Практикум по гидравлике

ФГБОУ ВО СИБИРСКАЯ ПОЖАРНО-СПАСАТЕЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ

ГОСУДАРСТВЕННОЙ ПРОТИВОПОЖАРНОЙ СЛУЖБЫ

МЧС РОССИИ

Малый В.П., Масаев В.Н. 

ПРАКТИКУМ ПО ГИДРАВЛИКЕ

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ 

Железногорск

2017

ФГБОУ ВО СИБИРСКАЯ ПОЖАРНО-СПАСАТЕЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ

ГОСУДАРСТВЕННОЙ ПРОТИВОПОЖАРНОЙ СЛУЖБЫ

МЧС РОССИИ

Малый В.П., Масаев В.Н. 

ПРАКТИКУМ ПО ГИДРАВЛИКЕ

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ 

«Допущено Министерством Российской Федерации по делам гражданской обороны, 

чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных действий 

в качестве учебного пособия для курсантов, студентов и слушателей 

образовательных организаций МЧС России»

Протокол Учебно-методического совета МЧС России от 28 декабря 2016 года №1

Железногорск

2017

УДК 532(075.8): 681.3.06
ББК 22.253.3-5.я73
М 20

Рецензенты:

Атмажитов Н.П.

Заместитель начальника отдела подготовки

полковник внутренней службы  

(Департамент пожарно-спасательных сил и специальных

формирований МЧС России)

Филановский А.М.

Доцент кафедры пожарной, аварийно – спасательной техники и 

автомобильного хозяйства

кандидат технических наук, доцент,

(ФГБОУ ВО Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России)

Малый В.П., Масаев В.Н. Практикум по гидравлике: учебное пособие 

для слушателей, курсантов и студентов Сибирской пожарно-спасательной 

академии ГПС МЧС России / – Железногорск: ФГБОУ ВО Сибирская пожарно
спасательная академия ГПС МЧС России, 2017. – 121 с.

Настоящее 
учебное 
пособие 
предназначено 
для 
обучающихся 
в 

соответствии с федеральным государственным образовательным стандартом 

высшего образования по специальности
20.05.01 Пожарная безопасность

(уровень специалитета).

В пособии приведены задания и примеры выполнения виртуальных 

лабораторных работ по учебным дисциплинам «Гидравлика», «Гидравлика и 

противопожарное водоснабжение» для очной и заочной форм обучения.  

© ФГБОУ ВО Сибирская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, 2017

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................................................. 6

1. КРАТКАЯ СВОДКА ТЕОРЕТИЧЕСКИХ СВЕДЕНИЙ ................................... 10

1.1 Два типа жидких сред................................................................................... 10

1.2 Теория движения жидких сред.................................................................... 14

1.3 Особенности течения жидкой среды в трубе............................................. 21

1.4 Способы и приборы измерения расхода жидкости ................................... 28

1.5 Потери на трение и падение давления в трубах ........................................ 35

2. ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ВИРТУАЛЬНОГО ЛАБОРАТОРНОГО 

ПРАКТИКУМА.  «ВиртГидро» («GIDRO») .......................................................... 41

2.1 Общие сведения ............................................................................................ 41

2.2 Порядок установки программного обеспечения........................................ 42

3 . ВЫПОЛНЕНИЕ ВИРТУАЛЬНЫХ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ..................... 46

3.1 Общие сведения ............................................................................................ 46

3.2 Подготовка к виртуальной лабораторной работе...................................... 46

3.3 Начало эксперимента и входной контроль................................................. 47

3.4 Тестирование ................................................................................................. 49

3.5 Порядок выполнения виртуальной лабораторной работы ....................... 54

3.6 Подготовка 
отчетных 
материалов 
по 
результатам 
выполнения  

виртуальной лабораторной работы ................................................................... 55

3.7 Лабораторная 
работа 
№1 
«Исследование 
режимов 
движения  

жидкостей»........................................................................................................... 56

3.8 Лабораторная работа №2  «Уравнение Бернулли».................................... 61

3.9 Лабораторная работа №3 «Определение коэффициента гидравлического 

трения» ................................................................................................................. 66

3.10 Лабораторная работа №4 «Истечение при постоянном напоре»........... 72

3.11 Лабораторная работа №5 «Исследование работы центробежного насоса» 77

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ......................................................................................................... 85

ЛИТЕРАТУРА ........................................................................................................ 88

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Структура  (порядок) выполнения лабораторных работ по 

дисциплине«Гидравлика» ........................................................................................ 90

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Лабораторная работа № 1  «Измерение и вычисление 

гидростатического давления».  Основные этапы................................................... 93

ВВЕДЕНИЕ

Практикум — форма организации учебного процесса по самостоятельному

выполнению обучающимися практических и лабораторных работ. Проводится, 

как правило, при завершении крупных разделов учебных курсов или в конце 

периода обучения. 

Перечень 
работ, 
входящих 
в 
практикум, 
определён 
рабочими

программами
учебных
дисциплин 
«Гидравлика»
и 
«Гидравлика 
и 

противопожарное водоснабжение». Перед практикумом проводится инструктаж. 

Практические работы, включённые в практикум, представляют собой учебно
тренировочные исследования и направлены на проверку достоверности 

определённых научных закономерностей, положений, гипотез и др. 

Под термином «виртуальная лаборатория» понимается такой набор 

компьютерной информации, который мог бы заменить фактическое выполнение 

рассматриваемой 
лабораторной 
работы 
на 
физически 
существующей 

лабораторной установке в ходе учебного процесса. 

Современный 
уровень 
развития 
информационных 
компьютерных 

технологий обеспечивает легкость и простоту передачи обучающимся в 

электронном виде самых разных видов учебно-методической документации 

файлами:


учебных пособий и методичек;


высококачественных фотографий лабораторного оборудования и 

различных стадий проведения лабораторных работ;


видеороликов, иллюстрирующих ход выполнения лабораторных работ;


баз данных с апробированными результатами лабораторных данных и 

замеров;


образцов 
оформления 
отчетной 
документации 
(вплоть 
до 

компьютерных программ обеспечивающие более быстрое её оформление);


примеров тестовых заданий (причем здесь могут быть предложены, как 

обычные 
перечни 
контрольных 
вопросов, 
так 
и 
различные 
формы 

компьютерного самотестирования).

В этой связи становится актуальной разработка определенных учебных и 

методических подходов к использованию средств новых информационных 

компьютерных технологий. В частности, для развития творческого потенциала 

будущих специалистов необходимо формировать у обучаемых умение 

осуществлять прогнозирование результатов своей деятельности, разрабатывать 

стратегию поиска путей и методов решения задач  как учебных, так и 

практических. 

В процессе освоения учебной дисциплины важную роль играет 

лабораторный практикум, выполняющий роль экспериментальной проверки 

существующих законов и гипотез.  Основными задачами лабораторных работ по 

курсу «Гидравлика» являются демонстрация действия законов гидростатики и 

гидродинамики на модельных установках, а также экспериментальное 

подтверждение значений справочных коэффициентов. 

Для 
выполнения 
этих 
задач 
необходимо 
соблюдение 
условий 

применимости формул, точность измерений и обработки результатов. Это 

позволяет более осознанно применять эти законы для решения практических 

задач.

Натурная реализация и выполнение лабораторных работ на обычных 

лабораторных установках имеет ряд недостатков: дороговизна и громоздкость 

оборудования, сложность и опасность в эксплуатации (высокие давления, 

напряжения, радиоактивность и т. д.), требования систематической настройки 

аппаратуры, длительные и утомительные процедуры измерений, большое 

количество расходных материалов. 

К преимуществам «виртуального» эксперимента перед натурными 

опытами следует отнести:


получение 
твердых 
знаний 
с 
использованием 
компьютерного 

оборудования при минимуме затрат, как времени, так и ресурсов;


возможность моделирования гидравлических процессов в широком 

диапазоне значений исходных параметров;


независимость от типоразмера и вида приборов, измеряющих параметры 

процесса;


«экологическая чистота» эксперимента, так как применение, например, 

ртутных манометров, связано с риском для жизни;


персональное исследование гидравлических процессов обучающимися в 

индивидуальном режиме, а не групповым способом, что способствует лучшему 

усвоению материала и получению глубоких и прочных знаний;


использование 
современных 
средств 
для 
обработки 
результатов 

«виртуального» эксперимента;


возможность получения результатов расчетов для построения графической 

(или табличной) зависимости для обсуждения и анализа выполнения работы;


автоматизированный контроль результатов выполнения виртуальных 

лабораторных работ;


возможность работы над ошибками с элементами обучения;


тестирование обучаемого с целью итоговой оценки на предмет уровня 

знаний и умений.

Виртуальный 
лабораторный 
практикум 
реализует 
разновидность 

физического эксперимента – обучающего физического эксперимента, ставящего 

целью отработку основных приемов и технологий планирования и проведения 

эксперимента, включая его основные этапы:


формулировку целей и задач исследований;


определение способов и методов достижения цели;


используемое оборудование и технологии.

Виртуальная лабораторная работа – это способ освоения знаний на основе 

процесса получения и обработки экспериментальных данных – количественных 

характеристик реальных физических величин, определяющих поведение 

исследуемого 
объекта, 
процесса 
или 
явления, 
подтверждающих 
или 

опровергающих сформулированные целевые функции проведения эксперимента.

В 
современных 
условиях, 
условиях 
бурного 
развития 
средств 

информационной компьютерной техники и программного обеспечения, только 

широкое внедрение процессов информатизации во все виды учебной 

деятельности позволят решать вопросы качественной подготовки специалистов.

Возможности 
современных 
имитационных 
компьютерных 
моделей

создают полную иллюзию работы с реальным оборудованием. В таком подходе 

есть положительный момент, позволяющий реализовать каждому обучаемому 

свои индивидуальные творческие способности. Находясь в виртуальной 

лаборатории, можно выбрать виртуальные приборы и оборудование, собрать на 

виртуальном стенде схему эксперимента по своему индивидуальному заданию, 

провести поисковое моделирование исследуемого физического процесса при 

различных заданных параметрах и ограничениях, обработать
результаты 

исследования, не затрачивая усилий на рутинные расчеты и графические 

построения.

Важным преимуществом виртуальной лаборатории является возможность 

наглядной 
имитации 
реального 
физического 
эксперимента 
путем 

использования, наряду с привычными изображениями приборов, не только 

имитационных моделей реальных сигналов, но также и полученных ранее 

реальных экспериментальных данных, хранящихся в соответствующих файлах 

данных.

1
КРАТКАЯ СВОДКА ТЕОРЕТИЧЕСКИХ СВЕДЕНИЙ

1.1
Два типа жидких сред

Жидкую среду можно охарактеризовать как вещество, не оказывающее 

сопротивления касательной силе, то есть силе, действующей параллельно 

границе поверхности жидкости. Жидкость всегда деформируется под действием 

касательной силы, и этим она отличается от твердого тела. Жидкая среда не 

имеет определенной формы, а лишь занимает объем, создаваемый, окружающей 

ее поверхностью. Жидкие среды можно условно разделить на несжимаемые 

жидкости и сжимаемые жидкости (газы). Эта основная разница в свойствах 

позволяет использовать жидкости в качестве рабочего тела в гидравлических 

машинах, с одной стороны, и хранить газ под давлением в баллонах, с другой. 

Прежде чем приступить к изучению несжимаемых жидких сред, рассмотрим 

свойства газов.

Для массы m
определенного (идеального) газа, отношение между 

давлением P, объемом V и данной температурой T описывается уравнением:

𝑃𝑉 = 𝑚𝑅g𝑇
(1.1)

где
𝑅g – газовая постоянная, Дж/(кг·оК)

m – масса газа, кг.

Это уравнение объединяет законы Бойля и Шарля, которые установили, 

что объем определенной массы газа обратно пропорционален абсолютному 

давлению, при постоянной температуре, а объем прямо пропорционален 

абсолютной температуре, при неизменном давлении.

Однако, чтобы предсказать поведение газов в охлаждающих системах или 

паровых смесях, требуются особые уравнения, выходящие за рамки данной 

главы.

Уравнение можно также представить в виде:

𝑃 = ( 

𝑚

𝑉) × 𝑅g𝑇 

𝑃

𝜌 = 𝑅g𝑇
(1.2)

где ρ – плотность газа.

Для воздуха газовая постоянная  𝑅𝑔

возд:

𝑅𝑔

возд = 287 Дж/(кгоК). 

Причем, она отличается от универсальной газовой постоянной 

R = M 𝑅g = 8314 Дж/(кмольоК),

где M – это отношение массы молекулы исследуемого газа к массе 

молекулы водорода, т.е.  её молекулярный вес.  

Для воздуха 

𝑀возд = 28,95

кг

кмоль.

Вышеописанные законы применимы к изотермическим процессам. В 

случае адиабатного процесса с постоянной массой газа необходимо изолировать 

систему, т.е. исключить теплообмен газа с окружающей средой.

Тогда будет верно соотношение: 

𝑃𝑉 ≡  𝑃 (

𝑚

𝜌)



 =  𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡
(1.3)

где   = 

𝐶(𝑝) 

𝐶(𝑣), отношение теплоёмкостей при постоянных давлении 𝐶(𝑝) и 

объеме 𝐶(𝑣) газа. 

Для воздуха и некоторых двухатомных газов,  = 1,4.

Пример 1.

Найти плотность воздуха массой 1 кг с помощью следующего уравнения:

𝑃𝑉 = 287𝑇

Если абсолютное (барометрическое) давление составляет 745 мм рт.ст., 

температура воздуха 19оС, а плотность ртути 13,6103 кг/м3

Решение:

𝑇 = 19°С = 19 + 273 = 292 К