Реферат Курсовая Конспект
МЕХАНИКА - Конспект Лекций, раздел Философия, Ю.в. Лоскутов ...
|
Ю.В. Лоскутов
МЕХАНИКА
ЖИДКОСТИ И ГАЗА
Конспекты лекций
СОДЕРЖАНИЕ
Введение............................................................................................................ 5
Что такое механика жидкости и газа ........................................................ 5
Как пользоваться конспектами лекций .................................................... 5
Гидравлика (Механика жидкости)..................................................................... 6
Физические свойства жидкости................................................................. 6
Плотность ................................................................................................. 6
Удельный вес ........................................................................................... 6
Вязкость ................................................................................................... 6
Гидростатика................................................................................................ 7
Гидростатическое давление ..................................................................... 7
Основное уравнение гидростатики ........................................................... 7
Приборы для измерения давления .......................................................... 8
Эпюры давления жидкости ..................................................................... 10
Законы Архимеда и Паскаля ................................................................... 11
Гидростатический напор ......................................................................... 11
Гидродинамика........................................................................................... 12
Словарь гидравлических терминов ......................................................... 12
Уравнение неразрывности потока .......................................................... 14
Гидродинамический напор ...................................................................... 15
Уравнение Бернулли для жидкости ........................................................ 16
Разность напоров и потери напора ..................................................... 17
Напорная и пьезометрическая линии ..................................................... 18
Связь давления и скорости в потоке ..................................................... 19
Режимы движения жидкости ................................................................... 19
Расчёт напорных потоков ........................................................................ 21
Гидравлический удар .............................................................................. 23
Гидравлика отверстий и насадков .......................................................... 24
Расчёт безнапорных потоков .................................................................. 25
Теория фильтрация................................................................................... 27
Определения, термины и закономерности ............................................ 27
Фильтрационные расчёты ...................................................................... 30
Аэродинамика (механика газа)........................................................................ 34
Физические свойства газов....................................................................... 34
Плотность ............................................................................................... 34
Удельный вес ......................................................................................... 35
Вязкость ................................................................................................. 35
Статика газа................................................................................................ 35
Статическое давление ............................................................................ 35
Приборы для измерения давления ........................................................ 36
Эпюры давления .................................................................................... 37
Приведённое статическое давление ...................................................... 38
Динамика газа............................................................................................. 40
Словарь аэродинамических терминов ..................................................... 40
Уравнение неразрывности потока .......................................................... 41
Приведённое полное давление .............................................................. 41
Уравнение Бернулли для газа ................................................................ 42
Разность давлений и потери давления ................................................ 43
Режимы движения газа ........................................................................... 43
Аэродинамика инженерных сетей .......................................................... 44
Расчёт систем с естественной тягой ...................................................... 45
Расчёт систем с естественной циркуляцией ......................................... 46
Архитектурно-строительная аэродинамика ........................................... 48
Фильтрация газа ..................................................................................... 50
Буквенные обозначения с предметным указателем.............................51
Справочные данные................................................................................... 54
Алфавитно- предметный указатель.........................................................55
Введение
Физические свойства жидкости
Для практических задач гидравлики в области строительства имеют значение три физических свойства жидкости: плотность, удельный вес, вязкость.
Плотность
Плотность r — это масса единицы объёма жидкости (кг/м3)
,
где m — масса, кг; V — объём, м3.
Плотность воды при температуре +4 °С равна 1000 кг/м3. Другие значения плотности воды в зависимости от температуры можно найти в справочных данных на с. 54. Легко заметить, что плотность воды зависит от температуры незначительно. В большинстве гидравлических расчётов свойствами сжимаемости и температурного расширения жидкостей пренебрегают, например, для воды считают плотность постоянной и равной 1000 кг/м3.
Удельный вес
Удельный вес g — это вес единицы объёма жидкости (Н/м3)
,
где G — вес (сила тяжести), Н; V — объём, м3.
Связаны удельный вес и плотность через ускорение свободного падения (g = 9,81 » 10 м/с2) так :
.
Вязкость
Вязкость — это свойство жидкости проявлять внутреннее трение при её движении, обусловленное сопротивлением взаимному сдвигу её частиц. В покоящейся жидкости вязкость не проявляется. Количественно вязкость может быть выражена в виде динамической или кинематической вязкости, которые легко переводятся одна в другую.
Вязкость динамическая m , Па· с = Н· с / м2.
Вязкость кинематическая , м2 / с.
Справочные данные по вязкости воды в зависимости от температуры можно найти на с. 54. Зависимость уже более существенная, в отличие от плотности. Для всех жидкостей характерно, что с увеличением температуры вязкость их уменьшается.
Гидростатика
Гидростатика — это раздел гидравлики (механики жидкости), изучающий покоящиеся жидкости. Она изучает законы равновесия жидкости и распределения в ней давления. Основные величины, используемые в гидростатике, —это давление p и напор H.
Гидростатическое давление
Гидростатическое давление p — это скалярная величина, характеризующая напряжённое состояние жидкости. Давление равно модулю нормального напряжения в точке: p = /s /.
Давление в системе СИ измеряется в паскалях: Па = Н / м2 .
Связь единиц давления в различных системах измерения такая:
100000 Па = 0,1 МПа = 1 кгс/см2 = 1 ат = 10 м вод. ст.
Два свойства гидростатического давления:
1. Давление в покоящейся жидкости на контакте с твёрдым телом вызывает напряжения, направленные перпендикулярно к поверхности раздела.
2. Давление в любой точке жидкости действует одинаково по всем направлениям. Это свойство отражает скалярность давления.
Гидродинамика
Гидродинамика — это раздел гидравлики (механики жидкости), изу-чающий закономерности движущихся жидкостей (потоков жидкостей).
Словарь гидравлических терминов
Все потоки жидкости подразделяются на два типа:
1) напорные — без свободной поверхности;
2) безнапорные — со свободной поверхностью.
Все потоки имеют общие гидравлические элементы: линии тока, живое сечение, расход, скорость. Приведём краткий словарь этих гидравлических терминов.
Свободная поверхность — это граница раздела жидкости и газа, давление на которой обычно равно атмосферному (рис. 7,а). Наличие или отсутствие её определяет тип потока: безнапорный или напорный. Напорные потоки, как правило, наблюдаются в водопроводных трубах (рис. 7,б) — работают полным сечением. Безнапорные — в канализационных (рис. 7,в), в которых труба заполняется не полностью, поток имеет свободную поверхность и движется самотёком, за счёт уклона трубы.
Линия тока — это элементарная струйка потока, площадь поперечного сечения которой бесконечно мала. Поток состоит из пучка струек (рис. 7,г).
Площадь живого сечения потока w (м2) — это площадь поперечного сечения потока, перпендикулярная линиям тока (см. рис. 7,г).
Расход потока q (или Q) — это объём жидкости V, проходящей через живое сечение потока в единицу времени t :
q = V/t.
Единицы измерения расхода в СИ м3/с, а в других системах: м3/ч , м3/сут, л/с.
Средняя скорость потока v (м/с) — это частное от деления расхода потока на площадь живого сечения :
v = q/w .
Отсюда расход можно выразить так:
q = vw .
Скорости потоков воды в сетях водопровода и канализации зданий обычно порядка 1 м/с.
Следующие два термина относятся к безнапорным потокам.
Смоченный периметр c (м) — это часть периметра живого сечения потока, где жидкость соприкасается с твёрдыми стенками. Например, на рис. 7,в величиной c является длина дуги окружности, которая образует нижнюю часть живого сечения потока и соприкасается со стенками трубы.
Гидравлический радиус R (м) — это отношение вида
R = w /c ,
которое применяется в качестве расчётного параметра в формулах для безнапорных потоков.
Напорная и пьезометрическая линии
Напорная линия (см. рис. 10) графически изображает гидродинамические напоры вдоль потока. Отметки этой линии могут быть определены с помощью трубок Питo или же расчётом. По ходу движения она всегда падает, то есть имеет уклон, так как потери напора не обратимы.
Пьезометрическая линия (см. рис. 10) графически отражает напоры вдоль потока без скоростного напора hv=v2/2g, поэтому она располагается всегда ниже напорной линии. Отметки этой линии могут быть зарегистрированы непосредственно пьезометрами или, с пересчётом, манометрами. В отличие от напорной линии пьезометрическая может не только понижаться вдоль потока, но и повышаться (рис. 11).
Гидравлический удар
Гидравлический удар представляет собой явление импульсивного изменения давления, происходящее в напорных трубопроводах. Например, если резко закрыть водопроводный кран (рис. 14), то вода, движущаяся со скоростью v, вынуждена так же резко остановиться. Однако из-за наличия инерционных сил движущейся жидкости перед краном возникнет ударное повышение давления величиной Dp, которое начнёт распространяться со скоростью звука vзв в воде в обратную сторону и может привести к авариям на трубопроводах.
Величину Dp (Па) при гидравлическом ударе можно рассчитать по формуле Н.Е.Жуковского:
Dp = r vvзв ,
где r — плотность жидкости, кг/м3.
Гидравлика отверстий и насадков
Насадком называется короткая труба длиной обычно от 3 до 4 d, улучшающая условия вытекания жидкости. Например, если вода вытекает из бака через отверстие и насадок (рис. 15), которые расположены на одной и той же глубине и диаметры которых равны, то в насадке расход воды будет примерно на 30 % больше, чем в отверстии.
Расход воды для отверстия или насадка находится по формуле
,
Здесь mо— коэффициент расхода (для круглого отверстия mо=0,62; для насадка mо=0,82 ); w — площадь поперечного сечения отверстия или насадка; DH — разность напоров (см. рис. 15).
Теория фильтрации
Физические свойства газов
Определения плотности r, удельного веса g, вязкости динамической m и кинематической n, приведённые для жидкости в гидравлике (см. с. 6—7), остаются в силе и для газа.
Удельный вес
Удельный вес газа g (Н/м3) находится по формуле:
g = r g.
Вязкость
Динамическая вязкость воздуха m (Па·с) может быть определена по экспериментальной формуле Р.Э. Мuлликена
,
где t° — температура, °C. Например, при t°=+20 °C вычисляем динамическую m =1,85·10-5Па·с и кинематическую вязкость воздуха n = m/r = = 1,85·10-5/1,2 = 1,54·10-5 м2/с.
Обратите внимание, что с увеличением температуры вязкость газа увеличивается, в отличие от жидкостей, которые при нагревании становятся менее вязкими.
Статика газа
Статика газа — это раздел аэродинамики (механики газа), изучающий законы равновесия покоящегося газа и распределения в нём давления.
Статическое давление
Статическое давление pст (Па), действующее в покоящемся газе, складывается из внешнего давления на газ po на некотором горизонтальном уровне (например, замеренное барометром атмосферное давление) и давления собственного веса газа (весового давления) pг = g h (рис. 21):
pст = po + g h = po + r g h ,
где h — высота слоя газа над точкой, в которой определяется статическое давление. Приведённое уравнение аналогично основному уравнению гидростатики (см. с. 8). Оно показывает, что давление в газе, как и в жидкости, с изменением высоты меняется по линейной зависимости.
Эпюры давления
Для расчёта на прочность замкнутых конструкций, ограждающих газ (трубопроводов, баллонов, резервуаров, газгольдеров и т.д.), на их поверхностях строят эпюры давления:
— избыточного pман = pст – pатм (рис. 23,а);
— вакуумметрического pв = pатм – pст (рис. 23,б).
Эти давления являются результирующими, то есть фактически действующими на конструкцию. Эпюры давления на рис. 23 построены с пренебрежением изменения давления по высоте резервуара, поэтому на вертикальных стенках они прямоугольные, а не треугольные как для жидкости (см. рис. 3). Такой приём допускается для газа при небольших высотах из-за малости его удельного веса. Эпюры давления служат исходными данными для расчёта конструкций на прочность методами сопромата.
Динамика газа
Динамика газа — это раздел аэродинамики (механики газа), изучающий закономерности движущихся газов (потоков газов). Будем рассматривать, главным образом, воздух.
На практике движение воздуха подобно движению несжимаемой жидкости (как в гидравлике). Разница состоит лишь в физических свойствах (плотности r, вязкости n) и в использовании для газа величин давления вместо напора.
Словарь аэродинамических терминов
Аэродинамическую терминологию приведём в сопоставлении с гидравлической.
Аналогия напорным и безнапорным потокам жидкости существует и в газах.
Поток газа в трубопроводе, закрытом канале или воздуховоде заполняет сечение полностью, соприкасаясь со стенками, поэтому он аналогичен напорному. Такие потоки, например, наблюдаются в системах вентиляции.
Аналогию с безнапорными потоками можно проследить в так называемых свободных струях. Например, в струях тёплого воздуха — воздушных завесах, устраиваемых зимой при входе в общественные здания.
В аэродинамике определения площади живого сечения w, м2, расхода потока Q, м3/с, скорости потока v, м/с, можно использовать гидравлические (см. гидродинамику, с. 13), заменив слово «жидкость» на «газ». Величины скоростей в сетях вентиляции и отопления зданий обычно лежат в пределах 0,5—1,5 м/с.
Для трубопроводов, каналов и воздуховодов круглого сечения расчётным геометрическим параметром является внутренний диаметр d. Если сечение некруглое, то его приводят к условно круглому с эквивалентным диаметром dэ по формуле
dэ = 4w/c ,
где c —полный периметр сечения (как для напорной трубы).
Например, для воздуховода прямоугольного сечения со сторонами a и b эквивалентный диаметр находится так:
dэ = 4w/c = 2ab/(a + b) .
Уравнение неразрывности потока
Уравнение неразрывности потока газа, отражающее физический закон сохранения массы, выглядит так:
v1w1 = v2w2 ,
то есть точно так же, что и для жидкости (см. с. 14), и с тем же следствием: при уменьшении площади живого сечения скорость потока увеличивается, и наоборот.
Буквенные обозначения
– Конец работы –
Используемые теги: Механика0.036
Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ: МЕХАНИКА
Если этот материал оказался полезным для Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:
Твитнуть |
Новости и инфо для студентов