Задачи и методические рекомендации по решению
УДК 532+614.842.62 ББК Б
Бубнов В.Б., Репин Д.С. Гидравлика. Учебное пособие для слушателей факультета заочного обучения по специальности 20.05.01 «Пожарная безопасность»- Иваново; ООНИ ЭКО ИПСА ГПС МЧС России, 2015- 96 с.
Учебное пособие содержит общие рекомендации по выполнению контрольной работы, основные теоретические положения и примеры решения типовых задач, задания к контрольной работе. В приложении приведены справочные материалы, необходимые слушателям при выполнении контрольной работы.
Пособие предназначено для слушателей факультета заочного обучения специальности 20.05.01 «Пожарная безопасность» при изучении дисциплины «Гидравлика».
Печатается по решению редакционно-издательского совета академии (Протокол № 8 от 05.11.2015)
Рецензенты:
Заведующий кафедрой гидравлики, теплотехники и инженерных сетей ФГБОУ ВО «Ивановский государственный политехнический университет»
доктор техн. наук, профессор Н.Н. Елин;
доцент кафедры эксплуатации пожарной техники, средств связи и малой механизации (в составе УНК «Пожаротушение») кандидат техн. наук С.В. Гладков
© ИПСА ГПС МЧС России, 2015
Содержание
стр.
1. Общие рекомендации по выполнению контрольной работы................... 3
2. Контрольные задания................................................................................... 5
2.1. Теоретические вопросы..............................................................................5
|
|
|
2.2. Задачи и методические рекомендации по решению................................7
3. Теоретическая часть. Примеры решения типовых задач..........................43
3.1. Физические свойства жидкостей..............................................................43
3.2. Основы гидростатики.................................................................................50
3.3. Основы гидродинамики. Режимы движения жидкостей........................60
3.4. Уравнение Бернулли..................................................................................66
3.5. Гидравлические сопротивления и потери напора...................................68
3.6. Истечение жидкости через отверстия и насадки.....................................74
3.7. Гидравлические струи................................................................................79
3.8. Гидравлический удар.................................................................................81
Список литературы......................................................................................... 84
Приложения.......................................................................................................85
Общие рекомендации по выполнению контрольной работы
В соответствии с учебным планом слушатели факультета заочного обучения обязаны выполнить одну контрольную работу по дисциплине «Гидравлика».
Контрольная работа выполняется с целью изучения теоретических вопросов основных разделов гидравлики и освоения методик решения задач, находящих применение в практической деятельности работников пожарной охраны.
|
|
|
Номера контрольных вопросов и задач выбираются согласно последней цифре варианта задания слушателя из таблицы 1.
Контрольная работа состоит из трех теоретических вопросов и пяти задач.
Числовые значения указанных в задаче величин выбираются по предпоследней цифре варианта задания слушателя из соответствующих таблиц (см. раздел 2.2). Например, если номер вашего варианта 24, то задание будет следующее: номера контрольных вопросов - 4; 14; 25; номера задач 1; 10; 12; 17; 22 (из табл. 1). Числовые значения указанных в задачах величин, например, для задачи 1 следующие: d = 200 мм, l = 55 м (см. раздел 2.2).
Контрольная работа выполняется аккуратно, разборчивым почерком. Ответы на контрольные вопросы должны быть конкретными. При необходимости они могут сопровождаться поясняющими схемами или рисунками, которые должны иметь нумерацию и подрисуночную надпись.
На титульном листе тетради должны быть указаны звание, фамилия, имя, отчество, номер варианта и домашний адрес слушателя.
Решение задач обязательно должно сопровождаться пояснениями и промежуточными вычислениями, которые необходимо проводить в одной системе единиц, системе СИ. Все рисунки и схемы рекомендуется выполнять карандашом.
|
|
|
В заданиях должны быть представлены полные тексты контрольных вопросов и условий задач с рисунками и цифровыми значениями исходных данных. Вся литература, используемая слушателем в процессе выполнения контрольной работы, приводится в конце работы с указанием фамилии и инициалов автора, полного названия источника, места издания, издательства и года издания. В текстовой части работы даются ссылки на соответствующий литературный источник с указанием в квадратных скобках его порядкового номера по списку.
Контрольная работа считается выполненной, если ответы на вопросы и решения всех задач даны принципиально правильно и отвечают перечисленным выше требованиям. Если контрольная работа не зачтена, все исправления должны быть выполнены слушателем в той же тетради (после подписи преподавателя-рецензента), исправленный вариант работы слушатель должен выслать с первоначальным заданием, представить работу на повторное рецензирование.
При выполнении контрольной работы рекомендуется использовать литературу, указанную в списке.
|
|
|
Таблица 1
| Последняя цифра номера варианта | Номера контрольных вопросов | Номера задач | |
| 1 | 3, 11, 21 | 1, 4, 6, 11, 17 | |
| 2 | 1, 8, 20 | 2, 5, 8, 14, 20 | |
| 3 | 2, 12, 19 | 3, 7, 9, 19, 21 | |
| 4 | 4, 14, 25 | 1, 10, 12, 17, 22 | |
| 5 | 6, 15, 23 | 4, 6, 15, 19, 20 | |
| 6 | 5,16, 27 | 2, 13, 16, 18, 21 | |
| 7 | 7, 17, 24 | 3, 5, 9, 12, 20 | |
| 8 | 10, 18, 26 | 2, 7, 10, 13, 17 | |
| 9 | 9, 16, 21 | 4, 6, 15, 19, 22 | |
| 0 | 8, 13, 22 | 1, 7, 18, 14, 21 |
Контрольные задания
Теоретические вопросы
1. Основные физические свойства жидкостей.
2. Силы, действующие на жидкость. Понятие гидростатического давления и его свойства.
3. Основное уравнение гидростатики. Закон Паскаля.
4. Эпюры гидростатического давления.
5. Закон Архимеда.
6. Основные понятия гидродинамики.
7. Уравнение неразрывности движения и постоянства расхода.
8. Уравнение Бернулли для идеальной жидкости. Его геометрический и энергетический смысл.
9. Уравнение Бернулли для реальной жидкости. Его графическая интерпретация.
10. Использование уравнения Бернулли для решения задач пожарной практики.
11. Опыт Рейнольдса, критерий Рейнольдса.
12. Какие физические свойства жидкости и характеристики потока влияют на режим движения жидкости? Какова структура потока при ламинарном и турбулентном движении жидкости в круглой трубе?
13. Виды потерь напора.
14. Потери напора по длине трубопровода.
15. Местные сопротивления в трубопроводах.
16. Потери напора в пожарных рукавах.
17. Режимы трения жидкостей. Расчет коэффициента внешнего трения.
18. Объясните понятия "гладкие" и "шероховатые" поверхности. Может ли одна и та же труба быть "гидравлически гладкой" и "гидравлически шероховатой" и в каких случаях?
19. Какие трубопроводы называются короткими и длинными, простыми и сложными? В чем особенности их гидравлического расчета? Способы повышения пропускной способности трубопроводов.
20. Как связаны между собой коэффициенты сопротивления, сжатия, скорости и расхода? Поясните физический смысл этих коэффициентов.
21. Особенности истечения жидкостей из насадков различных типов.
22. Упрощенные формулы для определения расходов из пожарных стволов и напора перед насадком. Раскройте физический смысл величин, входящих в эти формулы.
23. Вертикальные струи, их расчет.
24. Наклонные струи, их расчет.
25. Распыленные струи и способы их получения.
26. Каковы причины возникновения гидравлического удара? Как рассчитать величину давления в трубопроводе при этом явлении? Приведите примеры возникновения гидравлического удара при эксплуатации пожарной техники.
27. Способы предупреждения явления гидравлического удара и снижения давления при гидроударе на этапе проектирования и в период эксплуатации.
Задачи и методические рекомендации по решению
Задача № 1
Водовод пожарного водопровода диаметром d и длиной l, подготовленный к гидравлическим испытаниям, заполнен водой при атмосферном давлении. Определить объем воды, которую необходимо дополнительно подать в водовод, чтобы избыточное давление в нем поднялось до 6 МПа. Деформацией труб водовода пренебречь.
Методические рекомендации
Первоначальный объем воды определяется по уравнению
.
Объем воды, которыйнеобходимо дополнительно подать в водовод, определяется из выражения для коэффициента объемного сжатия (9) (см. раздел 3.1).
Исходные данные к задаче 1
| Предпоследняя цифра номера варианта | d, мм | l, м |
| 1 | 250 | 40 |
| 2 | 200 | 55 |
| 3 | 100 | 50 |
| 4 | 150 | 38 |
| 5 | 300 | 54 |
| 6 | 150 | 42 |
| 7 | 100 | 45 |
| 8 | 200 | 58 |
| 9 | 300 | 35 |
| 0 | 250 | 50 |
Задача № 2
Определить абсолютное и избыточное гидростатическое давление воды в точке А на глубине h от поршня, если на поршень диаметром 150 мм воздействует сила Р, атмосферное давление ра=0,1МПа.
Методические рекомендации
Абсолютное гидростатическое давление в точке А равно:
РА,абс=Рa+Рn+Рж
где: Ра- атмосферное давление;
Рп- избыточное гидростатическое давление на поверхности жидкости от действия поршня;
Рж- избыточное гидростатическое давление в точке А от столба жидкости.
Исходные данные к задаче 2
| Предпоследняя цифра номера варианта | h, м | Р,кН | ||
| 1 | 0,19 | 6,2 | ||
| 2 | 0,48 | 5,5 | ||
| 3 | 0,68 | 3,8 | ||
| 4 | 0,70 | 6,5 | ||
| 5 | 0,32 | 7,1 | ||
| 6 | 0,25 | 5,8 | ||
| 7 | 0,75 | 7,0 | ||
| 8 | 0,68 | 7,1 | ||
| 9 | 0,44 | 4,3 | ||
| 0 | 0,45 | 6,0 |
Задача № 3
Клапанный затвор пожарного водоема, имеющий плоскую поверхность шириной b, создает подпор воды Н. Затвор наклонен под углом 
к горизонту.
Определить суммарную силу натяжения тросов Т, удерживающих затвор в заданном положении (без учета момента трения в шарнире и массы затвора).
Задачу решить графоаналитическим методом. Построить эпюру давления на клапанный затвор.
Методические рекомендации
Сила давления равна площади эпюры давления, умноженной на ширину поверхности затвора. Она проходит через центр тяжести эпюры давления, который находится на расстоянии 
от уреза воды. Точка пересечения линии действия этой силы с поверхностью затвора и есть центр давления.
Поскольку затвор неподвижен, то сумма моментов всех действующих сил относительно шарнира равна нулю.
Исходные данные к задаче 3
| Предпоследняя цифра номера варианта | Н, м | b, м | , град
| |||
| 1 | 6 | 9 | 60 | |||
| 2 | 6,5 | 9,5 | 65 | |||
| 3 | 7 | 10 | 70 | |||
| 4 | 2,5 | 8 | 30 | |||
| 5 | 3 | 7 | 40 | |||
| 6 | 3,5 | 8,5 | 35 | |||
| 7 | 4 | 9 | 50 | |||
| 8 | 4,5 | 7,5 | 55 | |||
| 9 | 5 | 6,5 | 60 | |||
| 0 | 5,5 | 8,5 | 70 |
Задача № 4
Определить силу давления и точку её приложения на цилиндрическую стенку цистерны, если H=R; длина цистерны b.
Методические рекомендации
Результирующая сила давления определяется из выражения:
.
Горизонтальная составляющая Px равна площади эпюры давления на проекцию цилиндрической поверхности на вертикальную плоскость ОА, умноженной на длину цистерны:
.
Вертикальная составляющая Py равна массе жидкости в объёме тела давления 
:
.
Так как сила давления нормальна к поверхности АВ, то, следовательно, она должна пройти через центр окружности (точку "О"). Угол, который составляет эта сила с горизонталью, определится из соотношения:
.
Исходные данные к задаче 4
| Предпоследняя цифра номера варианта | R, м | b, м |
| 1 | 0,7 | 1,8 |
| 2 | 1,5 | 2 |
| 3 | 1,3 | 2,2 |
| 4 | 1 | 2,5 |
| 5 | 1,2 | 2,6 |
| 6 | 1,25 | 2,7 |
| 7 | 1,3 | 2,8 |
| 8 | 1 | 2 |
| 9 | 0,8 | 2,4 |
| 0 | 1 | 2,9 |
Задача № 5
В кольцевом пространстве аппарата протекает вода в количестве Q. Температура воды 12 0С. Внутренний диаметр большей трубы D, наружный диаметр меньшей трубы d. Определить, в каком режиме движется вода.
Методические рекомендации
Для определения режима движения воды необходимо рассчитать значение критерия Рейнольдса. Поскольку вода протекает в кольцевом пространстве между наружной и внутренней трубами, то при расчете критерия (формула 41, раздел 3.3) необходимо определить эквивалентный диаметр для данного случая.
Исходные данные к задаче 5
| Предпоследняя цифра номера варианта | Q, л/с | D, мм | d, мм | |||
| 1 | 5 | 200 | 88 | |||
| 2 | 4 | 250 | 185 | |||
| 3 | 10 | 300 | 185 | |||
| 4 | 15 | 125 | 85 | |||
| 5 | 2 | 80 | 57 | |||
| 6 | 2,5 | 150 | 57 | |||
| 7 | 3 | 175 | 57 | |||
| 8 | 7 | 150 | 85 | |||
| 9 | 25 | 125 | 88 | |||
| 0 | 36 | 75 | 53 |
Задача № 6
Определить расход и среднюю скорость выхода воды из насадка пожарного ствола диаметром dн, если скорость движения воды по рукаву диаметром dр составляет Vр.
Методические рекомендации
Согласно уравнению постоянства расхода (уравнение 38, раздел 3.3), расход жидкости в рукаве и через насадок будет одинаков, а скорости различны.
Исходные данные к задаче 6
| Предпоследняя цифра номера варианта | dн, мм | dр, мм | Vр, м/с | ||
| 1 | 13 | 51 | 2,2 | ||
| 2 | 16 | 51 | 2 | ||
| 3 | 17 | 66 | 2,15 | ||
| 4 | 19 | 66 | 2,1 | ||
| 5 | 20 | 77 | 2,3 | ||
| 6 | 14 | 51 | 1,9 | ||
| 7 | 22 | 77 | 1,7 | ||
| 8 | 23 | 77 | 1,25 | ||
| 9 | 15 | 51 | 1,8 | ||
| 0 | 13 | 51 | 1,5 |
Задача № 7
Определить потерю напора и потерю давления на трение при протекании воды по трубке, выполненной из материала М, диаметром d, длиной l. Скорость воды V. Температура 12 0С.
Методические рекомендации
Потерю напора на трение следует определять по формуле (48) (раздел 3.5). Значение абсолютной шероховатости стенок трубопровода определяют в зависимости от материала труб по таблице приложения 10.
Потеря давления
ртр= hтр 
g, Па.
Исходные данные к задаче 7
|
| Предпоследняя цифра номера варианта | М | d, мм | l, м | V, м/с | |
| 1 | сталь | 80 | 5 | 2,5 | ||
| 2 | латунь | 90 | 12 | 1,9 | ||
| 3 | сталь | 90 | 15 | 3 | ||
| 4 | стекло | 80 | 30 | 1,35 | ||
| 5 | сталь | 100 | 40 | 1,5 | ||
| 6 | чугун | 200 | 28 | 1,2 | ||
| 7 | чугун | 175 | 10 | 2,7 | ||
| 8 | сталь | 125 | 7 | 2,9 | ||
| 9 | латунь | 70 | 6 | 1,3 | ||
| 0 | чугун | 150 | 18 | 2 |
Задача № 8
Пренебрегая потерями напора, определить диаметр горловины d2, чтобы при пропуске расхода Q по трубопроводу диаметром d1 вода в трубе поднялась на высоту h. Манометрическое давление в трубопроводе составляет Р1 / pg.
Методические рекомендации
Для сечений 1-1 и 2-2 составляется уравнение Бернулли
Z1= Z2=0;
;
.
Скорость воды в сечении 1-1 
Из уравнения Бернулли находим скоростной напор в сечении 2-2 
. Диаметр горловины определится из уравнения 
.
Исходные данные к задаче 8
| Предпоследняя цифра номера варианта | Q, л/с | d1, мм | h, см | Р1 / pg, м | |||
| 1 | 8,5 | 100 | 54 | 0,5 | |||
| 2 | 6,4 | 80 | 48 | 0,4 | |||
| 3 | 7,8 | 85 | 52 | 0,45 | |||
| 4 | 7,2 | 82 | 50 | 0,52 | |||
| 5 | 7 | 80 | 55 | 0,48 | |||
| 6 | 7,6 | 74 | 46 | 0,46 | |||
| 7 | 8 | 78 | 56 | 0,54 | |||
| 8 | 8,4 | 90 | 54 | 0,44 | |||
| 9 | 8,6 | 90 | 46 | 0,6 | |||
| 0 | 6,9 | 82 | 44 | 0,65 |
Задача № 9
Определить предельную высоту расположения оси центробежного насоса над уровнем воды в водоисточнике h, если расход воды из насоса Q, диаметр всасывающей трубы d. Вакуумметрическое давление, создаваемое во всасывающем патрубке Рв, потери напора во всасывающей линии 1 м.
Методические рекомендации
 |
Составляется уравнение Бернулли для двух сечений: сечение II-II - по оси насоса; сечение I-I - по линии свободной поверхности (совпадает с плоскостью сравнения):
В сечении I-I скорость V1=0.
Давление на свободной поверхности P1=Pат.
Плоскость сравнения совпадает с сечением I-I, поэтому Z1 = 0. Абсолютное давление в сечении II-II
Р2 = Рат - Рв
Скорость движения воды во всасывающей трубе
Подставляя выражение для 
и 
в исходное уравнение и решая его относительно Z, определим высоту расположения оси центробежного насоса.
Исходные данные к задаче 9
| Предпоследняя цифра номера варианта | Q, л/c | d, мм | Рв, Па |
| 1 | 25 | 100 | 6,5·104 |
| 2 | 40 | 150 | 5,1·104 |
| 3 | 55 | 125 | 7,1·104 |
| 4 | 60 | 100 | 5,5·104 |
| 5 | 65 | 125 | 7,0·104 |
| 6 | 30 | 150 | 6,5·104 |
| 7 | 70 | 250 | 6·104 |
| 8 | 75 | 150 | 7,3·104 |
| 9 | 80 | 200 | 6,1 104 |
| 0 | 50 | 250 | 6,7·104 |
Задача № 10
По трубе диаметром d и длиной l перекачивается вода с расходом Q. Определить давление р2 в сечении 2-2, если в сечении 1-1, расположенном на высоте Н, давление равно р1. Температура перекачки воды 10 0C, абсолютная шероховатость стенок трубы Δ, коэффициент сопротивления задвижки ζз поворота – ζп.
Методические рекомендации
Для сечений 1-1 и 2-2 составляется уравнение Бернулли
Потери напора на участке трубы от сечении 1-1 до сечения 2-2 определяются как сумма потерь напора на трение и потерь напора во всех местных сопротивлениях
.
Исходные данные к задаче 10
| Предпоследняя цифра номера варианта | d, мм | l, м | Q, л/с | Н, м | р1·105, Па | Δ, мм | ζз | ζп |
| 1 | 40 | 100 | 2 | 2 | 5 | 1 | 4,9 | 0,4 |
| 2 | 20 | 100 | 0,5 | 3 | 6 | 1 | 8 | 0,35 |
| 3 | 150 | 50 | 56,2 | 5 | 8 | 0,75 | 4,6 | 0,3 |
| 4 | 80 | 50 | 16 | 4 | 7 | 1,5 | 4,2 | 0,45 |
| 5 | 50 | 80 | 5 | 8 | 6 | 0,73 | 2,2 | 0,2 |
| 6 | 20 | 50 | 1 | 2 | 10 | 1 | 6 | 0,5 |
| 7 | 40 | 70 | 4 | 4 | 9 | 1,3 | 4,9 | 0,6 |
| 8 | 100 | 100 | 12,5 | 3,5 | 11 | 1,2 | 4,1 | 0,2 |
| 9 | 150 | 100 | 28,1 | 3 | 7 | 0,75 | 4,4 | 0,4 |
| 0 | 100 | 50 | 25 | 6 | 9 | 1 | 4,1 | 0,25 |
Задача № 11
Определить длину трубы l, при которой расход воды из бака будет в два раза меньше, чем из отверстия того же диаметра d. Напор над центром отверстия равен Н. Коэффициент гидравлического трения в трубе принять λ = 0,025, коэффициент расхода отверстия μ = 0,62. Потери напора на входе в трубу и выходе из нее не учитывать.
Методические рекомендации
Вначале следует определить расход воды на выходе из бака
Q= 
,
затем скорость движения воды, уменьшив расход в 2 раза.
Длина трубы определится по уравнению
или пренебрегая местными потерями
.
Исходные данные к задаче 11
Дата добавления: 2018-05-01; просмотров: 660; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!