Реферат: Напорное и безнапорное течение

Напорное и безнапорное течение

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

"Уфимский государственный авиационный технический университет"

Реферат

Напорное и безнапорное течение

Выполнила: ст. гр. ТТП-203

Крапчина А.А

Проверил: Свистунов А.В.

Уфа 2014

Оглавление

Введение

1. Общие сведения. История развития гидравлики

2. Жидкости и их основные физические свойства

3. Основные параметры, характеризующие движение жидкости

4. Классификация видов движения жидкостей

5. Общие понятия о напорном и безнапорном течении жидкости

6. Расчет напорных потоков

7. Расчет безнапорных потоков

8. Методы измерения расхода воды в напорных и безнапорных потоках. Необходимое измерительное оборудование

9. Течения в руслах (геогидравлика, гидротехника)

10. Течения в канализационных и сливных системах ливнёвки

11. Течения в водопроводах жилых помещений

12. Течение жидкости в трубопроводах высокого давления

Список использованной литературы

Введение

При решении различных проблем часто приходиться сталкиваться с вопросом о движении различных жидкостей, о воздействии жидкости на те или другие поверхности и на обтекаемые ею твердые тела.

Исследования этих вопросов привели к созданию такой обширной науки как гидравлика. Гидравлика произошла от слияния двух греческих слов, из которых первое значит "вода", а второе - "труба", "канал", "струя".

Гидравлика - наука, изучающая законы равновесия и движения жидкостей и рассматривающая способы приложения этих законов к решению конкретных практических задач.

Гидравлика составляет основу многих инженерных расчетов при конструировании специальных сооружений, отстойников, фильтров и т.п, предназначенных для использования водных ресурсов рек, озёр, морей, подземных вод, их охраны от загрязнений, а также для борьбы с разрушительным действием водной стихии.

Объектом изучения в гидравлике является любая жидкость. В понятие "жидкость" включают все тела, для которых свойственна текучесть, то есть способность сильно изменять свою форму под действием сколь угодно малых сил. Таким образом в это понятие включают как жидкости обычные, называемые капельными, так и газы.

Целью данной работы является рассмотрение свойств жидкостей и их характеристики, виды движений жидкости, напорное и безнапорное движение жидкостей, гидравлические характеристики напорного и безнапорного движения.

1. Общие сведения. История развития гидравлики

В начале, в понятие "гидравлика" включалось только учение о движении воды по трубам.

В настоящее время почти во всех отраслях водного хозяйства применяются различные гидравлические устройства, основанные на использовании гидравлических законов. Ввиду сложности строения жидкостей гидравлические исследования часто проводятся для модельных жидкостей, облегчающих применение уравнений гидромеханики.

Например, применяется модель невязкой жидкости, которая в отличие от всех имеющихся в природе и в жидкостей лишена свойства вязкости. В гидравлике принята гипотеза сплошности жидкости, согласно которой гипотезе, жидкость рассматривается как непрерывная сплошная среда и все параметры, характеризующие движение жидкости, считаются непрерывными вместе с их производными во всех точках (кроме особых точек). Благодаря таким предпосылкам стало возможным получение дифференциальных уравнений равновесия и движения жидкости.

Гидравлика обычно подразделяется на две части: теоретические основы гидравлики, где излагаются важнейшие положения учения о равновесии и движении жидкостей, и практическую гидравлику, применяющую эти положения к решению частных вопросов инженерной практики. Изучая равновесие жидкостей, гидравлика исследует общие законы гидростатики, а также частные вопросы: давление жидкости на стенки различных сосудов, труб, на плотины, быки и устои мостов и прочее. Рассматривая движения жидкости гидравлика пользуется основными уравнениями гидродинамики, при этом главнейшими соотношениями являются уравнение Бернулли для реальной жидкости и уравнение неразрывности в гидравлической форме. Гидравлика подробно рассматривает вопрос о гидравлических сопротивлениях, возникающих при различных режимах течения жидкости, а также условия перехода из одного режима в другой. Основные разделы практической гидравлики изучают: течение жидкости по трубам (гидравлика трубопроводов), течение в каналах и реках (гидравлика открытых русл), истечение жидкости из отверстия и через водосливы, движение в пористых средах (фильтрация).

Во всех указанных разделах движение жидкости рассматривается как установившееся, так и неустановившееся (нестационарное).

Гидравлика трубопроводов указывает способы определения размеров труб, необходимых для пропуска заданного расхода жидкости при заданных условиях и для решения ряда вопросов, возникающих при проектировании и строительстве трубопроводов различного назначения (водопроводные сети, напорные трубопроводы гидроэлектростанций и прочее). Теория неустановившегося движения в трубах исследует явление гидравлического удара. Гидравлика открытых русел изучает течение воды в каналах и реках. Здесь даются способы определения глубины воды в каналах при заданном расходе и уклоне дна, широко применяемые при проектировании судоходных, оросительных, осушительных и гидроэнергетических каналов, канализационных труб и др.

В разделах гидравлики, посвященных истечению жидкости из отверстий и через водосливы, приводятся расчётные зависимости для определения необходимых размеров отверстий в различных резервуарах, шлюзах, плотинах, водопропускных трубах и т.д.

Таким образом, круг вопросов, охватываемых гидравликой весьма обширен и ее законы в той или иной мере находят применение практически во всех областях инженерной деятельности, а особенно в природ обустройстве, мелиорации, гидроэнергетике, водоснабжении и канализации, гидромеханизации, водном транспорте и гидротехнике.

Первым научным трудом в области гидравлики считается трактат Архимеда (287-212 гг. до н.э.) "О плавающих телах", хотя сведения о некоторых законах гидравлики были, видимо, известны и ранее, так как задолго до Архимеда строились оросительные каналы и водопроводы. В древнем Египте, Индии, Китае были построены каналы и водохранилища грандиозных по тем временам размеров. Так, глубина некоторых водохранилищ в Индии достигала 15 м, в Китае около 2500 лет назад был построен Великий канал длиной около 1800 км, который соединял приустьевые участки крупных рек страны. В Риме 2300 лет назад был построен первый водопровод. Строительство туннеля на Самосе, начатое 535 до н.э. Эвпалином.

. Жидкости и их основные физические свойства

Все вещества в природе имеют молекулярное строение. По характеру молекулярных движений, а также по численным значениям молекулярных сил жидкости занимают промежуточное положение между газами и твердыми телами. Свойства жидкостей при высоких температурах и низких давлениях ближе к свойствам газов, а при низких температурах и высоких давлениях - к свойствам твердых тел.

В газах расстояния между молекулами больше, а межмолекулярные силы меньше, чем в жидкостях и твердых телах, поэтому газы отличаются от жидкостей и твердых тел большей сжимаемостью. По сравнению с газами жидкости и твердые тела малосжимаемы.

Молекулы жидкости находятся в непрерывном хаотичном тепловом движении, отличающееся от хаотичного теплового движения газов и твердых тел: в жидкостях это движение осуществляется в виде колебании (1013 колебаний в секунду) относительно мгновенных центров и скачкообразных переходов от одного центра к другому. Тепловое движение молекул твердых тел - колебания относительно стабильных центров. Тепловое движение молекул газа - непрерывные скачкообразные перемены мест.

Диффузия молекул жидкостей и газов обуславливает их общее свойство - текучесть. Поэтому термин "жидкость" применяют для обозначения и собственно жидкости (несжимаемая или весьма малосжимаемая, капельная жидкость) и газа (сжимаемая жидкость)

В гидравлике рассматриваются равновесие и движение капельных жидкостей.

Гипотеза сплошностей. Жидкость рассматривается как деформируемая система материальных частиц, непрерывно заполняющих пространство, в котором оно движется.

Жидкая частица представляет собой бесконечно малый объем, в котором находиться достаточно много молекул жидкостей. Например, если рассмотреть кубик воды со сторонами 0,001 см, то в объёме будет находиться 3,3*10 13 молекул. Частица жидкости полагается достаточно малой по сравнению с размерами области, занятой движущейся жидкостью.

При таком предположении жидкость рассматривается как континуум - сплошная среда, непрерывно заполняющее пространство. Сплошная среда представляет собой модель, которая успешно используется при исследовании закономерности покоя и движения жидкости.

Плотность жидкости. Плотность  характеризует распространение массы М жидкости по объёму W.

 (1)

Плотность  во всех точках однородной жидкости одинакова.

Плотность  жидкостей и газов зависит от температуры и давления. Все жидкости, кроме воды, характеризуются уменьшением плотности с ростом температуры. Плотность воды максимальна при t=40С и уменьшается как с уменьшением и с увеличением температуры от этого значения.

В таблице 1 приведены значения плотности воды при нормальном атмосферном давлении и различных температурах

Таблица 1

Жидкость - это тело, обладающее свойством текучести, легкой подвижностью, способное изменять свою форму под воздействием внешних сил и температурных изменений.

Для облегчения изучения законов движения жидкости введено понятие "идеальные и реальные жидкости". Идеальные - невязкие жидкости, обладающие абсолютной подвижностью, т.е. отсутствием сил трения и касательных напряжений и абсолютной неизменностью в объеме под воздействием внешних сил. Такие жидкости не существуют в действительности. Реальные - вязкие жидкости, обладающие сжимаемостью, сопротивлением, растягивающим и сдвигающим усилиям и достаточной подвижностью, т.е. наличием сил трения и касательных напряжений. Реальные жидкости могут быть ньютоновские и неньютовскне (бингемовские). В ньютоновских жидкостях при движении одного слоя жидкости относительно другого величина касательных напряжений (внутреннего трения) пропорциональна скорости сдвига. При относительном покое эти напряжения равны нулю. Такая закономерность была установлена Ньютоном в 1686 году, поэтому эти жидкости (вода, масло, бензин, керосин, глицерин и др.) называют ньютоновскими жидкостями. Неньютоновские жидкости не обладают большой подвижностью и отличаются от ньютоновских жидкостей наличием касательных напряжений (внутреннего трения) в состоянии покоя, величина которых зависит от вида жидкости. Эта особенность была подмечена Ф.Н. Шведовым (1889 г.), а затем Бингемом (1916 г.), поэтому такие жидкости (битум, гидросмеси, глинистый раствор, оллоиды, нефтепродукты при температуре близкой к температуре застывания) получили и другое название - бингемовские (или бингамовские).

Силы, действующие в жидкости, принято делить на внешние и внутренние. Внутренние силы представляют собой силы взаимодействия частиц жидкости, они являются парными, и их сумма всегда равна нулю. Вследствие текучести жидкости в ней не могут действовать сосредоточенные силы, а возможно лишь действие внешних сил, непрерывно распределенных по ее объему (массе) или по поверхности. В связи с этим внешние силы разделяют на массовые или объемные и поверхностные. Массовые силы пропорциональны массе жидкого тела, или, для однородных жидкостей - его объему. Массовые это силы тяжести и инерции.

Сила тяжести в земных условиях действует на жидкость постоянно, а сила инерции только при сообщении объему жидкости ускорений (положительных или отрицательных), при относительном покое в ускоренно движущихся сосудах, перемещающихся с тем или иным ускорением или при относительном движении жидкости в руслах. К числу массовых сил относят также силы, вводимые при составлении уравнений движения жидкости по принципу Даламбера.

Поверхностные силы обусловлены воздействием соседних объемов.

. Основные параметры, характеризующие движение жидкости

Основными параметрами, характеризующими движение жидкости являются: площадь живого сечения S, расход жидкости Q и средняя скорость движения v.

Площадь живого сечения. Живым сечением потока жидкости рисунок 1 называется сечение, которое в каждой своей точке нормально к векторам скоростей частиц жидкости.

Рисунок 1 - Живые сечения потока жидкости:

А - теоретическое сечение; б - практическое сечение; в - эпюра скоростей в живом сечении по глубине потока

В практике чаще всего встречаются потоки жидкостей, живое сечение которых представляет собой поверхность, мало отличающуюся от плоскости.

Расход жидкости. Расходом жидкости называется количество жидкости, проходящее через данное живое сечение единицу времени. Расход может измеряться в объемных или массовых единицах:

( 2)

Средняя скорость движения жидкости. В общем случае скорости частиц в разных точках живого сечения будут различны. Если площадь эпюры частных скоростей Fэ разделить на ширину потока жидкости H, то в соответствующем масштабе получим значение средней скорости движения жидкости, т.е.

(3)

С другой стороны,

(4)

Это соотношение часто используется в практике для определения третьей неизвестной величины при двух известных, в частности, для определения средней скорости движения жидкости по расходу и площади живого сечения.

. Классификация видов движения жидкостей

Рассмотрим классификацию видов движения жидкости по различным признакам. Все эти классификации изобразим в виде схемы.