдса 25

Глава 5. Движение идеальной жидкости 28

5.1. Дифференциальное уравнение неразрывности 28

5.2. Субстациональная производная 31

5.3. Дифференциальные уравнения движения Эйлера 33

5.4. Уравнение Бернулли 36

Глава 6. Движение реальной жидкости 40

6.1. Дифференциальные уравнения движения Навье – Стокса 40

6.2. Условия однозначности 44

Глава 7. Гидродинамическое подобие 44

7.1. Критерии гидродинамического подобия 47

7.2. Критериальное уравнение гидродинамики 50

Глава 8. Уравнение Бернулли для реальной (вязкой) жидкости 51

8.1. Гидравлические потери 52

8.2. Расчет потерь на трение 53

8.3. Расчет потерь на местных сопротивлениях 57

Глава 9. Ламинарный режим движения жидкости 59

9.1. Течение Куэтта и Пуазейля 59

9.2. Ламинарный режим течения жидкости в трубах 61

9.3. Движение тел в жидкости 64

Глава 10. Турбулентный режим движения жидкости 67

10.1. Причины появления турбулентности 67

10.2. Характеристики турбулентного потока 68

Глава 11. Основы теории пограничного слоя 73

11.1. Дифференциальные уравнения пограничного слоя 74

11.2. Отрыв пограничного слоя. Вихревая дорожка Кармана 80

11.3. Способы управления пограничным слоем 83

ОСНОВЫ ГАЗОВОЙ ДИНАМИКИ

Глава 12. Адиабатное движение газа 88

12.1. Параметры полного торможения 88

12.2. Скорость звука 90

12.3. Переход на сверхзвуковую скорость течения газа 93

12.4. Сопло Лаваля 95

12.5. Ударная волна. Прямой и косой скачок уплотнения 96

НАСОСЫ И КОМПРЕССОРНЫЕ МАШИНЫ

Глава 13. Насосы 98

13.1. Классификация насосов по принципу действия 98

13.2. Основные параметры насосов 99

13.3. Центробежные насосы 103

13.4. Поршневые насосы 105

13.5. Работа насосов на сеть. Регулирование подачи 109

13.6. Неустойчивость работы. Помпаж 113

Глава 14. Компрессоры 115

14.1. Основные характеристики и область применения 115

14.2. Термодинамика компрессорного процесса 116

14.3. Поршневые компрессоры 122

14.4. Центробежные машины 124

Список рекомендуемой литературы 128

Список использованной литературы 128

Приложение 129

Предметный указатель 130

ПРЕДИСЛОВИЕ

Учебное пособие выполнено по курсу лекций, читаемых

в течение более 15 лет по дисциплине ¬Гидрогазомеханика°.

Цель пособия – помочь студентам при изучении механики жид-

кости и газа. Дисциплина ¬Гидрогазомеханика° читается как

часть курса ¬Процессы и аппараты химической технологии° для

студентов специальности 240801. Освещаются вопросы гидро-

статики, теоретической гидродинамики, теории пограничного

слоя, газовой динамики, гидравлики и гидропривода. Первая гла-

ва, кроме общих вопросов, включает основные обозначения и

физические свойства жидкостей и газов. Раздел ¬Гидростатика°

содержит основные законы равновесия жидкости и практические

приложения этих законов. Раздел ¬Гидродинамика°, как наибо-

лее обширный, включает вопросы теоретической гидродинамики

идеальной и реальной (вязкой) жидкости, основы теории погра-

ничного слоя и применения основных законов гидродинамики в

промышленности и измерительной технике. Более подробно рас-

сматриваются режимы течения жидкости и аналитические реше-

ния дифференциальных уравнений для простых случаев лами-

нарного режима течения. Для тех случаев, когда аналитическое

решение дифференциальных уравнений сопряжено с большими

трудностями, предлагаются решения задач с помощью методов

теории подобия. Для студентов-механиков приводятся основы

гидродинамической теории смазки. В разделе ¬Основы газовой

динамики° приведены законы движения сжимаемой жидкости и

особенности перехода скорости среды через звуковой барьер.

Раздел ¬Компрессорные машины° содержит основные конструк-

ции компрессоров, применяемых в промышленности, их прин-

цип действия и основные характеристики. Раздел ¬Гидравличе-

ские машины и гидропривод° включает основные характеристи-

ки, конструкции насосов, а также конструкции гидроаппаратуры.

Приводится методика выбора насоса и способы регулирования

подачи насосов. Учебное пособие окажет большую помощь при

подготовке к зачету и выполнении курсовой работы.

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

а – скорость звука

d – диаметр трубопровода

Е – сила инерции

F – площадь поверхности слоя

G – сила тяжести

g – ускорение свободного падения

Н – высота столба жидкости

h – потери напора

L, l – длина, линейный размер

M – массовый расход

m – масса

Р – сила давления

р – давление

Q – объемный расход

S – площадь поперечного сечения

Т – сила трения

t – время

V – объем

v – удельный объем

W – скорость

, w

– проекции вектора скорости на оси координат

x, y, z – декартовы координаты

α – коэффициент расхода дроссельного прибора

– коэффициент объемного сжатия

γ – удельный вес

δ – относительная плотность или толщина пограничного слоя

ε – относительная шероховатость

ζ – коэффициент сопротивления

η – коэффициент полезного действия

λ – коэффициент гидравлического трения

μ – динамический коэффициент вязкости

ν – кинематический коэффициент вязкости

ρ – плотность среды

σ – поверхностное натяжение

τ – касательное напряжение

ВВЕДЕНИЕ

Многие области промышленности широко используют дос-

тижения гидрогазомеханики. На всех промышленных предпри-

ятиях и жилищно-коммунальных хозяйствах вопросы водоснаб-

жения и вентиляции производственных и жилых помещений

имеют большое значение. Инженер-механик должен знать основ-

ные законы движения жидкости и газа по трубам и каналам. Он

должен уметь рассчитать сопротивление гидравлической сети

и знать методики расчета и выбора оборудования насосных стан-

ций и систем вентиляции.

В химических предприятиях законы гидрогазомеханики ис-

пользуют для интенсификации процессов перемешивания раз-

личного рода жидких или газообразных сред, вступающих между

собой в химические реакции при движении их по трубам или

в реакторах и теплообменниках, при наличии твердых поверхно-

стей.

Авиация и кораблестроение, основными проблемами кото-

рых являются скорость, устойчивость агрегатов, неразрывно свя-

заны с аэродинамикой и гидродинамикой. Такая смежная с авиа-

цией отрасль техники, как реактивная техника, не только исполь-

зовала достижения предыдущей эпохи, но и поставила, главным

образом перед газовой динамикой, ряд новых задач, послужив-

ших дальнейшему значительному развитию этой сравнительно

молодой отрасли механики жидкости и газа.

Знания, полученные студентом в результате обучения, по-

зволят будущему инженеру-механику:

– рассчитывать параметры гидравлических сетей и подби-

рать диаметры трубопроводов;

– рассчитывать основные характеристики насосов или ком-

прессоров;

– рассчитывать системы вентиляции производственных или

жилых помещений;

– определять параметры потоков газа, движущегося с боль-

шой скоростью.

ПРЕДМЕТ ГИДРОГАЗОМЕХАНИКИ

Глава 1. Предмет, задачи и методы гидрогазомеханики

1.1. Жидкости и газы. Внутренняя и внешняя задачи

Гидрогазомеханика исследует законы равновесия и движе-

ния жидкостей и газов в открытых и закрытых каналах разнооб-

разной формы, обтекание ими твердых тел и способы приложе-

ния этих законов к решению практических задач.

В гидромеханике принято объединять жидкости, газы и па-

ры под единым словом ¬жидкость°, если скорость их движения

много меньше скорости звука. Это объясняется тем, что законы

движения жидкостей и газов в общем виде одинаковы при этих

условиях. Поэтому жидкостями будем называть все вещества,

обладающие текучестью при приложении к ним самых незначи-

тельных сил сдвига. Текучесть – это способность тела сколько

угодно сильно изменять свою форму под действием сколь угодно

малых сил.

Капельные жидкости отличаются от газов тем, что в малых

количествах принимают сферическую форму, а в больших обыч-

но образуют свободную поверхность. Важным различием между

жидкостью и газом является то, что капельные жидкости ни-

чтожно мало изменяют свой объем при изменении давления,

поэтому их считают обычно несжимаемыми.

Механика жидкости и газа (гидрогазомеханика) исследует

вопросы, связанные с покоем жидкости (гидростатика) и с ее

движением (гидродинамика), прибегая при решении возникаю-

щих задач к помощи теоретических исследований и специально

поставленных экспериментов. Главное внимание сосредотачива-

ется при этом на решении двух основных, связанных между со-

бою задач: внутренняя задача заключается в определении про-

филей скоростей и давлений в объеме жидкости, а внешняя за-

дача – в определении силового взаимодействия между жидко-

стью и окружающими ее твердыми телами.

1.2. Силы, действующие на жидкость (газ)

Силы, действующие на жидкость и являющиеся по отноше-

нию к ней внешними, разделяют на массовые (объемные) и по-

верхностные.

Массовые силы – это сила тяжести G и сила инерции E –

пропорциональны массе жидкости.

Поверхностные силы – это силы, обусловленные непосред-

ственным воздействием соседних объемов жидкости или воздей-

ствием других тел. Это сила давления ΔP и сила трения ΔT, как

показано на рис. 1.

В общем случае силу

ΔR, действующую на по-

верхность объема жидкости

ΔS, разлагают на ΔP – силу

давления и ΔT – силу трения.

Если сила давления равно-

мерно распределена по пло-

щадке ΔS, то давление опре-

деляют

p P S

  

, в об-

щем случае

lim

 







Касательное напряжение определяют по формуле

lim

 



 



Рис. 1. Схема распределения

поверхностных сил

ΔS

ΔT

ΔR

ΔP