Цуренко Ю.И. Гидромеханика. Гидравлика
Подождите немного. Документ загружается.
Министерство образования Российской Федерации
Филиал Санкт-Петербургского государственного морского
технического университета
СЕВМАШВТУЗ
Цуренко Юрий Иванович
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
СЕВЕРОДВИНСК
2006
- 2 -
УДК 629.12..001:11:532.
Цуренко Ю.И. ГИДРОМЕХАНИКА. ГИДРАВЛИКА.
Учебное пособие для студентов специальности 180100 – «Кораблестроение». и
специализации 180116 «Проектирование и строительство сооружений верфи».
Северодвинск, СЕВМАШВТУЗ, 2006 – 58 с., ил.
Ответственный редактор:
Пшеницин А.А., профессор кафедры Океанотехники,
Севмашвтуз.
Рецензенты: Горин С.В, профессор, заведующий кафедрой Физики,
Севмашвтуз.
Рижинашвили Г.М., профессор, заведующий кафедрой
Промышленного и гражданского строительства, Севмашвтуз.
Учебное пособие предназначено для использования при проведении практических
занятий по курсам «Гидравлика» и «Гидромеханика», а также при самостоятельном
изучении указанных дисциплин студентами дневного, вечернего и заочного отделения с
целью ознакомления студентов специальности 180100 – “Кораблестроение” с основными
методами работы при проведении гидродинамических расчетов. В пособии представлены
основные приемы и методы работы,
приведены варианты заданий для самостоятельной
работы. Приведенные справочные материалы и теоретические сведения облегчают
самостоятельную подготовку студентов различных форм обучения по указанным
дисциплинам. Электронный вариант издания доступен на сайте Севмашвтуза.
ISBN © Севмашвтуз, 2006 г.
- 3 -
1. Содержание курса «Гидромеханика».
1.1. Цель преподавания дисциплины.
Дисциплина «Гидромеханика» входит в блок естественнонаучных дисциплин
специальности 180100 «Кораблестроение» и имеет целью изучение студентами
законов равновесия и движения жидкостей, процессов их взаимодействия с
твердыми телами. Учитывая ограниченность времени, отводимого на изучение
дисциплины учебным планом, делающее невозможным строгое изложение
дисциплины, в настоящем курсе основное внимание уделено изложению основных
понятий гидромеханики и основам
тех методов технических расчетов, которые
находят применение при решении задач гидромеханики в области судостроения.
Основной упор в изложении курса сделан на такие важные для
кораблестроения разделы, как статика и кинематика несжимаемых жидкостей,
динамика несжимаемых жидкостей, основы динамики вязких жидкостей.
При изучении дисциплины студентом широко используются знания,
полученные в курсах физики, математики, теоретической механики. Наряду с
математическим анализом рассматриваемых проблем в курсе освещены методы
экспериментальных исследований, поскольку только результаты опытов можно
рассматривать как основу для построения теории современной гидромеханики.
Расчетные схемы рассматриваются студентами самостоятельно и при выполнении
домашних заданий.
Дисциплина «Гидромеханика
» изучается студентами дневной (завод-втуз),
заочной и вечерней систем обучения в 6-ом семестре и служит основой для
прохождения общепрофессиональных и специальных курсов «Гидравлика»,
«Теория корабля» и «Судовые системы». Программа дисциплины охватывает
вопросы, широко используемые в других дисциплинах, в связи с чем на занятиях
указываются практические применения теоретических положений.
Настоящая учебная
программа разработана в соответствии с требованиями
государственного образовательного стандарта специальности, утвержденными в
2000 году.
В результате изучения дисциплины студент должен
а) иметь представление:
• о месте гидромеханики как основе ряда специальных дисциплин,
• о степени достоверности результатов теоретических расчетов и роли
экспериментов,
• о режимах течений жидкости в практически важных для
кораблестроения
случаях,
б) знать:
• основные понятия гидромеханики, терминологию и систему обозначений,
• математические модели гидромеханики, используемые в теоретических
исследованиях, и области их применения,
в) уметь использовать:
• методы гидромеханики в принятии проектных решений при прохождении
специальных дисциплин.
- 4 -
На лекциях студенты осваивают теоретический материал по дисциплине.
Самостоятельно студенты выполняют две расчетно-графические работы и
закрепляют знания, полученные в процессе прохождения курса.
Контроль освоения студентами учебной дисциплины складывается из
семестрового зачета (в 5-ом семестре).
1.2. Лекции
1.2.1. Вводная лекция.
Предмет и задачи курса. Исторический обзор развития гидромеханики. Связь
курса
с другими кораблестроительными дисциплинами. Свойства жидкостей:
плотность, удельный вес, сжимаемость, вязкость и др.
1.2.2. Уравнения движения жидкости
Классификация сил, действующих в жидкости. Напряженное состояние
жидкости. Математические модели равновесия и движения жидкостей на основе
уравнений движения жидкости в напряжениях.
1.2.3. Гидростатика.
Уравнения равновесия жидкости в форме Эйлера. Гидростатическое
давление. Уравнения гидростатики для
абсолютного равновесия.
Примеры применения законов гидростатики. Определение сил и моментов,
действующих на поверхности и тела, находящиеся в покоящейся жидкости.
Плавание тел.
1.2.4. Основы кинематики несжимаемой жидкости.
Поле скорости и его характеристики. Составляющие скорости и ускорения
жидкой частицы. Уравнение неразрывности. Функция тока. Расход, средняя
скорость по живому сечению потока.
1.2.5. Основы
динамики идеальной жидкости
Уравнения Эйлера динамики идеальной жидкости. Начальные и граничные
условия. Методы получения решений уравнений Эйлера. Аналоговый и численный
эксперимент. Уравнения Эйлера, Лагранжа, Бернулли. Распределение скоростей и
давления по поверхности тел, движущихся в жидкости. Коэффициент давления.
Кавитация.
1.2.6. Безвихревые течения идеальной жидкости
Потенциальные течения и методы их расчета. Простейшие потоки
. Обтекание
кругового цилиндра. Парадокс Эйлера-Даламбера. Область применения модели
потенциальных течений.
1.3. Практические занятия
- 5 -
Практические занятия в аудитории не предусмотрены учебным планом. При
самостоятельном изучении дисциплины студенты выполняют два домашних
задания (расчетно-графические работы):
Домашнее задание №1
Задание предусматривает решение трех задач на использование законов
гидростатики несжимаемой жидкости. Время исполнения работы – 5 часов.
Домашнее задание №2
Задание предусматривает решение двух задач на использование теории
динамики
идеальной жидкости. Время исполнения работы – 5 часов.
2. Содержание курса «Гидравлика».
2.1. Цель преподавания дисциплины.
Дисциплина «Гидравлика» изучается студентами дневной (завод-втуз),
заочной и вечерней систем обучения в 7-ом семестре и служит основой для
прохождения общепрофессиональных и специальных курсов: «Теория корабля» и
«Судовые системы». Программа дисциплины охватывает вопросы, широко
используемые в других дисциплинах, в связи с чем на занятиях указываются
практические применения
теоретических положений.
Настоящая учебная программа разработана в соответствии с требованиями
государственного образовательного стандарта специальности, утвержденными в
2000 году.
В результате изучения дисциплины студент должен
а) иметь представление:
• о месте гидромеханики и гидравлики как основе ряда специальных дисциплин,
• о степени достоверности результатов теоретических расчетов и роли
экспериментов,
• о режимах
течений жидкости в практически важных для кораблестроения
случаях,
б) знать:
• основные понятия гидромеханики и гидравлики, терминологию и систему
обозначений,
• математические модели гидромеханики, используемые в теоретических
исследованиях, и области их применения,
в) уметь использовать:
• методы гидромеханики и гидравлики в принятии проектных решений при
прохождении специальных дисциплин.
На лекциях
студенты осваивают теоретический материал по дисциплине. В
рамках практических занятий, студенты дневной (завод-втуз) и вечерней форм
обучения осваивают математические модели различных гидродинамических
процессов, принципы работы устройств и систем, практические методы расчетов.
- 6 -
Самостоятельно студенты выполняют две расчетно-графические работы и
закрепляют знания, полученные в процессе прохождения курса.
Контроль освоения студентами учебной дисциплины складывается из
семестрового экзамена (в 7-ом семестре).
2.2. Лекции.
2.2.1. Введение. Основы динамики вязкой жидкости
Понятие о вязкости. Напряжения в вязкой жидкости. Ньютоновские и
неньютоновские жидкости. Обобщенная гипотеза Ньютона. Уравнения Навье
-
Стокса, начальные и граничные условия. Режимы течения вязкой жидкости.
Основные принципы моделирования течений вязкой жидкости.
Геометрическое, кинематическое и динамическое подобие. Общие формулы
гидромеханики для сил и моментов и их применение при моделировании.
Частичное подобие. Методы пересчета результатов модельных экспериментов на
натуру.
2.2.2. Внутренняя задача гидромеханики (гидравлика)
Классификация трубопроводов. Уравнение Бернулли
для линии тока и потока
вязкой жидкости. Потери напора в напорных трубопроводах. Общие формулы
потерь напора. Определение потерь напора по длине и местных потерь напора при
ламинарном и турбулентном режимах течения.
Простые и сложные трубопроводы и методы их расчета.
2.2.3 Теория пограничного слоя
Пограничный слой при движении тел в жидкости. Вязкостное
сопротивление
и его составляющие. Хорошо и плохо обтекаемые тела. Пограничный слой на
плоской пластине.
Свойство аффинности составляющих вязкостного сопротивления хорошо
обтекаемых тел. Кризис сопротивления и сопротивление плохо обтекаемых тел.
2.2.4. Основы теории крыла
Геометрические и гидродинамические характеристики крыльев. Назначение и
область применения крыльевых профилей.
Свойство автомодельности гидродинамических характеристик крыльев.
Пересчет
гидродинамических характеристик крыльев на другое удлинение и форму
в плане. Вихревые схемы крыльев конечного размаха.
2.2.5. Основы теории волн
Классификация волновых движений жидкости. Основные характеристики
волн. Волны на мелкой воде. Энергия волн.
- 7 -
2.3. Практические занятия
1. Решение задач по разделу «Основы динамики вязкой жидкости»
2. Решение задач по разделу «Основы динамики вязкой жидкости»
3. Решение задач по разделу «Гидравлика»
4. Решение задач по разделу «Гидравлика»
5. Решение задач по разделу «Теория пограничного слоя»
6. Решение задач по разделу «Теория пограничного слоя»
7. Решение
задач по разделу «Основы теории крыла»
8. Решение задач по разделу «Основы теории крыла»
9. Решение задач по разделу «Основы теории волн )»
При самостоятельном изучении дисциплины студенты выполняют два
домашних задания (расчетно-графические работы):
Домашнее задание №1
Задание предусматривает решение трех задач на использование законов
динамики вязкой несжимаемой жидкости. Время
исполнения работы – 5 часов.
Домашнее задание №2
Задание предусматривает решение двух задач на расчет трубопроводных
систем и использование теории подобия и моделирования гидродинамических
процессов. Время исполнения работы – 5 часов.
2.4. Дополнительные вопросы, изучаемые студентами специализации 180116:
«Проектирование и строительство сооружений верфи».
Истечение жидкости через отверстия, насадки и короткие трубы. Истечение
жидкости через
водосливы.
Равномерное течение жидкости в открытых руслах (каналах).
Гидравлический расчет каналов.
Основные понятия теории движения грунтовых вод. Скорость фильтрации и
формула Дарси.
Классификация насосов. Основные параметры насосов. Центробежные
насосы. Принцип действия. Характеристики центробежных насосов. Работа насосов
на сеть. Законы пропорциональности.
Поршневые насосы. Принцип действия и конструкции. Ротационные насосы.
Струйные насосы, воздушные подъёмники. Сравнительная характеристика насосов.
- 8 -
3. Подготовка к практическим занятиям.
Качество освоения теоретического материала, а следовательно и курса в
целом определяется уровнем и эффективностью выполняемых практических
занятий совместно на семинарских занятиях и при самостоятельном решении задач,
определяемых преподавателем в виде обязательных домашних заданий на
самостоятельную проработку. Подготовка к практическим занятиям и
самостоятельное решение характерных типовых
задач служит определяющей цели
– привитию устойчивых навыков решения конкретных задач из различных разделов
курса. В процессе их приобретения отрабатывается способность применения общих
теоретических закономерностей к отдельным конкретным практическим вопросам,
что способствует более глубокому проникновению в сущность изучаемой
дисциплины.
Во время аудиторных практических занятий необходимо решить 5∼6 задач,
расположенных в ряд
по возрастающей трудности. В качестве задач для
самостоятельного внеаудиторного решения преподавателем предлагается решить 5-
6задач среднего уровня трудности. Решение задач немыслимо без знания
теоретического материала и специальных методических приёмов, принципов
решения общих для группы задач. Таким образом, самостоятельному решению
задач должна предшествовать работа по тщательному изучению теоретического
лекционного материала соответствующего раздела
гидромеханики и гидравлики.
При решении задач необходимо следовать некоторым правилам
методического характера:
– записать краткое условие задачи, переведя в систему СИ все известные из
условия данные, добавив в случае необходимости некоторые справочные
константы;
– выполнить анализ задачи, вскрыв логический путь поиска искомой
величины с отражением всех необходимых закономерностей, используемых в
процессе решения
;
– выполнить графическое отображение (эскиз) условия задачи;
– получить решение, в виде зависимости в общем виде, сопровождая решение
необходимыми пояснениями;
– оценить достоверность решения, проверкой размерности и полным
использованием исходных данных;
– произвести численный расчет с учетом необходимой точности решения;
– оценить логическую целесообразность полученной расчетом численной
величины.
Методика контроля и оценки качества
выполнения студентами
самостоятельной работы на практических занятиях осуществляется:
– опросом теоретических положений с оценкой качества усвоенных знаний;
– проверкой выполнения домашних заданий.
К выполнению контрольных заданий студентам – заочникам следует
приступать после проработки соответствующих тем и разделов курса.
- 9 -
Варианты задач контрольной работы студент-заочник находит по последней
цифре шифра своей зачетной книжки, пользуясь таблицей вариантов.
В условиях задач не всегда указываются все цифровые значения параметров,
необходимых для решения задач (например, плотность, коэффициенты вязкости и
т.д.). Недостающие параметры выбираются из таблиц, приводимых в данном
пособии, либо в справочниках, в
каждом случае обязательно указывая в своей
контрольной работе название справочника, номер таблицы или графика.
Задачи следует решать самостоятельно, так как в ходе решения задач лучше
усваивается и закрепляется теоретический материал, выясняется суть
гидрогазодинамнческих явлений. Решение задач необходимо сопровождать
подробными пояснениями, делая ссылки на источники.
Исправлять незачтенную работу студентам-заочникам следует
в той же
тетради на чистых листах. Зачтенная контрольная работа защищается у
преподавателя,
4. Свойства жидкостей.
Материальные тела могут находится в трех агрегатных состояниях: твердом,
жидком и газообразном. Каждое из этих состояний характеризуется
специфическими свойствами, которые определяются особенностями их
молекулярной структуры, непосредственно связанной с силами взаимодействия
молекул. Этими силами являются
силы притяжения и отталкивания, действующие
одновременно и зависящие от расстояния между частицами.
Сложность молекулярного строения жидкости затрудняет получение
теоретическим путем достаточно общих связей между молекулярными
характеристиками и наблюдаемыми свойствами: температурой, давлением
плотностью, вязкостью и др. Поэтому в гидродинамике пользуются
экспериментально установленными значениями для этих величин и связями между
ними.
Согласно гипотезе
сплошности масса вещества распределена в объеме
непрерывно и в общем неравномерно. Основной динамической характеристикой
среды является плотность распределения массы по объему или просто плотность
среды.
Плотность среды
ρ
в произвольной точке А определяется
соотношением
W
M
W
∆
∆
=
→∆ 0
lim
ρ
, где
M
∆
– масса, заключенная в малом объеме
W
∆
,
включающем точку А; предел берется при стягивании объема
к этой точке.
W∆
Гипотеза сплошности среды означает, что всякий малый элемент объема
жидкости считается все-таки настолько большим, что содержит еще очень большое
число молекул. Соответственно этому, когда мы будем говорить о бесконечно
малых элементах объема, то всегда при этом будем подразумевать «физически»
бесконечно малый объем, т. е. объем достаточно
малый по сравнению с объемом
жидкости, но большой по сравнению с молекулярными расстояниями.
Жидкости характеризуются следующими свойствами:
- 10 -
1. Плотность – отношение массы тела к объему (масса единицы объема),
единицы измерения - кг/м
3
, для пресной воды ρ = 1000 кг/м
3
2. Удельный вес – вес единицы объема (отношение веса тела к его объему),
единицы измерения Н/м
3
(ньютон на кубический метр, 1 кг = 9.81Н, 1Н =
1кг*м/с
2
(сила, которая телу массой 1 кг придает ускорение 1 м/с
2
). Для воды
удельный вес γ = 9810 Н/м
3
. Удельный вес связан с плотностью следующей
зависимостью:
γ
=
ρ
g, где g – ускорение свободного падения, g = 9.81 м/с
2
.
3. Объемное сжатие. При приложении к жидкости внешнего давления жидкость
будет уменьшаться в объеме, характеризуется это явление коэффициентом
объемного сжатия β
p
. :
dp
dW
W
p
1
−=
β
, м
2
/Н.
Величина, обратная коэффициенту объемного сжатия, называется модулем
упругости E
ж
= 1/β
p
. Для воды обычно принимают E
ж
= 2 100 МПа.
Модуль упругости некоторых жидкостей E
ж
, МПа
Жидкость E
ж
, МПа Жидкость E
ж
, МПа
Вода 2100 Турбинное масло 1750
Нефть 1300 Спирт 1000
Керосин 1400 Глицерин 4150
Ртуть 25100 Цементный раствор
3200÷4000
Глинистый раствор
2200÷3400
4. Температурное расширение. При нагревании (охлаждении) жидкости
происходит изменение объема, характеризуется температурное расширение
коэффициентом температурного расширения α
t
:
.
dt
dW
W
t
1
=
α
,
Коэффициент температурного расширения для воды увеличивается с
возрастанием давления, для большинства других жидкостей – уменьшается. При
давлении p = 1 ат и температуре воды от 4 до 10
о
С коэффициент температурного
расширения принимается 0.000014, при температуре от 40 до 50 – 0.000422, при
давлении 100 ат и температуре от 4 до 10 – 0.000043.
Зависимость плотности воды от температуры
t,
°
C
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
ρ
,
кг/м
3
1000 1000 998 996 992 988 963 978 972 965 956