Гидравлика

ВЫСШЕЕ ОБРАЗОВАНИЕ - БАКАЛАВРИАТ

серия основана в 1 996 г.






С.Ф. ВОЛЬВАК





                ГИДРАВЛИКА




УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ









Рекомендовано Межрегиональным учебно-методическим советом профессионального образования в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки 35.03.06 «Агроинженерия» (квалификация (степень) «бакалавр») (протокол № 5 от 16.03.2020)



znanium.com


Москва
ИНФРА-М



2023

УДК [532+631.3](075.8)
ББК 30.123:40.72я73

     В71



     Рецензент:
        Бондарев А.В., кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой технического сервиса в АПК ФГБОУ ВО «Белгородский государственный аграрный университет имени В.Я. Горина»





      Вольвак С.Ф.
В71 Гидравлика : учебное пособие / С.Ф. Вольвак. — Москва :

       ИНФРА-М, 2023. — 438 с. — (Высшее образование: Бакалавриат). — DOI 10.12737/1045063.
         ISBN 978-5-16-015659-0 (print)
         ISBN 978-5-16-108683-4 (online)

         Учебное пособие соответствует программе дисциплины «Гидравлика» и состоит из двух частей: «Гидравлика и гидравлические машины» и «Гидромеханизация сельскохозяйственных процессов».
         Рассмотрены общие вопросы теории гидравлики, устройство и работа гидравлических машин, вентиляторов, компрессоров и других средств гидромеханизации сельскохозяйственных процессов, изложены сведения о гидроприводе, даны основы гидромелиорации, механизированного орошения и сельскохозяйственного водоснабжения, сведения о гидропневмотранспорте в сельском хозяйстве.
         Для обучающихся всех форм обучения по направлению подготовки 35.03.06 «Агроинженерия», а также для аспирантов, преподавателей и инженерно-технических работников агропромышленного комплекса.

УДК [532+631.3](075.8)
ББК 30.123:40.72я73


ISBN 978-5-16-015659-0 (print)
ISBN 978-5-16-108683-4 (online)

© Вольвак С.Ф., 2018, 2021

ПРЕДИСЛОВИЕ






   Учебное пособие «Гидравлика» предназначается для обучающихся по направлению подготовки 35.03.06 «Агроинженерия». Состоит из двух частей -«Гидравлика и гидравлические машины» и «Гидромеханизация сельскохозяйственных процессов».
   Гидравлика - дисциплина, изучающая основные законы равновесия и движения жидкости и методы применения этих законов к решению различных технических задач.
   Цель дисциплины - получение студентами теоретических знаний и практических навыков в области гидравлики и овладение методами решения практических задач гидромеханизации сельскохозяйственных процессов.
   Задачи дисциплины:
-  изучение основных законов равновесия и движения жидкостей;
-  обучение основам теории гидравлических машин и систем;
-  обучение основам гидромеханизации сельскохозяйственных процессов;
-  овладение основными методами гидромеханических расчётов для решения инженерных задач.
   Образовательными результатами освоения дисциплины, соответствующими формируемым компетенциям, являются способности к использованию основных законов гидравлики в профессиональной деятельности и решению инженерных задач с использованием основных законов гидравлики. Обучающийся будет:
   знать
-  основные физические свойства жидкостей;
-  основные уравнения и законы гидростатики, гидродинамики и теории гидравлических машин и систем;
-  основы гидромеханизации сельскохозяйственных процессов;
-  устройство, принцип действия и методы рациональной эксплуатации гидравлических машин и устройств;
-  основные принципы построения, элементы конструкции и методы эксплуатации систем гидропривода, гидромелиорации, сельскохозяйственного водоснабжения и гидропневмотранспорта;
   уметь
-  использовать приборы для измерения давления;
-  определять режимы движения и потери напора в напорных трубопроводах;
-  проводить гидромеханические эксперименты в лабораторных условиях и обрабатывать их результаты;
-  использовать основные уравнения и законы гидравлики для решения практических задач различного типа;



3

   владеть
-  основными методами наблюдения, эксперимента и расчёта жидких потоков и параметров гидравлических машин и систем;
-  навыками по исследованию основных параметров гидравлических машин и систем и применению основных законов гидравлики для решения инженерных задач.

Часть 1.

ГИДРАВЛИКА И ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ МАШИНЫ

ГИДРОСТАТИКА

      1.1       Определение предмета и краткая история развития гидравлики

      Инженерам сельскохозяйственного производства в своей производственной практике приходится сталкиваться с использованием воды и других жидкостей в технологических процессах производства и переработки сельскохозяйственной продукции.
      Гидравлика (греч. hydor — вода и aulos - трубка) - техническая механика жидкости - общетехническая дисциплина, изучающая законы равновесия и движения жидкости и методы применения этих законов к решению различных технических задач. Гидравлика является одной из технических наук, составляющих фундамент инженерных знаний.
      Гидравлика - одна из самых древних наук в мире. Человек с первых шагов своего исторического развития ещё задолго до нашей эры, был вынужден практически заниматься решением различных гидравлических задач. Человечество с древнейших времён занимали законы движения жидкости и вопросы использования её энергии. Реки, каналы, трубопроводы, гидравлические машины и приводы, летательные аппараты, электростанции -такие различные объекты являются сферой приложения законов гидравлики.
      Гидравлика - это отрасль знаний, которая характеризуется синтезом теоретических и экспериментальных методов и тесной связью теоретических исследований с решением практических задач. Подобно механике твёрдого тела гидравлику можно разделить на три части: в статике изучаются законы равновесия жидкостей; в кинематике - связи между геометрическими характеристиками движения и временем (скорости и ускорения); в динамике -законы движения жидкостей с учётом действующих сил. Однако исторически сложилось так, что кинематику жидкости присоединяют к динамике. Таким образом, гидравлика делится на гидростатику и гидродинамику.
      Гидравлика, опираясь на такие науки, как высшая математика, физика, теоретическая механика, сопротивление материалов, материаловедение, в свою очередь, служит базой для расчёта и проектирования разнообразных гидротехнических сооружений, трубопроводов для подачи различных жидкостей, гидравлических машин и устройств.
      Быстрый рост техники привели к интенсивному развитию гидравлики. Почти во всех областях техники применяются гидравлические устройства, основанные на использовании законов гидравлики.
      Практическое значение гидравлики возрастает в связи с потребностями современной техники в создании высокопроизводительных средств механизации и автоматизации на основе гидропривода, гидропневмотранспорта, решением вопросов водоснабжения и водоотведения, орошения и осушения сельскохозяйственных угодий, использования воды как технического средства для водного транспорта, использования других жидкостей в гидравлических машинах, выработки и передачи энергии на

6

расстояния. Особое значение имеют вопросы инженерного использования и охраны водных ресурсов. Значимость этих вопросов для инженеров сельскохозяйственного производства становится особо понятной, если учесть, что две трети всего объёма воды, потребляемой народным хозяйством страны, приходится на сельское хозяйство.
      Целью преподавания дисциплины является получение теоретических знаний и практических навыков в области гидравлики и овладение методами решения задач гидромеханизации сельскохозяйственных процессов.
      История развития гидравлики, в частности теорий и вопросов, связанных с движением воды, берет своё начало в глубокой древности. Ещё древние вавилоняне, египтяне и индусы считали воду началом всех начал и затрачивали огромные усилия, чтобы получить воду.
      Результаты археологических исследований показывают, что ещё за 5000 лет до нашей эры в Китае, а затем и в некоторых других странах древнего мира уже существовали оросительные каналы и были известны некоторые простейшие гидравлические устройства. Построенные в доантичный период водопроводы в Древних Афинах и Риме, каналы в долинах Нила, Тигра и Евфрата, плотины в Индии до сих пор поражают своей грандиозностью. Но эти сооружения, видимо, строились на основе опыта, передававшегося из поколения в поколение, и гидравлика являлась ремеслом без каких-либо научных обобщений.
      Одним из первых научных трудов по гидравлике считается трактат Архимеда «О плавающих телах» (287-212 гг. до н. э.), в котором был впервые сформулирован гидравлический закон о равновесии тела, погруженного в жидкость.
      Хронологически за работами античных учёных следуют экспериментальные и теоретические работы Леонардо да Винчи (1452— 1519 гг.). Трактат «О движении и измерении воды» и другие труды посвящены принципам работы гидравлического пресса, образованию водоворотных областей, отражению и интерференции волн, истечению жидкости через отверстия и водосливы, механизму движения воды в реках и каналах.
      Нидерландский математик-инженер Симон Стевин (1548-1620 гг.) в книге «Начала гидростатики» (1585 гг.) определил величину гидростатического давления на плоскую фигуру и объяснил «гидростатический парадокс».
      Великий итальянский физик, механик и астроном Галилео Галилей (1564— 1642 гг.) в трактате «Рассуждения о телах, пребывающих в воде, и о тех, которые в ней движутся» (1612 гг.) показал, что гидравлические сопротивления возрастают с увеличением скорости и с возрастанием плотности жидкой среды. К числу первых научных сочинений о движении жидкости относятся труды итальянских учёных, учеников Галилея - Кастелли и Торричелли.
      Бенедетто Кастелли (1577-1644 гг.) - преподаватель математики в Риме и Пизе — в ясной форме изложил принцип неразрывности потока воды. Выдающийся математик и физик Эванджелист Торричелли (1608-1647 гг.) впервые провёл опытные исследования движения жидкости, в результате которых первым предложил формулу для расчёта скорости истечения жидкости

7

из отверстий. Формулы расхода и скорости истечения из отверстий, полученные Б. Кастелли и Э. Торричелли, принадлежат к основным формулам современной гидравлики и имеют весьма важное практическое значение.
      Выдающийся французский математик и физик Блез Паскаль (16231662 гг.) открыл закон о передаче давления внутри жидкости, на котором основано устройство гидравлических прессов, домкратов и других гидравлических машин. Он окончательно решил и обосновал вопрос о вакууме.
      Гениальный английский физик, механик, астроном и математик Исаак Ньютон (1643-1727 гг.) сформулировал гипотезу о внутреннем трении в жидкости и установил закон динамического подобия движущихся потоков, широко применяющийся в настоящее время при гидравлических исследованиях в лабораториях.
      Перечисленные выше работы крупнейших учёных касались только отдельных разделов гидравлики. Теоретические основы гидравлики начали интенсивно развиваться в середине XVIII века, когда были сформулированы основополагающие законы физики и общей механики и разработан соответствующий математический аппарат, позволяющий достаточно точно и кратко выражать соответствующие зависимости механики. Формирование гидравлики как самостоятельной науки стало возможным после работ, выполненных в Российской академии наук гениальным учёным Михаилом Васильевичем Ломоносовым (1711-1765 гг.), Даниилом Бернулли (1700— 1782 гг.) и Леонардом Эйлером (1707-1783 гг.).
      Бернулли Д. (1738 г.) в выдающемся труде «Гидродинамика» теоретически вывел общий закон установившегося движения жидкости, известный под названием уравнения Бернулли.
      Эйлер Л. (1755 г.) в сочинении «Общие принципы движения жидкости» составил известные дифференциальные уравнения движения и относительного равновесия жидкости и таким образом создал классическую гидромеханику.
      Ломоносов М. В. (1760 г.) в классическом труде «Рассуждения о твёрдости и жидкости тела» сформулировал закон сохранения вещества и энергии, создал теоретическую базу для развития гидродинамики.
      Перечисленные теоретические работы положили начало бурному развитию гидравлики, что, в свою очередь, привело к необходимости изыскания эмпирических расчётных формул, устанавливающих связь между скоростью движения жидкости и сопротивлениями, возникающими при её движении, а также формул для определения коэффициентов, учитывающих вязкость реальной жидкости.
      Наиболее употребляемые формулы были получены: английским профессором Рейнольдсом О. (1883 г.) для ламинарного и турбулентного режимов движения жидкости; французским гидравликом А. Шези (1775 г.) для расчёта каналов; французским инженером А. Дарси (1849 г. ) для расчёта трубопроводов; немецким гидравликом Ю. Вейсбахом (1854 г.) для определения местных потерь напора; русским профессором Петровым Н. П. (1882 г.) для внутреннего трения в жидкости; английским гидравликом Маннингом Р. (1890 г.) и русским академиком Павловским Н. Н. (1925 г.) для

8

определения коэффициента к формуле Шези и многими другими исследователями.
     Первыми книгами по гидравлике, изданными на русском языке, считаются «Карманная книжка для вычисления количества воды, протекающей через трубы, отверстия» Колмакова А. (1791 г.) и учебное пособие по гидравлике «Основания практической гидравлики или о движении воды в различных случаях» Мельникова П. П. (1836 г.).
     Большой вклад в развитие гидравлики внесли русские учёные и инженеры: Петров Н. П. (1836-1920 гг.) установил закон внутреннего трения жидкости, ставший основой гидродинамической теории смазки и теории гидродинамического трения в машинах; Жуковский Н. Е. (1847-1921 гг.) создал теорию гидравлического удара; Громека И. С. (1851-1889 гг.) разработал теорию капиллярных явлений и заложил основы винтовых потоков; Менделеев Д. И. (1843-1907 гг.) сделал важные выводы о наличии двух режимов движения жидкости (ламинарного и турбулентного); Вернадский Н. М. (1882-1935 гг.) связал определение тепловых потерь с полем скоростей в прудах-охладителях и предложил важную модель «планового потока»; Павловский Н. Н. (1886-1937 гг.) создал математическую теорию фильтрации воды в грунтах и первый в России «Гидравлический справочник»; Бахметев Б. А. (1880-1951 гг.) решил в общем виде задачу об интегрировании дифференциального уравнения неравномерного движения в призматических руслах; Великанов М.А. (1879-1964 гг.) исследовал теорию турбулентности и русловые деформации, предложил гравитационную теорию движения взвешенных наносов; Христианович С.А. (1908-2000 гг.) предложил метод интегрирования уравнений неустановившегося движения жидкости в каналах.
     В последующем можно назвать много известных имён учёных: Агроскин И.И., Ахутин А.П., Альтшуль А.Д., Богомолов А.И., Большаков В.А., Избаш С.В., Киселев П.Г., Колмогоров А.Н.; Макавеев В.М., Михайлов К.А., Мостков М.А., Некрасов Б.Б., Скиба М.М., Слисский С.М., Чертоусов М.Д., Чугаев Р.Р., Штеренлихт Д.В., Юфин А.П. и др.
     В последние десятилетия развитие гидравлики неразрывно связано с использованием компьютерных технологий, с применением численных методов гидравлических расчётов и моделирования гидравлических явлений.

     1.2       Основные физические свойства жидкостей

     Жидкость - это физическое тело, обладающее лёгкой подвижностью частиц, текучестью и способное изменять свою форму под воздействием внешней силы.
     В природе различают четыре агрегатных состояния вещества: твёрдое, жидкое, газообразное и плазменное. Жидкость занимает промежуточное положение между твёрдыми телами и газами. Свойства жидкостей при низкой температуре и высоком давлении ближе к свойствам твёрдых тел, а при высокой температуре и низком давлении - к свойствам газов.


9

      Жидкость, как и всякое жидкое тело, имеет молекулярное строение, т. е. состоит из молекул, объем пустот между которыми намного превосходит объем самих молекул. Причём в жидкостях и твёрдых телах объем пустот между молекулами меньше, а межмолекулярные силы больше, чем в газах. Поэтому жидкости и твёрдые тела малосжимаемы по сравнению с газами.
      Жидкости разделяются на сжимаемые (газообразные) и несжимаемые или весьма малосжимаемые (капельные). Газообразные жидкости - воздух и все другие газы, которые при обычных условиях капель не образуют. Капельные жидкости - вода, нефть, бензин, ртуть и др., образуют капли. Несмотря на это, различные законы движения капельных жидкостей и газов при некоторых условиях можно считать одинаковыми.
      Для облегчения изучения законов движения жидкости введено понятие «идеальные и реальные жидкости».
      Идеальная жидкость - такая воображаемая жидкость, которая абсолютно подвижна, несжимаема и не обладает вязкостью (т.е. при движении в ней не возникают силы внутреннего трения).
      Реальная жидкость - вязкая жидкость, обладающая сжимаемостью, сопротивлением растягивающим и сдвигающим усилиям и достаточной подвижностью, т. е. наличием сил трения и касательных напряжений.
      Реальные жидкости могут быть ньютоновские и неньютоновские (бингемовские). В ньютоновских жидкостях при движении жидкости между отдельными её частицами возникают касательные напряжения (внутреннего трения), которые пропорциональны относительной скорости сдвига смежных слоёв. При относительном покое эти напряжения равны нулю. Такая закономерность была установлена Ньютоном в 1686 году, поэтому эти жидкости (вода, масло, бензин, керосин, глицерин и др.) называют ньютоновскими жидкостями.
      Неньютоновские жидкости не обладают большой подвижностью и отличаются от ньютоновских жидкостей наличием касательных напряжений (внутреннего трения) в состоянии покоя. Причём величина их зависит от вида жидкости. Эта особенность была подмечена Ф. Н. Шведовым (1889 г.), а затем Бингемом (1916 г.), поэтому такие жидкости (битум, гидросмеси, глинистый раствор, коллоиды, нефтепродукты при температуре близкой к температуре застывания) называются бингемовскими.
      Силы, действующие в жидкости, принято делить на внутренние и внешние. Внутренние силы представляют собой силы взаимодействия частиц жидкости, внешние силы делятся на силы поверхностные и объёмные.
      Поверхностные силы обусловлены взаимодействием рассматриваемого объёма жидкости с окружающими его телами и приложены к поверхностям, ограничивающим этот объем. Если жидкость налита в сосуд - это силы реакции стенок сосуда; если рассматривается объем, мысленно выделенный из общей массы жидкости - это силы, действующие на него со стороны «отброшенной» жидкости. Во всех случаях эти силы (силы сжатия, давления, растяжения, трения) распределены по поверхности выделенного объёма и определяются площадью поверхности, на которую они действуют.

10