Гидравлика. Физические свойства жидкостей. Гидростатика : руководство к решению задач
Покупка
Основная коллекция
Издательство:
Сибирская пожарно-спасательная академия
Автор:
Малый Виталий Петрович
Год издания: 2018
Кол-во страниц: 160
Дополнительно
Учебное пособие включает в себя краткие теоретические сведения по физическим свойствам жидкости и гидростатике, составленные на основе единой методической системы с позиции пользователя, для которого важны не столько математические подробности выводов тех или иных формул, сколько осмысление и практическое использование теоретических результатов для практического применения, прежде всего, в пожарном деле. Практическая часть представлена многочисленными задачами с четкой «пожарной направленностью», сопровождающимися подробными или краткими решениями, в которых демонстрируется единая четкая последовательность и специфические приемы выполнения отдельных этапов решения: задачами для самостоятельного решения в рамках самостоятельной работы или в рамках практических занятий. Особое внимание обращается на тестирование получаемых решений задач в обшем виде, позволяющее полностью гарантировать их правильность.
Издание предназначено для обучающихся всех форм обучения специальности «Пожарная безопасность» 20.05.01 и направления подготовки «Техносферная безопасность» (уровень бакалавриата) 20.03.01. а также для обучающихся других специальностей, программа обучения которых предполагает изучение дисциплины Гидравлика.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 20.03.01: Техносферная безопасность
- ВО - Специалитет
- 20.05.01: Пожарная безопасность
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
МИНИСТЕРСТВО РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ДЕЛАМ ГРАЖДАНСКОЙ ОБОРОНЫ, ЧРЕЗВЫЧАЙНЫМ СИТУАЦИЯМ И ЛИКВИДАЦИИ ПОСЛЕДСТВИЙ СТИХИЙНЫХ БЕДСТВИЙ ФГБОУ ВО СИБИРСКАЯ ПОЖАРНО-СПАСАТЕЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ ГПС МЧС РОССИИ Малый В.П. ГИДРАВЛИКА. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЖИДКОСТЕЙ. ГИДРОСТАТИКА. РУКОВОДСТВО К РЕШЕНИЮ ЗАДАЧ Учебное пособие Железногорск 2018
МИНИСТЕРСТВО РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ДЕЛАМ ГРАЖДАНСКОЙ ОБОРОНЫ, ЧРЕЗВЫЧАЙНЫМ СИТУАЦИЯМ И ЛИКВИДАЦИИ ПОСЛЕДСТВИЙ СТИХИЙНЫХ БЕДСТВИЙ ФГБОУ ВО СИБИРСКАЯ ПОЖАРНО-СПАСАТЕЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ ГПС МЧС РОССИИ Малый В.П. ГИДРАВЛИКА. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЖИДКОСТЕЙ. ГИДРОСТАТИКА. РУКОВОДСТВО К РЕШЕНИЮ ЗАДАЧ Учебное пособие Железногорск 2018
УДК 621.22 ББК 30.123+22.253 я7 М20 Автор: Малый Виталий Петрович, доктор физико-математических наук, доцент ВАК Рецензенты: Сергей Викторович Пузач Заведующий кафедрой инженерной теплофизики и гидравлики Академии ГПС МЧС России, Заслуженный деятель науки Российской Федерации, доктор технических наук, профессор ВАК, полковник внутренней службы в отставке Виталий Вячеславович Жучков Доцент кафедры инженерной теплофизики и гидравлики Академии ГПС МЧС России, кандидат технических наук, доцент ВАК Валерий Геннадьевич Шамонин Ведущий научный сотрудник ФГБУ ВНИИПО МЧС России, кандидат физико-математических наук, Малый, В.П. Гидравлика. Физические свойства жидкостей. Гидростатика. Руководство к решению задач [Текст]: учебное пособие / В.П. Малый – Железногорск Красноярского края: ФГБОУ ВО Сибирская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, 2018.−160 с.: ил. Учебное пособие включает в себя краткие теоретические сведения по физическим свойствам жидкости и гидростатике, составленные на основе единой методической системы с позиции пользователя, для которого важны не столько математические подробности выводов тех или иных формул, сколько осмысление и практическое использование теоретических результатов для практического применения, прежде всего, в пожарном деле. Практическая часть представлена многочисленными задачами с четкой «пожарной направленностью», сопровождающимися подробными или краткими решениями, в которых демонстрируется единая четкая последовательность и специфические приемы выполнения отдельных этапов решения; задачами для самостоятельного решения в рамках самостоятельной работы или в рамках практических занятий. Особое внимание обращается на тестирование получаемых решений задач в общем виде, позволяющее полностью гарантировать их правильность. Издание предназначено для обучающихся всех форм обучения специальности «Пожарная безопасность» 20.05.01 и направления подготовки «Техносферная безопасность» (уровень бакалавриата) 20.03.01, а также для обучающихся других специальностей, программа обучения которых предполагает изучение дисциплины Гидравлика. © ФГБОУ ВО Сибирская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, 2018 © Малый В.П., 2018
ОГЛАВЛЕНИЕ ПРЕДИСЛОВИЕ..........................................................................................................8 ВВЕДЕНИЕ ..................................................................................................................9 1 ГЛАВА 1. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЖИДКОСТЕЙ.................................14 1.1 Краткая сводка теоретических, справочных и нормативных сведений..............................................................................................................14 1.2 Контрольные вопросы и задания по физическим свойствам жидкостей...........................................................................................................41 1.3 Задачи по теме «физические свойства жидкостей» с краткими решениями..........................................................................................................42 Процедура и особенности «краткого решения задач»...................................42 Задачи на расчет эффектов объёмного «барометрического» сжатия ..........43 Задачи на расчет параметров гидравлических изотермических испытаний...........................................................................................................44 Задачи на «Расчет эффекта объёмного температурного расширения» .......45 Задачи на «Расчет толщины солевых отложений в противопожарном трубопроводе»....................................................................................................50 Задачи на «Расчет параметров совместного температурного и барометрического эффектов изменения объёма жидкости».........................52 Задачи на «Расчет значений коэффициентов вязкости» ...............................56 Задачи на «Расчет эффектов поверхностного натяжения» ...........................58 Задачи на «Расчет эффектов капиллярности»................................................60 1.4 Задачи с полными (9-шаговыми) решениями ........................................62 Процедура и особенности «развёрнутого (полного) решения задач» .........62 1.5 Примеры 9-шагового решения задач по теме «Физические свойства жидкостей».........................................................................................................72 1.6 Задачи для самостоятельного решения.................................................117 1.7 Задача 3.....................................................................................................123 Тесты по физическим свойствам жидкостей................................................124 2 ГЛАВА 2. ГИДРОСТАТИКА...........................................................................127 2.1 Основные теоретические и справочные сведения ...............................127 2.2 Примеры решения задач по гидростатике............................................133 2.3 Тесты по гидростатике............................................................................150 ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................................................152 СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ .................................................155 ПРИЛОЖЕНИЯ .......................................................................................................156 Приложение 1. Плотность жидкой вакууммированной чистой пресной воды в зависимости от температуры.......................................................................156
Приложение 2. Коэффициенты объёмного сжатия и модули упругости для некоторых жидкостей......................................................................................156 Приложение 3. Коэффициенты динамической и кинематической вязкости некоторых жидкостей......................................................................................157 Приложение 4. Коэффициенты температурного расширения 𝜷∆𝑻 жидкостей (для температуры около 18℃)........................................................................157 Приложение 5. Плотность 𝝆 капельных жидкостей (при температуре 20°С) 158 Приложение 6. Кинематическая вязкость некоторых жидкостей (при температуре 20°C) ...........................................................................................158 Приложение 7. Условная кинематическая вязкость....................................159 Приложение 8. Плотность и кинематическая вязкость сухого воздуха (𝒑 = 𝟗𝟖 кПа) ....................................................................................................160 Приложение 9. Плотность и кинематическая вязкость некоторых газов (𝒑 = 𝟏𝟎𝟎 КПа)..................................................................................................160 Приложение 10. Поверхностное натяжение жидкостей (при температуре 20°С)..................................................................................................................161 Приложение 11. Давление насыщенных паров воды в зависимости от температуры.....................................................................................................161 Приложение 12. Зависимость атмосферного давления от высотного расположения местности ................................................................................161 Приложение 13. Производные единицы системы СИ, употребляемые в гидравлике и аэродинамике............................................................................162
ПРЕДИСЛОВИЕ Настоящее учебное пособие написано на основе опыта преподавания курса «Гидравлика», «Гидравлика и противопожарное водоснабжение» в ФГБОУ ВО Сибирская пожарно-спасательная академия (СПСА). Издание пособия вызвано необходимостью выполнения требований в части формирования фондов библиотек вузов с учётом степени устареваемости литературы, а также изменением учебных планов в сторону некоторого увеличения самостоятельной работы обучающихся. Учебное пособие может быть использовано обучающимися по специальностям, для которых учебными программами не предусматривается отдельного курса гидравлики, но изучение этого предмета даётся в соответствующих дисциплинах: «Гидравлика и теплотехника», «Гидравлика и гидрогазодинамика», «Гидравлика и инженерная гидрология», «Гидравлика, насосы и компрессоры» и др. Настоящее учебное пособие рекомендуется также и обучающимся заочно при выполнении контрольных и курсовых работ и подготовке к зачёту и экзамену. Автором учтены ценные замечания и предложения руководителя кафедры физики, математики и информационных технологий к.ф.-м.н. Матерова Евгения Николаевича, профессора этой кафедры д.т.н. А.А. Ковеля. Особую благодарность автор выражает доктору пед. наук, профессору, академику РАПН Р.П. Жданову за предложения по повышению учебнометодического качества пособия, д.т.н., профессору кафедры Инженерной графики и механики СПСА А.А. Носенкову за ценные замечания и предложения по совершенствованию структуры пособия в целом и методики решения задач по данной дисциплине, в частности. Автор признателен канд. техн. наук М.И. Антипину, а также слушателю СПС Академии С.С. Крючкову, оказавшим большую помощь при обсуждении состава и особенностей оформления пособия.
ВВЕДЕНИЕ Гидравлика, в частности, – «Практическая гидравлика» – является общепрофессиональной дисциплиной, при изучении которой курсанты и студенты – будущие специалисты по «Пожарной безопасности» знакомятся с физическими свойствами жидкости, основными законами гидростатики, кинематики и гидродинамики, теоретическими и практическими основами ламинарного и турбулентного режимов движения жидкости и др. Будущий специалист по пожарной или техносферной безопасности должен твёрдо знать физические свойства жидкостей и их характеристики, основные законы гидростатики и гидродинамики, виды движений жидкости, основные гидравлические параметры потока, режимы движения жидкости, теорию определения потерь напора и истечения жидкости через отверстия, насадки, гидравлические расчеты трубопроводов, в том числе, − противопожарного внутреннего и наружного водоснабжения, а также владеть основами инженерных методов расчетов, проводимых для проектирования, строительства, правильной эксплуатации и реконструкция сооружений, предназначенных для использования водных ресурсов рек, озёр, морей, подземных вод, их охраны от загрязнений, а также для борьбы с разрушительным действием водной стихии. Гидравлика содержит большое число опытных коэффициентов, эмпирических и полуэмпирических формул, методика применения которых, а также их физический смысл хорошо осваиваются в процессе решения различных задач. Поэтому каждый раздел пособия содержит краткое изложение теории вопроса и формулы с тем, чтобы разбор примеров расчётов производился обучающимся осознанно, с закреплением теоретических знаний. Основные понятия и термины приводятся не в алфавитном порядке, а по ходу изложения материала в логической последовательности. Задачи на физические свойства жидкостей, задачи по гидростатике и гидродинамике являются общими для многих инженерных специальностей. Для их решения необходимо знание различных систем единиц измерения физических величин и соотношения между ними.
Таблица единиц в различных системах Единицы СИ (международная) МКГСС (техническая) СГС (физическая) Внесистемная Длина м м см Дюйм, км, дм Масса кг кгсс2/м г т (тонна) Время с с с сут (сутки) Площадь м2 м2 см2 км2, дм2, га Объём м3 м3 см3 л (литр) Скорость м/с м/с см/с Плотность кг/м3 кгсс2/м4 г/см3 т/м3 Сила Н (Ньютон) кгс (килограммсила) дина − Давление Па (паскаль) кгс/м2 дин/см2 ат (атмосфера) Динамическая вязкость Па/с кгссм/м2 П (пуаз) сантиП (сантипуаз) Кинематическая вязкость м2/с м2/с Ст (стокс) сантиСт Массовый расход кг/с кгсс/м г/с т/с Объёмный расход м3/с м3/с см3/с л/с, м3/сут Удельный (по объёму) вес Н/м3 кгс/м3 дин/см3 кгс/дм3 Таблица соотношений единиц в различных системах 1 дина = 1 г1 см/с2 = 1 гсм/с2 1 Н = 1 кг1 м/с2 = 1 кгм/с2 = 105 дин 1 кгс = 1 кг9,81 м/с2 = 9,81 кгм/с2 = 9,81 Н = 9,81105 дин 1 Па = 1 Н/м2 1 ат = 1 кгс/см2 = 9,81104 Н/м2 ≈ 105 Па = 0,1 МПа = 1 бар 1" = 1 дюйм = 2,54 см = 2,5410−2 м 1 т = 1000 кг = 106 г 1 сут = 86 400 с 1 га = 104 м2 = 108 см2 1 л = 1 дм3 = 10−3 м3 = 103 см3 1 П = 1 динс/см2 1 Ст = 1 см2/с Ускорение свободного падения 𝑔 (напряженность гравитационного поля вблизи поверхности Земли) принимается в простых технических расчётах
равным 𝑔З 9,81 м с2 ⁄ . В специально оговорённых случаях значение 𝑔 выбирают с повышенной точностью по таблицам, составленным для многих точек земной поверхности (например, в Красноярске 𝑔Краснояр = 9,8150 м с2 ⁄ , в среднем по экватору gэкв = 9,7803 м/с2 и т.д.) При написании гидравлических формул и уравнений, а также обозначений часто применяют буквы греческого алфавита, названия которых приведены в таблице ниже. Буква Название буквы Буква Название буквы Буква Название буквы Буква Название буквы α альфа θ тэта ρ ро Γ гамма β бета κ каппа σ сигма Δ дельта γ гамма λ лямбда τ тау Λ лямбда δ дельта μ мю φ фи Σ сигма ε эпсилон ν ню χ хи Φ фи ζ дзета ξ кси ψ пси Ψ пси η эта π пи ω омега Ω омега В целях экономии времени курсантов (студентов, слушателей) в пособии приведен минимально необходимый теоретический, справочный и нормативный материал для решения задач. Ответы на все задачи размещены непосредственно под условием задачи, что сокращает время на их отыскивание и позволяет курсантам (студентам) оценить правильность его численного решения. Уважаемые курсанты, студенты и слушатели! Вы работаете с пособием, которое призвано помочь вам в изучении дисциплины «Гидравлика и противопожарное водоснабжение» и в выполнении контрольных работ. Часть 1 этого курса – «Гидравлика (практическая)» знакомит с законами, а также условиями равновесия и движения жидкостей, со способами применения этих законов для решения практических задач в пожарном деле. Законы гидравлики на практике применяются в тех случаях, когда используется неподвижная или движущаяся жидкость. Законы гидравлики – основа расчетов во многих ситуациях, связанных с пожарным делом.
Основная учебная цель при изучении гидравлики в СПСА – научиться решать задачи, связанные с расчетом и использованием гидравлических систем и устройств в пожарной технике. Чтобы научиться решать гидравлические задачи, вам необходимо: Глубоко изучить и понять основы технической гидравлики: сущность таких понятий, как физические свойства жидкости, давление в жидкости, сила давления жидкости на поверхность, энергия, расход, средняя скорость, напор и др. Знать и понимать законы практической гидромеханики, определяющие условия равновесия жидкости и твердого тела в жидкости. Знать и понимать фундаментальные законы сохранения массы и энергии. Решать гидравлические задачи формально (по аналогии), используя некий набор стандартных формул, без ясного понимания СМЫСЛА того, над чем вы работаете – самое неблагодарное и недостойное занятие, пустая трата времени. Поэтому предлагается решать задачи не только в краткой, но и в полной (девятишаговой) форме, предполагающей, кроме всего прочего, обязательное создание «графического образа» задачи в виде эскиза и расчетной схемы), решение задачи в общем виде и «тройное» тестирование его (решения) на размерность; на предельные переходы (физический смысл); на экспериментальную проверку (или её моделирование), что позволяет максимально глубоко проникнуть в содержание решаемой задачи и фактически доказать правильность полученного решения, обрести уверенность в качестве проделанной работы.
ВНИМАНИЕ! При подготовке к практическим занятиям и перед выполнением контрольных работ по гидравлике НЕОБХОДИМО изучить предложенную в данном учебном пособии методику решения стандартных задач. Кроме того, в помощь обучающемуся рекомендуем следующие учебники и учебные пособия, разработанные для пожарно-спасательного дела сотрудниками МЧС России: 1. Абросимов Ю.Г. Гидравлика: Учебник.М.: Академия ГПС МЧС России, 2005. 312 с. 2. Абросимов Ю.Г., Иванов А.И., Качалов А.А., Кирюханцев Е.Е., Мышак Ю.А., Пименов А.А. Гидравлика и противопожарное водоснабжение: Учебник.М.: Академия ГПС МЧС России, 2003. 392 с. 3. Качалов А.А., Кузнецова А.Е., Богданова Н.В. Противопожарное водоснабжение: Учебное пособие для пожарно-техн. училищ. — М.: Стройиздат, 1975. — 272 с. 4. Лобачев В.Г. Противопожарное водоснабжение: Учебное пособие для пожарно-технических учебных заведений. — М.; Л.: Издательство министерства коммунального хозяйства РСФСР, 1950. — 347 с. 5. Малый В.П., Масаев В.Н. Практикум по гидравлике: Учебное пособие. Железногорск: ФГБОУ ВО СПСА ГПС МЧС России, 2017. 121 с. 6. Малый В.П., Масаев В.Н., Минкин А.В. Противопожарное водоснабжение. Наружный противопожарный водопровод: Учебное пособие. Железногорск: ФГБОУ ВО СПСА ГПС МЧС России, 2017. 133 с.
1 ГЛАВА 1. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЖИДКОСТЕЙ 1.1 Краткая сводка теоретических, справочных и нормативных сведений 1.1.1 Жидкости. Основные понятия. Два типа жидких сред Жидкую среду можно охарактеризовать как вещество, не оказывающее сопротивления касательной силе, то есть силе, действующей параллельно границе поверхности жидкости [6]. 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 (капельные) жидкости и сжимаемые (некапельные газы) жидкости. 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. В пожарном деле приходится иметь дело как со сжимаемыми (прежде всего, это баллоны для газового пожаротушения (фото слева), а также дыхательные аппараты для пожарных (фото справа), так и с несжимаемыми жидкостями (прежде всего, вода − в противопожарном водоснабжении) Прежде чем приступить к изучению несжимаемых жидких сред, рассмотрим свойства газов.