1.2. Основные понятия и законы гидростатики

В этой теме изучают физические свойства жидкостей, поведение жидкостей в состоянии покоя, а также рассматривают методы определения давления жидкости на соприкасающиеся с ней тела. Прежде всего следует уяснить понятие о гидростатическом давлении и усвоить его основные свойства. Не нужно путать давление, имеющее размерность напряжения, с суммарным давлением (давление на площадь конечных размеров), имеющим размерность силы. Помимо тех единиц давления, которые в настоящее время широко используются на практике (физическая и техническая атмосфера, миллиметры ртутного и водяного столба), в СИ за единицу давления принято равномерно распределённое давление, при котором на 1 м² приходится сила, равная 1 Н, т.е.: 1Н/м²=1 Па; 1кгс/м²≈0,1 МПа; 1 мм вод.ст.=9,81 Па.

Для усвоения единиц давления полезно решить несколько задач на определение величины гидростатического давления, выражая эту величину в различных размерностях. Особое внимание обратить на свойства гидростатического давления и основное уравнение гидростатики, которое имеет большое значение для решения многих практических задач и создания различных приборов и механизмов.

Важное практическое значение имеет вопрос о давлении жидкости на стенки (плоские и криволинейные). Здесь следует попрактиковаться в построении эпюр давления и обратить внимание на методы определения вертикальной и горизонтальной составляющих сил суммарного давления на криволинейные поверхности.

Большое значение для практики имеют также важнейшие законы гидростатики – законы Паскаля и Архимеда.

1.3. Основные законы гидродинамики

Наиболее важно для изучения всей практической гидравлики (движение в трубах и каналах, истечение из отверстий и др.) начинать эту тему с усвоения основных понятий о потоке жидкости и его элементах, о видах движения жидкости (установившееся и неустановившееся, равномерное и неравномерное, напорное и безнапорное и др.). Затем следует перейти к усвоению уравнения Бернулли и уравнения постоянства расхода и неразрывности потока. Эти два уравнения являются главнейшими формулами гидравлики. С их помощью можно подойти к решению почти любой практически важной задачи гидравлики. Особое внимание следует уделить выводу уравнения Бернулли, а также уяснению его физического (энергетического) и геометрического смысла. Следует обратить внимание на запись уравнения Бернулли в общем виде для элементарной струйки жидкости и для потока, для вязкой и невязкой жидкости. Для улучшения усвоения физического смысла уравнения Бернулли и возможностей использования этого уравнения в практических расчетах необходимо решить несколько задач (особенно задачу о водомере Вентури) и выполнить лабораторные работы.

1.4. Гидравлические сопротивления

Для практического использования основной формулы гидравлики (уравнения Бернулли) необходимо определить величину потерь напора при движении жидкости. Эти потери (как на трение по длине, так и местные) зависят от режима движения жидкости, от того, будет ли оно ламинарным или турбулентным. Поэтому изучение гидравлических сопротивлений лучше всего начать с ознакомления с основными понятиями о ламинарном и турбулентном движении, а также с условием перехода из одного вида движения в другой, характеризуемым числом Рейнольдса.

После этого можно перейти к рассмотрению распределения скоростей по сечению потока и гидравлических сопротивлений. Основное внимание нужно уделить изучению турбулентного движения, которое в большинстве случаев имеет место при движении воды в трубах, каналах и реках. Следует проанализировать влияние числа Рейнольдса и относительной шероховатости на величину коэффициента гидравлического сопротивления, которое находит выражение в обобщенных зависимостях для определения коэффициента гидравлического трения.

Обобщенные зависимости имеют логарифмический характер, но приближенно могут быть представлены в виде простой степенной формулы

λ=0,11((k_э/d) +(68/R_e))^1/4,

где λ – коэффициент гидравлического сопротивления;

k_э – Эквивалентная шероховатость, мм;

d – диаметр, мм;

R_e - число Рейнольдса.

Студент должен отчетливо представить, в каких случаях сопротивление не зависит от числа Рейнольдса (квадратичная область), а в каких – от относительной шероховатости (область гидравлически гладких труб).

Значительное внимание необходимо уделить изучению местных потерь напора, учитывая, что в некоторых случаях, например на насосных станциях, в трубопроводах систем отопления и вентиляции эти потери являются преобладающими. Хотя в большинстве случаев коэффициенты местных сопротивлений находят из таблиц, составленных по опытным данным, иногда возможно также и теоретическое определение местных потерь напора (использование теоремы Борда, задачи Н.Е.Жуковского и др.). Нужно обратить внимание также на то, что при малых числах Рейнольдса коэффициенты местных сопротивлений возрастают с уменьшением этих чисел и приблизительно могут быть найдены по формуле

ζ=А/R_e+ ζ_кв,

где А – коэффициент, зависящий от вида местного сопротивления;

ζ_кв – коэффициент местных сопротивлений в квадратичной области.

Большое практическое значение имеет формула Борда для определения местных потерь напора при внезапном расширении или сужении потока жидкости (диафрагмы, диффузоры, конфузоры и др.)