Лекции 2012 (949139), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Жидкости и газы с точки зрения механики отличаются только степенью сжимаемости. В условиях, когда это свойство не является определяющим, решения уравнений сплошной среды оказываются одинаковыми для жидкостей и газов.

В зависимости от направленности исследований употребляются наименования теоретическая и техническая гидромеханика, получившая название гидравлики.

В гидравлике рассматривают, главным образом потоки жидкости, ограниченные и направляемые твердыми стенками, т. е. течения в открытых и закрытых руслах или каналах. В понятие русло или канал включают поверхности или стенки, которые ограничивают и направляют поток, следовательно, не только русла рек, каналов и лотков, но и различные трубопроводы, насадки, элементы гидромашин и других устройств, внутри которых протекает жидкость.

1.2. Предмет гидравлики

Законы движения капельных жидкостей и газов при малой скорости течения газа можно считать одинаковыми.

Течения газа относятся к области гидравлики в тех случаях, когда их скорости значительно меньше скорости звука и, следовательно, сжимаемостью газа можно пренебречь. Примером такого движения газов являются течение воздуха в вентиляционных системах, в системах кондиционирования воздуха и некоторых газопроводах.

Историческое развитие механики жидкостей шло двумя различными путями.
Первый путь — теоретический, путь точного математического анализа, основанного на законах механики. Он привел к созданию теоретической гидромеханики, которая долгое время являлась самостоятельной дисциплиной, непосредственно не связанной с экспериментом. Однако на пути чисто теоретического исследования движения жидкости встречается множество трудностей, методы теоретической гидромеханики не всегда дают ответы на вопросы, выдвигаемые практикой.

Второй путь — путь широкого привлечения эксперимента и накопления опытных данных для использования их в инженерной практике — привел к созданию гидравлики; он возник из насущных задач практической, инженерной деятельности людей. В начальный период своего развития гидравлика была наукой чисто эмпирической. В настоящее время в ней, где это возможно и целесообразно, все больше применяют методы теоретической гидромеханики для решения отдельных задач, а теоретическая гидромеханика все чаще начинает прибегать к эксперименту как к критерию достоверности своих выводов, таким образом, различие в методах этих двух направлений одной и той же науки постепенно исчезает.

В настоящее время гидромеханика и гидравлика развиваются, как науки на пути сближения теоретических и экспериментальных знаний.

Методы, используемые в современной гидравлике при исследовании движения, заключается в следующем.

1.Исследуемые явления сначала упрощают и к ним применяют законы теоретической механики.

2. Полученные результаты сравнивают с данными опытов, выясняют степень расхождения, уточняют и исправляют теоретические выводы и формулы для приспособления их к практическому использованию.

3. Явления трудно поддающихся теоретическому анализу из-за сложности, исследуют экспериментальным путем, а результаты представляют в виде эмпирических формул.

В результате разработаны методы расчета и проектирования разнообразных гидротехнических сооружений: плотин, каналов, водосливовов, трубопроводов, применяемых для подачи всевозможных жидкостей, а также для расчета гидромашин: насосов, гидротурбин, гидропередач, а также других гидравлических устройств.

Особенно велико значение гидравлики в машиностроении, где приходится иметь дело с закрытыми руслами (например, трубами) и напорными течениями в них, т. е. с потоками без свободной поверхности, когда давление в них отличается от атмосферного.

Гидросистемы, состоящие из насосов, трубопроводов, различных гидроагрегатов широко используют в машиностроении в качестве систем привода, систем охлаждения, систем топливоподачи, смазочных систем.

На различных современных машинах все в большом количестве применяются гидрогидромеханизмы и гидроавтоматика.

Гидромеханизмы представляют собой устройства для передачи механической энергии и преобразования движения с помощью жидкости. По сравнению с механизмами других видов, например, зубчатыми гидромеханизмы имеют ряд существенных преимуществ: простота преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное, возможность плавного изменения скоростей входного и выходного звеньев, компактность конструкций, малая удельная масса гидромашин при заданной мощности в сравнении с электромашинами.

Гидромеханизмы с системами автоматического или ручного управления, образуют гидроприводы, которые широко используют в металлообрабатывающих станках, на летательных аппаратах (самолетах, вертолетах, ракетах), на транспортных машинах (колесных и гусеничных), строительно-дорожных и подъемно-транспортных машинах, в прокатных станах и прессах.

Для расчета и проектирования гидроприводов и систем автоматического регулирования и других устройств с гидромашинами и гидроавтоматикой, а также для правильной их эксплуатации, ремонта и наладки нужно иметь соответствующую подготовку в области гидравлики и теории гидромашин.

1.3. Силы, действующие на жидкость.

Гипотеза сплошной среды рассматривает жидкость как непрерывную среду, заполняющую пространство без пустот и промежутков, т. е. отвлекаются от молекулярного строения жидкости, и даже малые ее частицы, считают состоящими из бесконечно большого числа молекул.

Вследствие текучести (подвижности частиц) в жидкости действуют силы не сосредоточенные, а непрерывно распределенные по ее объему (массе) или поверхности.

Внешние силы, действующие на жидкость, разделяют на массовые (объемные) и поверхностные.

Массовые силы в соответствии со вторым законом Ньютона пропорциональны массе жидкости или, для однородной жидкости, ее объему. К ним относятся сила тяжести и силы инерции переносного движения, действующая на жидкость при относительном ее покое в ускоренно движущихся сосудах или при относительном движении жидкости в руслах, перемещающихся с ускорением.

Поделив массовую силу на массу, в правой части закона Ньютона получим ускорение равное единичной массовой силе.

Поверхностные силы непрерывно, распределены по поверхности жидкости и при равномерном их распределении пропорциональны площади этой поверхности. Эти силы обусловлены непосредственным воздействием соседних объемов жидкости на данный объем или же воздействием других тел (твердых или газообразных), соприкасающихся с данной жидкостью. Как следует из третьего закона Ньютона, с такими же силами, но в противоположном направлении, жидкость действует на соседние с нею тела.

В общем случае поверхностная сила ΔR, действующая па площадке ΔS , направлена под некоторым углом к ней, и раскладывается на нормальную ΔР и тангенциальную ΔТ составляющие (рис. 1.7). Первая называется силой давления, а вторая - силой трения.

1.4.Давление жидкости.

Отношение поверхностной силы к площади, на которую она действует, дает напряжение поверхностной силы, которое также можно разложить на нормальную и касательную составляющие.

В общем случае давление в данной точке равно пределу, к которому стремится отношение силы давления ΔР к площади ΔS, на которую она действует, при стремлении ΔS к нулю.

Гидростатическим давлением в покоящейся жидкости называется напряжение сжатия:

р = lim ΔР / ΔS (2.1)

^ΔS→0

Если сила давления ΔР равномерно распределена по площадке ΔS то, среднее давление определяют по формуле

р= ΔР / ΔS. (2.1)

Касательное напряжение в жидкости, т. е. напряжение трения, обозначается буквой τ и выражается подобно давлению пределом

τ = lim ΔT / ΔS (2.3)

^ΔS→0

1.5.Абсолютное и избыточное давление. Разряжение.

1.5.1.Давление, измеренное от абсолютного нуля, называют абсолютным. В технике отсчитывают давление от абсолютного условного нуля, за который принимается давление атмосферного воздуха на поверхности земли, равное примерно одной атмосфере или 1 кГ/см2=10⁵ Па. Расположение абсолютного нуля в атмосфере относительно земной поверхности может быть определено по формуле основного гидростатического закона при условии, что мы принимаем плотность воздуха постоянной и равной ρ = 1,25 кг/м².

h= Р/ρg = 10⁵/(1,25*9,81) = 8154 м.

1.5.2. Давление, измеренное от атмосферного давления Р_ат, называют избыточным Р_изб или манометрическим, потому что его измеряют различными приборами в том числе манометрами.

Абсолютное давление равно

Р_абс = Р_ат +Р_изб

1.5.3. Вакуумом или разряжением называется недостаток давления до атмосферного. Вакуум определяется, как разность между атмосферным давлением и абсолютным, если абсолютное меньше атмосферного.

Р_вак = Р_ат - Р_абс

Рассмотрим подробнее соотношения между абсолютным и избыточным давлением.

Обычное выражение для гидростатического закона: Р= Ро+ ρgh.

1.6.Использование пьезометра.

Прибор для измерения давления на основе прозрачной трубки, например, как у Торричелли, называется пьезометр. Один конец присоединяется к точке, где измеряется давление, другой конец обычно соединен с атмосферой.

1.6.1. Использование пьезометра.

10.1. Прибор для измерения давления на основе прозрачной трубки, называется пьезометр. Один конец присоединяется к точке, где измеряется давление, другой конец обычно соединен с атмосферой. (рис.2).

По закону о сообщающихся сосудах в резервуаре и в трубке, когда они открыты, жидкость под действием атмосферного давления – Ратм устанавливается на одном горизонтальном уровне (рис.2).

11. Свободной поверхностью называется поверхность раздела жидкости и газа.

Величина абсолютного давления, например, в измеряемой точке 2 будет равна

Величина избыточного давления в точке 2 будет равна

где Ро = Ратм – давление над уровнем свободной поверхности жидкости в баке, Р_изб2 – избыточное давление в точке измерения в точке 2.

12. Уровни равного давления параллельны свободной поверхности.

13. Горизонтальные плоскости, проведенные по уровням равного давления, называются: 1)поверхностями равного давления или 2)пьезометрическими плоскостями.

14.Пьезометрической высотой называется заглубление точки измерения относительно пьезометрической плоскости.

На рисунке таких плоскостей три: пьезометрические плоскости, соответствующие давлению над свободной поверхностью, давлению в точке 1 и в точке 2.

15. Если резервуар закрыть герметичной крышкой, и накачать под нее давление, так что давление в резервуаре увеличится Ро > Ратм, уровень жидкости в пьезометре поднимется выше уровня свободной поверхности.

Пьезометрическая плоскость, соответствующая атмосферному давлению, поднимется над свободной поверхностью жидкости на величину: .

Величина абсолютного давления в измеряемой точке 1 будет равна

Р_абс=Р_атм + Р_изб

Величина избыточного давления будет отсчитываться от пьезометрической плоскости, соответствующей атмосферному давлению:

Характеристики

Список файлов лекций