GIDRAVLIKA_Zachet_otvety

1. Понятие жидкости. Реальная и идеальная жидкость.

Жидкость – тело которое обладает следующими свойствами: мало изменяет свой объем при изменении давления или температуры, обладает текучестью, т.е. способностью жидкости сколь угодно сильно изменять свою форму под действием сколь угодно малых сил, обусловленной тем, что в покоящемся состоянии жидкость не способна сопротивляться внутренним касательным усилиям.

В движущейся жидкости по поверхностям скольжения слоев жидкости будет возникать трение. Свойство жидкости, обусловленное наличием в ней при ее движении касательных напряжений, называется вязкостью

Идеальной жидкостью называют некоторую воображаемую жидкость, которая характеризуется абсолютно неизменным объемом и полным отсутствием вязкости.

2. Основные физические свойства реальной жидкости. Особые состояния жидкости.

1. Плотность кг/м³

2. Объемный вес (удельный вес) Н/м³

3. Сжимаемость – свойство жидкости изменять свой объем под действием давления. Характеризуется коэффициентом объемного сжатия м²/Н

Модуль объемной упругости Н/м²=Па

Для воды К=2000 МПа

4. Температурное расширение

βt воды: 0.00014-0.00066

βt ртути: 0.00018

Особые состояния жидкости

1. Переход воды в твердое или газообразное состояние

А) образование в воде кристаллов льда при повышении давления или снижении температуры;

Б) образование в воде областей заполненных воздухом и парами воды (кипение, кавитация) при уменьшении давления или увеличении температуры.

2. присоединение к движущейся жидкости газообразных и твердых тел

А) аэрация потока

Б) захват потоком наносов

3. Гидростатическое давление. Его свойства.

Гидростатическое давление – напряжения, возникающие в жидкости под действием сжимающих сил.

Свойства: 1) На поверхности жидкости всегда направлено по нормали внутрь рассматриваемого объема 2) в данной точке во всех направлениях одинаково.

4. Основное уравнение гидростатики.

- основное уравнение гидростатики

5. Пьезометрическая высота.

Выразим давление в (.) А через основное уравнение гидростатики

Для закрытой трубки

Для открытой

избыточное давление

6. Абсолютное, избыточное давление, вакуум.

Абсолютное давление – сумма избыточного и атмосферного давлений

Избыточное давление - давление в сосуде, закрытом от атмосферы, без учёта давления окружающей среды

Вакуумметрическое давление - разность между атмосферным и абсолютным давлением, которое ниже атмосферного

7. Потенциальная энергия жидкости, потенциальный напор.

8. Сила гидростатического давления, действующая на плоскую фигуру любой формы.

hc – глубина расположения центра тяжести площади S

9. Сила гидростатического давления, действующая на цилиндрические поверхности.

Выделим объем ABCD и рассмотрим его равновесие в горизонтальном и вертикальном направлении.

hc- расстояние от свободной поверхности до центра тяжести

Sz- площадь проекции криволинейной поверхности на вертикальную плоскость

Vтд - объем тела давления

Gтд - вес тела давления

Тело давления – это объем, нижним основанием которого является сама криволинейная поверхность, а верхним - проекция криволинейной поверхности на свободную поверхность жидкости или ее продолжение.

Если ТД заполнено жидкостью, оно называется реальным. В этом случае вертикальная составляющая направлена вниз. Если нет, то ТД называется фиктивным, а вертикальная составляющая направлена вверх.

10. Закон Паскаля.

Давление, передаваемое на свободную поверхность жидкости, находящейся в замкнутом сосуде, передается во все ее точки без изменения.

11. Простейшие гидравлические машины

Гидравлический аккумулятор

Гидравлическим аккумулятором называется гидроемкость, предназначенная для аккумулирования энергии рабочей жидкости, находящейся под давлением, с целью последующего использования этой энергии в гидроприводе. В зависимости от носителя потенциальной энергии гидроаккумуляторы подразделяют на грузовые, пружинные и пневматические.

Гидроаккумуляторы поддерживают на заданном уровне давление, компенсируют утечки, сглаживают пульсацию давления, создаваемую насосами, выполняют функцию демпфера, предохраняют систему от забросов давления вызванных наездом машин на дорожные препятствия. Так же используются для достижения большей скорости холостого хода при совместной работе с насосами.

E – энергия

G – вес поршня с грузом

h – высота

ω – площадь сечения стержня

также шестеренные гидромашины, поворотные гидродвигатели, пластинчатые гидромашины, винтовые насосы, радиально-плунжерные гидромашины, аксиально-плунжерные гидромашины и другие. Но к простым их отнести сложно.

12. Равновесие плавающих тел. Закон Архимеда.

Закон Архимеда – на тело, покруженное в жидкость, действует выталкивающая сила, равная весу жидкости, вытесненной этим телом.

На погруженное в жидкость тело будут действовать поверхностные силы давления и сила тяжести, при этом горизонтальные составляющие уравновешиваются. Равнодействующая вертикальных сил будет направлена в сторону большей действующей силы.

Где W – объем погруженного тела

Объем жидкости, вытесненной телом – объемное водоизмещение, а ее вес – водоизмещение. Центр тяжести объемного водоизмещения, через который проходит линия действия силы Архимеда, называется центром водоизмещения.

С точки зрения плавучести возможны три случая равновесия плавающего тела:

А) тело тонет G>F

Б) тело плавает под водой G=F

В) тело всплывает G<F

13. Основные виды движения жидкостей.

В общем случае для потока жидкости скорость движения частиц и давление является функцией координаты и времени. В таком случае движение называется неустановившимся.

Если скорость движения жидкости и давление во всех точках потока остается неизменным, то такое движение называется установившимся.

14. Уравнение Бернулли.

Считаем что движение жидкости установившееся. Между нормальными сечениями 1 и 1’ выделим элементарный объем. Он перемещается из положения 1-1’ в положение 2-2’. На него будут действовать силы тяжести и гидростатического давления. Применим к объему закон живых сечений: приращение живой силы движущейся системы материальных точек за некоторый промежуток времени будет равно сумме работ всех сил, действующих на систему в течение того же времени:

Масса элементарного объема:

Тогда приращение живой силы для выделенного объема:

Вес элементарного объема:

Работа по перемещению жидкости силой тяжести:

Работа сил гидродинамического давления при перемещении элементарного объемаиз положения 1 в положение 2:

Приращение живой силы равно сумме работ всех сил, получим

Сократив все члены уравнения на у перенеся параметры для первого и второго сечения в соответствующие стороны, получим:

z – удельная энергия положения частиц жидкости

– удельная энергия гидродинамического давления

– удельная кинетическая энергия жидкости

15. Геометрическая и энергетическая интерпретация уравнения Бернулли.

Если соединить уровни полных напоров (не учитывая потери), то получим напорную линию или линию полного напора, если линию пьезометричексих напоров, то получим пьезометрическую линию. Также можно получить величины пьезометрических и гидравлических уклонов, если разделить разницу пьезометрических или соответственно полных напоров на длину.

Энергетическая интерпретация заключается в том, что уравнение Бернулли представляет собой, закон сохранения энергии для потока жидкости.

16. Уравнение неразрывности потока жидкости.

Скорость на грани ABCD – Ux, на грани A’B’C’D’ –

Количество жидкости, проходящее через грань ABCD за время dt –

Ее масса –

Количество жидкости, проходящее через грань A’B’C’D’ за время dt –

Ее масса соответственно –

Общее изменение массы жидкости из условия сплошности потока

Разделим обе части на

Или Q1=Q2=Q3=const

Тогда

17. Форма напорной и пьезометрической линий при установившемся движении.

Они параллельны.

18. Режимы движения жидкости, их особенности.

Ламинарное и турбулентное.

Ламинарное – слоистое, без перемешиваний частиц и без пульсаций скоростей.

Турбулентное – сопровождается интенсивными перемешиваниями жидкости, а также пульсациями скоростей и давлений.

Смена режимов будет происходить при определенных значениях критерия Рейнольдса

Скорость течения, диаметр трубы, кинематический коэффициент вязкости.

Критическое число Рейнольдса Re_кр=2320.

При Re< Re_кр течение ламинарное. При Re> Re_кр течение турбулентное. ПриRe= 13800 течение становится чисто турбулентным.

При безнапорном течении

R – гидравлический радиус

19. Потери напора. Гидравлические сопротивления.

Потери на трение

Потери в каналах и трубах не круглого сечения

Где l – длина, R – гидравлический радиус.

Потери на местных сопротивлениях

Где дзетта – коэффициент местных потерь.

Гидравлические потери делятся на потери по длине и местные.

Местные: Внезапное сужение трубы, плавное сужение, внезапное расширение, плавное расширение, внезапный поворот трубы (колено), плавный поворот (закругленное колено или отвод). А также задвижки и диафрагмы.

20. Основные понятия при изучении турбулентного потока.

21. Закон распределения скорости по живому сечению потока при ламинарном и турбулентном режимах.

При ламинарном режиме

Тогда касательные напряжения равны

После интегрирования получим

C можем получить когда скорость будет равна 0, т.е. у стенок трубы.

Примем y=r

Приравняем скорость к нулю. Тогда получим что C=

Подставляя, получим окончательный закон или формулу Стокса:

При турбулентном режиме

- скорость касательных напряжений

22. Определение потерь напора при ламинарном режиме. Формула Дарси.

Потери на трение

- Формула Вейсбаха-Дарси

Потери в каналах и трубах не круглого сечения

Где l – длина, R – гидравлический радиус.

Потери на местных сопротивлениях

Где дзетта – коэффициент местных потерь.

При ламинарном режиме λ определяется как

23. Турбулентный режим движения жидкости. Структура турбулентного потока.

Предложена Прандтлем

Турбулентный поток состоит из турбулентного ядра и ламинарной пленки. Пленка по краю трубы.

С увеличением скорости ее толщина уменьшается

24. Определение потерь напора при турбулентном режиме.

При турбулентном режиме λ определяется очень сложно. Существует множество эмпирических и полуэмпирических формул, а также таблиц для определения коэффициента гидравлического сопротивления.

25. Гидравлически гладкие и шероховатые трубы.

Потери напора по длине зависят не только от степени турбулентности потока, но и от гидравлического состояния поверхности.

Существует зависимость между шероховатостью Δ и толщиной пленки δ

1. δ>Δ В этом случае ламинарная пленка покрывает выступы шероховатости и турбулентное ядро скользит по слою этой пленки. В данном случае потери напора по длине не зависят от шероховатости и будут определяться вязкостным трением. Такой случай рассматривается как гидравлически гладкая поверхность

2. δΔ в данном случае имеем переходную область гидравлического сопротивления не относящуюся ни к гладкой, ни к шероховатой. В данном случае потери напора по длине зависят от шероховатости вязкостного трения

3. δ<Δ В этом случае происходит воздействие выступов шероховатости на турбулентное ядро потока. В данном случае величина потерь зависит от шероховатости пленки. Этот случай будет соответствовать гидравлически шероховатой поверхности.

26. Формула Вейсбаха-Дарси, коэффициент гидравлического трения λ.

- Формула Вейсбаха-Дарси

Потери в каналах и трубах не круглого сечения

Где l – длина, R – гидравлический радиус.

Потери на местных сопротивлениях

Где дзетта – коэффициент местных потерь.

При ламинарном режиме λ определяется как

Для турбулентного течения существуют более сложные зависимости. Одна из наиболее часто используемых формул — это формула Блазиуса:

Эта формула даёт хорошие результаты при числах Рейнольдса, изменяющихся в пределах от критического числа Рейнольдса Reкр до значений Re = 105. Формула Блазиуса применяется для гидравлически гладких труб.

Для гидравлически шероховатых труб коэффициент потерь на трение по длине определяется графически по эмпирическим зависимостям.

27. Потери напора по длине. Формула Шези. Модуль расхода и модуль скорости.

- формула Шези. Площадь живого сечения, коэффициент Шези, гидравлический радиус, гидравлический уклон.

Отсюда

Где k – модуль расхода

Коэффициент Шези связан с коэффициентом гидравлического трения

28. Гидравлический удар в напорном трубопроводе.

Явление, возникающее в текущей по трубопроводу жидкости, при резком изменении скорости в одном из сечений. Приводит к появлению волн повышенного и пониженного давления.

29. Истечение жидкости из отверстий и насадков.

30. Классификация трубопроводов.

Трубопроводы, в которых расчет потерь может производиться только на трение по длине, называются длинными. Местными потерями в них пренебрегают или берут в процентах.

Трубопроводы, в которых величина местных потерь составляет >5-10% от общего числа потерь, называются короткими. В них учитываются как потери по длине, так и местные сипротивления.

По расположению труб на плане трубопроводы могут делиться на простые и сложные. Сложные, в свою очередь, делятся на трубопроводы с последовательным соединением, параллельным и кольцевые.

31. Расчет трубопроводов.

Потери в простом трубопроводе будут определяться по формуле

Где k – модуль расхода

Коэффициент Шези связан с коэффициентом гидравлического трения

Потери в сложном трубопроводе

1. С последовательным соединением труб разного диаметра

Потери на каждом из участков можно определить по формуле

2. С параллельным соединением труб разного диаметра

Потери напора в каждом участке выразим n уравнениями вида

Расходы на отдельных участках можем также выразить системой из n уравнений вида

Отсюда

Зная расход Q1, пользуясь полученной ранее системой уравнений, последовательно определяют остальные расходы.

32. Водосливы. Классификация и основные характеристики водосливов.

Водослив – это част сооружения, перегораживающего поток, через которое поток переливается.

Классификация по следующим признакам:

1. В зависимости от геометрической формы водосливного отверстия:

А. Прямоугольные

Б. Треугольные

В. Трапецеидальные

Г. Круглые

Д. Параболические

Е. С наклонным гребнем

2. В зависимости от формы и размеров поперечного сечения водосливной стенки:

С тонкой стенкой ()

С широким порогом ()

Водослив практического профиля

δ должна удовлетворять следующим условиям: 1) на расстоянии δ потери напора должны быть пренебрежимо малы 2) в пределах δ должен быть хотя бы небольшой участок, который характеризуется наличием плавно изменяющегося движения

3. В зависимости от очертания гребня

А. С прямолинейным

Б. С непрямолинейным

4. В зависимости от влияния нижнего бьефа на истечение

А. Неподтопленные – Q, H не зависят от глубины в нижнем бьефе

Б. Подтопленные – Q или H зависят от глубины в нижнем бьефе

5. В зависимости от соотношения b и B0

А. Без бокового сжатия – b=B0

Б. С боковым сжатием – b=B0

33. Расчет водосливов.

1. Основная расчетная формула для прямоугольного водослива

ω – живое сечение струи, переливающейся через водослив

v – скорость в этом живом сечении

H₀ – полный напор на водосливе

2. Свободное истечение через неподтопленный прямоугольный водослив с вертикальной стенкой

При

В случае неподтопленного водослива с боковым сжатием вместо вводят , где

3. Основная расчетная формула для водосливов практического профиля

B – ширина водосливного фронта

- коэффициент подтопления. Для неподтопленной равен 1, для подтопленных меньше 1

– коэффициент бокового сжатия

- эффективная ширина водосливного фронта

– сжатая ширина отдельных струй

m – коэффициент расхода водослива

В том случае, когда для площади живого сечения ВБ , можно пренебречь скоростью подхода, т.е. Н0=H

34. Гидравлические элементы живого сечения открытых русел, каналов.

Наиболее частые поперечные сечения каналов

Симметричное трапецеидальное, прямоугольное, треугольное, параболическое.

В – ширина канала по верху, b – ширина канала по дну, m – коэффициент откоса, h – глубина канала

1. Симметричное трапецеидальное сечение

Относительная ширина канала по дну

2. Прямоугольное поперечное сечение

B=b

m=0

Когда канал имеет большую ширину

3. Канал с треугольным сечением

b=0

4. Параболического сечения

Уравнение параболы

p – параметр параболы

При

При

При

При

Другие сечения: несимметричное, неправильное, составное, замкнутое.