Введение

Самостоятельная работа студентов очной формы обучения по следующим направлениям подготовки (специальностям) включает выполнение расчетно-графической работы по разделам «Гидростатика», «Гидродинамика»: 20.03.02 Природообустройство и водопользование, 20.03.01 Техносферная безопасность, 08.03.01 Строительство, 08.05.01 Строительство уникальных зданий и сооружений, 35.03.02 Технология лесозаготовительных и деревоперерабатывающих производств, 35.03.06 Агроинженерия, 15.03.01 Машиностроение, 15.03.05 Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств, 23.03.03 Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов, 13.03.01 Теплоэнергетика и теплотехника, 15.03.02 Технологические машины и оборудование. Самостоятельная работа студентов заочной формы обучения, указанных направлений подготовки, предполагает выполнение контрольной работы по тем же разделам.

В сборнике задач приведены примеры решения задач, контрольные задания и указаны главы и параграфы учебников, рекомендуемых в качестве основных пособий. При изучении курса «Гидравлика» («Механика жидкости») по этим учебникам студенты должны самостоятельно проработать необходимый материал разделов «Гидростатика», «Гидродинамика» по приведенному в пособии перечню. В прилагаемом списке литературы указаны учебники, которые могут быть использованы при изучении дисциплины.

Приступая к решению задач каждой темы, необходимо ознакомиться с приведенными методическими рекомендациями к данной теме, что в значительной мере поможет уяснить физический смысл и практическое значение темы и задания.

Студенты очной формы обучения выполняют расчетно-графическую работу, содержащую 12 задач, а студенты заочной формы обучения выполняют контрольную работу, которая кроме того включает еще и 5 теоретических вопросов.

Номера вопросов и задач выбираются по последней цифре шифра зачетной книжки студента из табл. П1 приложения, а числовые значения указанных в задаче величин – по предпоследней цифре шифра зачетной книжки студента из табл. П2 приложения. Например, если номер зачетной книжки студента 225613, то следует решить задачи 15, 22, 24, 28, 34, 41, 44, 51, 52, 55, 59, 60. Числовые данные следует выбирать из табл. П2 приложения для первого варианта.

При оформлении работы следует полностью привести текстовое условие задачи, начертить схему, составить краткое условие задачи с указанием числовых значений заданных величин и подробное, с краткими пояснениями, решение задачи. При нарушении этих требований работа рассматриваться и рецензироваться не будет.

1. Методические рекомендации к изучению механики жидкости

Расчетно-графическая и контрольная работы по разделам «Гидростатика» и «Гидродинамика» курса «Гидравлика» («Механика жидкости») включают в себя задания по темам: свойства давления в неподвижной жидкости, основное уравнение гидростатики, закон Паскаля, силы давления жидкости на плоские и криволинейные поверхности, относительный покой жидкости, уравнение Бернулли, гидравлические сопротивления при движении жидкости в трубах, гидравлический расчет простых и сложных трубопроводов, истечение через отверстия и насадки. Эти темы отражены в заданиях 1-60. Перед выполнением заданий целесообразно изучить разделы «Гидростатика» и «Гидродинамика» последовательно по темам, приведенным ниже. Сначала следует изучить теоретическую часть темы, затем решить и проанализировать представленные задачи с решениями. Учебный материал раздела можно считать проработанным и усвоенным только при условии, если студент умеет правильно применить теорию для решения практических задач.

В списке литературы, помещенном ниже, указаны источники, по которым студент может изучать основные вопросы разделов «Гидростатика» и «Гидродинамика» в рамках курса «Гидравлика» («Механика жидкости») высшей школы, выполнить контрольную или расчетно-графическую работу и подготовиться к экзамену или зачету.

Основные темы и вопросы разделов «Гидростатика» и «Гидродинамика»

1. Основные свойства жидкости

Определение жидкости. Силы, действующие на жидкость. Давление в жидкости. Сжимаемость. Закон Ньютона для жидкостного трения. Вязкость. Поверхностное натяжение. Давление насыщенного пара жидкости. Растворение газов в жидкости. Модель идеальной жидкости. Неньютоновские жидкости.

Литература: [1, с.19-25], [3, с.32-56], [6, с.15-22], [7, с.10-21], [8, с.11-33], [9, с.12-30].

2. Гидростатика

Свойства давления в неподвижной жидкости. Уровнение Эйлера равновесия жидкости. Интегрирование уравнения Эйлера. Поверхности равного давления. Свободная поверхность жидкости. Основное уравнение гидростатики. Закон Паскаля. Приборы для измерения давления. Силы давления жидкости на плоские и криволинейные стенки. Закон Архимеда. Плавание тел. Относительный покой жидкости.

Литература: [1, с.27-35], [3, с.58-71], [6, с.23-30], [7, с.22-35], [8, с.35-45], [9, с.32-50].

3. Кинематика и динамика жидкости

Виды движения жидкости. Основные понятия кинематики жидкости: линия тока, трубка тока, элементарная струйка, живое сечение, расход. Дифференциальные уравнения движения идеальной жидкости (уравнения Л. Эйлера). Уравнение Д. Бернулли для установившегося движения идеальной жидкости. Геометрическая и энергетическая интерпретация уравнения Бернулли. Уравнение Бернулли для потока вязкой жидкости. Коэффициент Кориолиса. Общие сведения о гидравлических потерях. Виды гидравлических потерь. Трубка Пито. Водометр Вентури. Уравнение равномерного движения жидкости, касательные напряжения.

Литература: [1, с.36-47], [3, с.102-130], [6, с.32-44], [7, с.34-66], [8, с.72-100], [9, с.56-100].

4. Режимы движения жидкости и основы теории гидродинамического подобия

Ламинарный и турбулентный режимы движения жидкости. Число Рейнольдса. Основы теории гидродинамического подобия.

Литература: [1, с.48-49], [3, с.141-146], [6, с.69-72, 225-235], [7, с.32-44], [8, с.100-143], [9, с.112-116, 584-594].

5. Ламинарное движение жидкости

Основные закономерности при ламинарном режиме движения жидкости в круглой трубе: распределение скоростей по сечению, расход, средняя скорость, потери напора по длине. Начальный участок потока. Ламинарное движение в плоских и кольцевых зазорах. Особые случаи ламинарного течения (переменная вязкость, облитерация).

Литература: [1, с.50-51], [3, с.136-141], [6, с.46-49], [7, с.76-79], [8, с.100-143], [9, с.146-56, 183-184].

6. Турбулентное движение жидкости

Особенности турбулентного движения жидкости. Пульсация скоростей и давления. Актуальные, пульсационные и осредненные скорости и давления. Касательные напряжения в турбулентном потоке. Распределение осредненных скоростей по сечению (по Л. Прандтлю). Структура турбулентного потока, ограниченного твердой стенкой. Турбулентное ядро и ламинарная пленка. Потери напора по длине. Формула и коэффициент Дарси. Зависимость коэффициента Дарси от числа Рейнольдса и относительной шероховатости. Опыты по гидравлическим сопротивлениям в трубах с искусственной песчаной и технической шероховатостями (опыты Никурадзе и Мурина). Графики Никурадзе и Мурина-Шевелева. Гидравлически гладкие и шероховатые трубы. Три зоны (области) турбулентного сопротивления. Формулы для коэффициента Дарси. Обобщенная формула А.Д. Альтшуля для коэффициента Дарси. Определение потерь напора в трубах некруглого сечения. Эквивалентный диаметр.

Литература: [1, с.50-51], [3, с.136-151], [6, с.44-45, 46-53], [7, с.79-87], [8, с.100-143], [9, с.116-146, 156-180].

7. Местные гидравлические сопротивления

Виды местных сопротивлений. Формула Вейсбаха для местных потерь напора. Коэффициент местных сопротивлений и зависимость его от числа Рейнольдса и других параметров. Внезапное расширение потока (теорема Борда). Диффузоры. Сужение трубы. Колена. Эквивалентная длина. Кавитация в местных сопротивлениях.

Литература: [1, с.49-50], [3, с.146-151], [6, с.53-58], [7, с.87-97], [8, с.100-143], [9, с.184-184].

8. Истечение жидкости через отверстия и насадки

Классификация отверстий, сжатия струи, видов истечения. Истечение жидкости через малое круглое отверстие в тонкой стенке при постоянном напоре в атмосферу. Коэффициенты сопротивления, сжатия, скорости, расхода. Истечение через большое отверстие при постоянном уровне и через малое отверстие при переменном напоре. Опорожнение резервуара. Насадки, их классификация. Применение насадков в технике. Истечение жидкости через цилиндрический насадок. Вакуум в насадке, предельный напор.

Литература: [1, с.78-80], [3, с.184-193], [6, с.58-64], [7, с.97-109], [8, с.196-231], [9, с.186-188].

9. Гидравлический расчет трубопроводов

Классификация трубопроводов. Основное расчетное уравнение простого короткого трубопровода. Самотечный, сифонный трубопроводы, всасывающая линия лопастного насоса. Напорная и пьезометрическая линии. Простой длинный трубопровод. Сложные трубопроводы. Последовательное и параллельное соединение трубопроводов.

Литература: [1, с.111-117], [3, с.151-184], [6, с.65-77], [7, с.109-110, 116-130], [8, с.100-143], [9, с.248-270].

10. Неустановившееся движение жидкости

Уравнение неустановившегося движения несжимаемой жидкости в жёстких трубах с учетом инерционного напора. Гидравлический удар. Формула Н.Е. Жуковского для прямого удара. Диаграмма давления. Сопутствующие явления. Непрямой гидравлический удар. Способы ослабления гидравлического удара.

Литература: [1, с.167-175], [3, с.77-82], [6, с.131-136], [7, с.272-295], [8, с.145-150], [9, с.270-275].

11. Взаимодействие потока со стенками

Воздействие струи на твердые преграды. Силы воздействия потока на стенки. Использование теоремы об изменении количества движения (теоремы импульсов).

Литература: [3, с.195-200], [8, с.245-247].