книги из ГПНТБ / Рабинович, Е. З. Гидравлика учебник

УДК 532 (071.2 Г#с.публичная

научно - техни,в ная

библиотек* ССОГ

ЭКЗЕМПЛЯР ЧИТАЛЬНОГО ЗАЛА

Рабинович Е. 3. Гидравлика. М., «Недра», 1974.

296с.

Вкниге изложены основы общего и специального курса гидравлики применительно к основным техно­

логическим процессам нефтяной промышленности. В ней приведен материал по гидростатике, гидро­ динамике, гидравлическим сопротивлениям, истече­ нию жидкости из отверстий, движению жидкости в напорных трубопроводах, безнапорному движению жидкости в пористой среде. Рассмотрены типовые примеры гидравлических расчетов из различных

областей нефтяной техники.

Книга предназначена в качестве учебника для студентов нефтяных техникумов; может быть исполь­ зована как учебное пособие студентами техникумов смежных отраслей — газовой, нефтеперерабаты­ вающей, строительной, а также студентами высших учебных заведений соответствующих специальностей н инженерно-техническими работниками предприятий нефтяной промышленности.

Таблиц 58, иллюстраций 219, список литературы—

23названия.

Ре ц е н з е н т ы :

1.Альтшуль А. Д. — докт. техн. наук, доц. кафедры «Гидравлика» Московского инженерно-стро­ ительного института им. В. В. Куйбышева.

2.Заломленков И. М. — преподаватель Бугурусланского нефтяного техникума.

Глава первая

ВВЕДЕНИЕ

§ 1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГИДРАВЛИКИ И КРАТКАЯ ИСТОРИЯ ЕЕ РАЗВИТИЯ

Г и д р а в л и к о й называется прикладная наука, занима­ ющаяся изучением законов покоя и движения жидких тел и рассмат­ ривающая приложение этих законов к решению конкретных техни­ ческих задач. Практическое значение гидравлики весьма велико, так как она представляет собой основу для инженерных расчетов во многих областях техники и является базой для ряда специальных дисциплин: гидротехники, гидравлических машин (насосы и тур­ бины), водоснабжения и канализации, осушения и орошения, вод­ ного транспорта и т. д.

Особенно большое значение имеет гидравлика для специалистовнефтяников, поскольку все основные производственные процессы нефтяной промышленности в той или иной форме связаны с исполь­ зованием и перемещением разнообразных жидкостей (нефтей, нефте­ продуктов, химических реагентов, воды, глинистых растворов) по различным гидравлическим системам.

Еще в глубокой древности, задолго до нашей эры, с первых шагов своего исторического развития, человек был вынужден практически заниматься решением различных гидравлических вопросов. Об этом говорят результаты археологических исследований и наблюдений, которые показывают, что еще за 5000 лет до нашей эры в Китае, а затем и в некоторых других странах древнего мира уже существо­ вали оросительные каналы и были известны некоторые простейшие устройства для подъема воды. Во многих местах сохранились также остатки водонапорных и гидротехнических сооружений (водоводы, плотины, акведуки), свидетельствующие о весьма высоком уровне строительного искусства в древнем мире. Однако никаких сведений о гидравлических расчетах этих сооружений не имеется, и надо пола­ гать, что все они были построены на основании чисто практических навыков и правил.

Первые указания о научном подходе к решению гидравлических вопросов относятся к 250 году до нашей эры, когда Архимедом был открыт закон о равновесии тела, погруженного в жидкость. В даль­ нейшем, однако, на протяжении последующих более чем полутора

5

тысячелетий гидравлика не получила сколько-нибудь заметного развития. В эту эпоху, характеризовавшуюся общим застоем в науке и культуре, были не только утеряны первые элементы знания, но и в значительной степени забыты практические навыки инженер­ ного искусства. И только в X V I—XVII вв., в эпоху Возрождения, когда появились работы Стевина, Леонардо да Винчи, Галилея, Паскаля, Ньютона, исследовавших, в частности, ряд весьма важных гидравлических явлений, было положено начало дальнейшему раз­ витию гидравлики как науки.

Помимо гидравлики, изучением покоя и движения жидкостей

матиков и механиков (Эйлер, Бернулли, Лагранж) были установлены основные законы и получены исходные уравнения гидромеханики. Эти исследования носили главным образом теоретический харак­ тер и, включая ряд допущений в отношении физических свойств жидкости, давали больше качественную, а не количественную оценку явлений, значительно расходясь иногда с данными опыта, который до недавнего времени не играл в гидромеханике значительной роли. Естественно, что гидромеханика не могла удовлетворить много­ численным запросам практики, особенно возросшим в X IX в. в связи с бурным ростом техники, требовавшей немедленного, конкретного решения различных чисто инженерных задач. Это и явилось причиной развития особой прикладной науки, созданной в X V III-XIX вв. трудами Шези, Дарси, Буссинеска, Вейсбаха, Н. Е. Жуковского и многих других ученых и инженеров, которую в настоящее время называют г и д р а в л и к о й .

В отличие от гидромеханики гидравлика строит свои выводы на основе рассмотрения упрощенных схем гидравлических явлений, вводя в то же время в теоретические уравнения эмпирические коэф­ фициенты, получаемые в результате обработки данных опыта, име­ ющего в гидравлике весьма большое значение. Так, при исследова­ нии движения потока жидкости в гидравлике обычно ограничиваются определением средних скоростей движения и средних давлений в потоке, в то время как в гидромеханике в большинстве случаев рассматривают изменение этих величин в потоке при переходе от одной точки к другой.

В течение долгого времени развитие гидравлики и гидромеха­ ники шло обособленными путями. Однако, если вначале методы исследования, применяемые в гидравлике и гидромеханике, значи­ тельно отличались друг от друга, то с течением времени эта разница постепенно стиралась. Сближение между этими двумя направле­ ниями в науке, наметившееся в начале X X века и связанное с име­ нем выдающегося ученого Л. Прандтля, в значительной мере устра­ нило существенные недостатки, свойственные как гидравлике прош­ лого, представлявшей собой сугубо эмпирическую науку — науку

6

их поверхности в виде так называемых сил поверхностного натяже­ ния, где и обнаруживается известная сопротивляемость жидкости разрыву. Этим объясняется, например, существование тонкой пленки мыльного пузыря, образование капли, удерживаемой от падения под действием силы тяжести, и т. п. Силы сопротивления жидкости раз­ рыву ничтожно малы; так, для разрыва воды достаточна сила, при­ мерно в десять миллионов раз меньшая, чем сила, необходимая для разрыва стали (железа). Поэтому для обычных задач гидравлики считают, что растягивающие усилия в жидкости отсутствуют *.

Наряду с этим следует особо подчеркнуть, что капельные жидко­ сти оказывают существенное сопротивление сдвигающим силам, ко­ торое проявляется при движении жидкости в виде сил внутреннего трения; правильный учет этих сил внутреннего трения при движе­ нии жидкости является одной из основных задач гидравлики.

В гидравлике жидкость рассматривается как совокупность ма­ териальных точек (частиц) в ограниченном объеме; различают твер­ дые поверхности, ограничивающие объем жидкости (например, стенки и дно сосудов, заключающих жидкость), и так называемые свободные поверхности, по которым жидкость граничит с другими жидкостями или газами (например, поверхность соприкасания

равлике, как и в теоретической механике, принято делить на в н у ­ т р е н н и е и в н е ш н и е . Внутренние силы представляют собой силы взаимодействия между отдельными частицами рассматривае­ мого объема жидкости; внешние силы делятся на с и л ы п о в е р х ­ н о с т н ы е , приложенные к поверхностям, ограничивающим объем жидкости (например, силы, действующие на свободную поверхность, силы реакции стенок и дна сосудов), и с и л ы о б ъ е м н ы е , не­ прерывно распределенные по всему объему жидкости (например, сила тяжести).

Для облегчения и упрощения ряда теоретических выводов и иссле­ дований в гидравлике иногда пользуются понятием и д е а л ь н о й , или с о в е р ш е н н о й ж и д к о с т и , которая обладает абсолют­ ной несжимаемостью, полным отсутствием температурного расшире­ ния и не оказывает сопротивления растягивающим и сдвигающим усилиям. Конечно, идеальная жидкость — жидкость фиктивная, не

было отмечено выше, сжимаемость, температурное расширение и со­ противление растяжению для реальных жидкостей ничтожно малы и обычно не учитываются. Таким образом, основной и по существу единственной особенностью, отличающей идеальную жидкость от1

1 Отметим, однако, что, как показывают новейшие работы по физике жид­ костей, в некоторых особых случаях (например, в области кавитации; см. § 73) и в жидкости возможно возникновение весьма больших кратковременных растя­ гивающих усилий.

8

жидкости реальной, является наличие у последней сил сопротивле­

Встречающиеся в природе и применяемые в технике жидкости, их состояние и поведение при различных гидравлических явлениях находятся в непосредственной зависимости от их физических свойств. Поэтому первой задачей, предшествующей непосредственному изу­ чению гидравлики, является определение физических свойств жидко­ стей, выявление влияющих на них факторов и установление единиц их измерения.

§3. ОСНОВНЫЕ СИСТЕМЫ И ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ

Внастоящее время в СССР применяются три следующие основные системы единиц измерения физических величин: физическая, техни­ ческая и международная. В новых государственных стандартах (ГОСТ) международная система рекомендуется как предпочтитель­ ная; сокращенно ее обычно обозначают СИ (система интернацио­ нальная).

Вфизической и международной системах за основные единицы принимаются единицы длины, времени и массы, а в технической системе — единицы длины, времени и силы. Размерности основных единиц измерения сокращенно обозначаются следующими симво­

лами: размерность длины — [L], времени — [Г], массы — [М], силы — [Р].

В физической системе единиц за единицу длины принимается сантиметр (см), за единицу времени — секунда (с) и за единицу массы — грамм (г) — масса одного кубического сантиметра воды при 4° С; в международной системе соответственно — метр (м), секунда (с) и килограмм (кг).

Размерность силы, как это следует из основного уравнения ди­ намики,

Р = та,

где Р — сила, т — масса, а — ускорение, будет

1 Следует иметь в виду, что помимо установленного здесь и общепри­ нятого в гидравлике понятия идеальной жидкости в гидромеханике исполь­ зуется также понятие идеальной сжимаемой жидкости. Сжимаемость, однако, проявляется и становится ощутимой лишь при весьма больших скоростях дви­ жения жидкости, близких к скорости звука. Поэтому в гидравлике, обычно имеющей дело со скоростями, значительно меньшими, фактор сжимаемости, как уже указывалось выше, не учитывают (исключение — гидравлический удар) и оперируют с понятием идеальной несжимаемой жидкости, опуская слово несжимаемая и называя ее просто идеальной жидкостью.

9