вроде бы (восстановлен)

Федеральное государственное автономное

образовательное учреждение

высшего образования

«СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

__________Хакасский Технический Институт________

институт

_____________________Строительство_____________________

кафедра

РЕФЕРАТ

по _________Водоснабжению и водоотведению_________

наименование дисциплины

_________________Механика жидкости 2______________

тема (вариант)

Преподаватель ________ Л.П.Нагрузова

подпись, дата инициалы, фамилия

Студент __З-34___561408240___ ________ А.В.Гриценко

номер группы, зачетной книжки подпись, дата инициалы, фамилия

Абакан 2016

Оглавление

Введение3

Ключевые слова4

1 Жидкость как жидкое тело4

2 Потери напора при течении вязкой жидкости4

2.1 Истечения через малые отверстия в тонкой стенке при постоянном напоре 9

3 Расход жидкости при истечении через отверстия10

4 Гидравлический удар в трубопроводах13

4.1 Причина гидроудара13

4.2 Защита от гидроудара14

Заключение 15

Список используемых источников16

Приложение А17

Приложение Б22

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

2

РЕФЕРАТ ПО ВОДОСНАБЖЕНИЮ И ВОДООТВЕДЕНИЮ

Разраб.

Гриценко А.В.

Провер.

Нагрузова Л.П.

Т. Контр.

Ф.И.О.

Н. Контр.

Ф.И.О.

Утверд.

Ф.И.О.

Механика жидкости

Лит.

Листов

23

ХТИ филиал СФУ

Реценз.

Ф.И.О.

Масса

Масштаб

1

1 : 1

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

2

РЕФЕРАТ ПО ВОДОСНАБЖЕНИЮ И ВОДООТВЕДЕНИЮ

Разраб.

Гриценко А.В.

Провер.

Нагрузова Л.П.

Т. Контр.

Ф.И.О.

Н. Контр.

Ф.И.О.

Утверд.

Ф.И.О.

Механика жидкости

Лит.

Листов

23

ХТИ филиал СФУ

Реценз.

Ф.И.О.

Масса

Масштаб

1

1 : 1

ВВЕДЕНИЕ

В первую очередь стоит сказать что жидкости, это то с чем мы постоянно сталкиваемся в процессе нашей повседневной жизни (даже первое восприятие окружающего мира для детей сводится к тому, что все вокруг состоит из твердых тел и жидкостей). Мы встречаемся с одними видами жидкостей наблюдаем другие, но при этом каждого из нас иногда посещает мысль о том какими свойствами обладает та или иная жидкость, а зависит ли это от ее структуры или же происходит какое либо изменение в жидкостях под воздействием окружающей среды, а поменяется ли структура жидкости когда она будет находится под каким-то воздействием с которым она не встречалась при нормальных условиях. Да и вообще какие бывают разновидности жидкостей и какова их структура. На эти вопросы ищут ответы ученные в области физики при помощи изучения жидкостей разных видов путем проведения различных опытов, с целью выявления их физических и химических свойств

Ключевые слова

Жидкость, напор, сопротивление, истечение, расчет отверстие, расход жидкости, гидроудар, трубопровод.

1 Жидкость как жидкое тело

Когда мы говорим о жидкости как о сплошной среде, это вовсе не означает, что эта среда бесконечна и безгранична. Жидкое тело всегда имеет границы, это либо твёрдые стенки каналов, либо границы раздела с газообразной средой, либо это граница раздела между различными несмешивающимися жидкостями. Такие границы можно с полным правом называть естественными границами. В некоторых случаях границы могут выделяться условно внутри самой движущейся жидкости. На естественных границах в пограничном слое жидкости между молекулами самой жидкости и молекулами окружающей жидкость среды существуют силы притяжения, которые, в общем случае, могут оказаться не равными. В то же время силы взаимодействия между остальными молекулами жидкости, находящимися внутри объёма, ограниченного пограничным слоем эти силы уравновешены.

2 Потери напора при течении вязкой жидкости

В протяженных трубопроводах становятся существенными потери напора за счет трения жидкости о стенку трубы, приводящие к превращению части механической энергии в теплоту. Эта часть потерь напора называется потерями напора по длине трубы. К потерям напора приводят также повороты, резкие сужения, расширения и другие изменения геометрии трубы, способствующие вихре-образованию, приводящему тоже к превращению части механической энергии жидкости в теплоту. Эти препятствия потоку называются местными сопротивлениями. Потери напора на местных сопротивлениях вычисляются по формуле Вейсбаха 1.5) где С — коэффициент местного сопротивления. Для плавного поворота трубы на 90°, например, f = 1,2-н 1,4. В некоторых случаях площадь поперечного сечения потока до и после местного сопротивления меняется, в результате чего средняя по сечению скорость течения будет тоже различной. Если нет специального замечания, то в формуле (1.5) в качестве v используется скорость течения потока после прохождения им местного сопротивления.

Коэффициенты местного сопротивления получаются в большинстве случаев экспериментальным путем и только для случая внезапного расширения — теоретически по формуле Борда

/(2g),

где — скорости жидкости до и после внезапного расширения сечения трубы.

Расчет поля скорости при ламинарном течении в трубе дал закон Пуазейля для потери напора на трение, распределенное по длине трубы

/(gd2 ) или

где L — длина трубы, d — диаметр, v — кинематический коэффициент вязкости, v— средняя по сечению скорость жидкости, Q — объемный расход.

Закон Пуазейля гласит: при ламинарном течении потери напора пропорциональны коэффициенту вязкости и объемному расходу в первой степени и обратно пропорциональны диаметру в четвертой степени.

Формулу закона Пуазейля можно привести к виду. Потери напора на трение по длине трубы тогда даются формулой Дарси Вейсбаха (ее иногда называют формулой Дарси)

(1.6)

где — коэффициент сопротивления, который характеризует влияние числа Рейнольдса на режим течения

. (1.7)

Отношение L/d представляет собой длину трубы, выраженную в калибрах диаметра. Таким образом комплексу (L/d) в формуле (1.6) соответствует коэффициент местного сопротивления £ в формуле (1.5).

При турбулентном режиме течения потери напора по длине определяют также по формуле Дарси Вейсбаха, но используют коэффициент сопротивления трения Я, полученный экспериментально. Обширные и тщательные измерения коэффициента сопротивления трения провел И. И. Никурадзе. Среди большого числа имеющихся формул следует выделить формулу Блазиуса для гидравлически гладких труб

=0,3164/Re°’25 (Re>2300). (1.8)

Так как коэффициент сопротивления незначительно меняется с изменением величины скорости v: обратно пропорционально v в степени 0,25, при турбулентном течении потери напора на трение согласно формуле (1.6) приблизительно пропорциональны квадрату скорости или квадрату объемного расхода.

Для гидравлически шероховатых труб при турбулентном режиме течения

где -эквивалентная абсолютная шероховатость, измеряемая в тех же единицах, как и диаметр d, чтобы отношение Δ/d было безразмерным. Это формула А. Д. Альтшуля. При больших значениях числа Рейнольдса Re член 68/Re выпадает и величина Я перестает зависеть от числа Re. Тогда закон зависимости потерь напора Ah от скорости v становится квадратичным.

Три приведенные выше формулы (1.7), (1.8), (1.9) дают зависимость коэффициента сопротивления я от числа Рейнольдса Re, представленную на рис. 1.8 в области 1—для ламинарного течения, в области 2 — для турбулентного течения в гладких трубах, в области 3 — для квадратичного режима течения в шероховатых трубах с различной эквивалентной абсолютной шероховатостью А.

В водопроводе коэффициент сопротивления Λ принято рассчитывать по формулам Ф. А. Шевелева для стальных и чугунных труб.

При скорости v˂1,2 м/с Λ=(1,5• 10~4/d+l/Re)0,3; при скорости v > 1,2 м/с Λ=0,21d°’3, где d — диаметр, м.

Формулы получены на основании обобщения большого количества опытных данных, на водопроводных магистралях больших диаметров.

При расчете потерь напора h по длине трубопровода используют также понятие гидравлического уклона представляющего собой величину потерь напора на единице длины трубы

Рис. 1.8. Характер зависимости коэффициента сопротивления от числа Рейнольдса при ламинарном течении 1 и турбулентном течении я гладких 2 и в шероховатых трубах с различной эквивалентной абсолютной шероховатостью 3

Рис. 1.8. Характер зависимости коэффициента сопротивления от числа Рейнольдса при ламинарном течении 1 и турбулентном течении я гладких 2 и в шероховатых трубах с различной эквивалентной абсолютной шероховатостью 3

, где L — длина трубы, на которой происходит потеря напора Δh.

Движение жидкости в каналах с открытой свободной поверхностью, имеющих геометрический уклон дна /д, происходит в безнапорном режиме, так как поверхность потока непрерывно соприкасается с атмосферой. В конце XVIII в. французским гидравликом Шези (Chezy) была установлена формула для расчета скорости течения в реках и каналах

и

объемного расхода воды 5, где w — площадь живого сечения потока, R — гидравлический радиус, R=ω/x, X — смоченный периметр живого сечения потока, С — коэффициент Шези. Эти формулы были установлены первоначально для течений с открытой поверхностью воды для так называемых безнапорных течений, а затем были распространены на течения в трубах и каналах с полным заполнением их поперечного сечения без открытой поверхности (напорные течения). В конце XVIII в. полагали, что С является постоянной величиной, равной 50 м0,5/с при измерении линейного размера (в м), а времени (в с) во всех остальных величинах. Дальнейшие обширные экспериментальные исследования, обобщенные Н. Н. Павловским, дали для коэффициента Шези формулу

C=n-1

где у =1/6, п — коэффициент шероховатости берется по данным Гаити лье Куттера и составляет 0,011 для чугунных и железных труб; 0,015 для кирпичной кладки; 0,035 для дна и берегов реки. Анализ формул дал связь коэффициента Шези С с коэффициентом сопротивления Я для течения в трубе

С=(8g/Λ)°-3, где g=9,81 м/с2.

Подставив в эту формулу значение С=50 м0,3/с и разрешив ее относительно X, получим, что Λ=0,0332. В действительности во многих практически важных случаях коэффициент сопротивления Λ, вычисленный по формулам (1.7), (1.8), оказывается находящимся в пределах 0,01 — 0,03.

Поток жидкости или газа, движущийся с большой скоростью, может поднимать и переносить на большое расстояние твердые частицы, обладающие значительно большей плотностью р„, чем жидкость или газ. Проявление этого мы видим в реке, несущей песок в придонных областях течения, в атмосфере при пылевой или снежной буре. Подъем и взвешивание в потоке тяжелых твердых частиц происходит за счет возникновения вихрей и турбулентных пульсаций скорости и давления, имеющих вертикальную составляющую, а также за счет действия подъемной силы на частицы несимметричной формы.

Считается, что твердые частицы могут оказаться во взвешенном состоянии, если скорость вертикальных пульсаций сравнима по величине со скоростью осаждения частиц в спокойной неподвижной среде, вычисляемой по формуле

v=gd2(pn-p)/(l8u),

где p — плотность жидкости или газа, р — коэффициент вязкости.

Было введено понятие критической скорости v^,, при которой твердые частицы диаметра d и плотности рп будут взвешиваться потоком и транспортироваться на большие расстояния. Согласно формуле Смолдырева в потоке воды критическая скорость составляет

vwp=(0,7/1)((pn-p)gdl/p)°-5,

где d — диаметр трубопровода, р — плотность воды, g=9,8 м/с2.

По этому принципу работают земснаряды и установки для гидр о- и пневмотранспорта сыпучих грузов на большие расстояния, канализационные системы.

Важной характеристикой взвесенесущего потока является массовая концентрация в нем твердого вещества с, являющаяся отношением массы твердого вещества, содержащегося в единице объема т„, к массе т всего вещества в этом объеме (включая жидкую фазу и газообразную)

cmtBm. Земснаряды и гидротранспортные установки работают обычно с концентрацией твердого с от 0,05 до 0,50. В канализационной системе концентрация твердых включений составляет около с=0,01.

2.1 Истечение через малые отверстия в тонкой стенке при постоянном напоре

Рассмотрим большой резервуар с жидкостью под давлением Р0, имеющий малое круглое отверстие в стенке на достаточно большой глубине Н0 от свободной поверхности (рис.5.1). Жидкость вытекает в воздушное пространство с давлением Pi. Пусть отверстие имеет форму,

Рис. 5.1. Истечение из резервуара через малое отверстие

Рис. 5.1. Истечение из резервуара через малое отверстие

показанную на рис.5.2, а, т.е. выполнено в виде сверления в тонкой стенке без обработки входной кромки или имеет форму, показанную на рис.5.2, б, т.е. выполнено в толстой стенке, но с заострением входной кромки с внешней стороны. Струя, отрываясь от кромки отверстия, несколько сжимается (рис.5.2, а). Такое сжатие обусловлено движением жидкости от различных направлений, в том числе и от радиального движения по стенке, к осевому движению в струе.

В данном случае, когда боковые стенки и свободная поверхность не влияют на приток жидкости к отверстию, наблюдается совершенное сжатие струи, т.е. наибольшее сжатие в отличие от несовершенного.

Рис (5.2) (а) (б)

3 Расход жидкости при истечении через отверстие

При работе с жидкостью возникает необходимость расчета истечения жидкости из отверстий и щелей, предусмотренных конструкцией аппарата или появившихся при аварии. Для анализа такого течения рассмотрим истечение жидкости из резервуара через малое круглое отверстие, в тонкой стенке в атмосферу или в пространство, заполненное газом или той же жидкостью. Пусть отверстие расположено на достаточно большой глубине Н под уровнем свободной поверхности жидкости и через него жидкость вытекает в воздушное пространство (рис. 1.12, а).

Это классическая задача, которую исследовал еще Ньютон. В этом течении потенциальная энергия жидкости в поле тяготения Земли превращается в кинетическую энергию струи жидкости. Нас интересует величина скорости, которую достигает жидкость и ее объемный расход. Пусть отверстие имеет острую кромку с внутренней стороны. Частицы жидкости втекают в отверстие по плавным траекториям из всего объема резервуара. Никакая линия тока не имеет нулевого радиуса кривизны, потому что жидкость обладает инерционной массой и для очень малого радиуса поворота необходим очень большой перепад давления. Крайние линии тока отрываются от стенок и струя несколько сжимается, получив площадь сечения Sc меньшую, чем площадь отверстия S0. Это отношение площадей называется коэффициентом сжатия струи e=Sc/S0 Анализ уравнения Бернулли дает теоретическое значение для скорости истечения идеальной (невязкой) жидкости в виде уравнения Торичелли v=(2gH)1/2. С учетом потерь механической энергии на трение и вихреобразование скорость истечения оказывается меньше

V=φ(2gH)1'2,

где — коэффициент скорости, φ=0,97 ч-0,98. Объемный расход жидкости, вытекающей из отверстия,

Q = μS0(2gH)1'2,

где ц — коэффициент расхода, который в широком диапазоне значений числа Рейнольдса можно считать равным μ=0,62: μ=φε

Такая же закономерность получается для отверстия, расположенного на боковой вертикальной стенке сосуда (см. рис. 1.12, б). Здесь под величиной Н следует понимать расстояние от свободной поверхности до центра тяжести площади сечения малого отверстия.

В случае больших отверстий, вертикальный размер сечения которых сравним с высотой Н, уже нельзя считать, что напор H остается постоянным для всех точек сечения. Рассмотрим случай прямоугольного отверстия шириной сечения Ь и высотой H, меняющейся от значения H1 до Нг. Элементарный слой жидкости с высотой dh, находящийся ниже свободной поверхности на величину h, будет иметь объемный расход

dQ=μb dh

рис 1.12

Рис. 1.13. Схема течения воды через не затопленный водослив с тонкой стенкой

Рис. 1.13. Схема течения воды через не затопленный водослив с тонкой стенкой

Интегрируя это равенство по h от значения напора H1 до значения H2 получим для объемного расхода через все прямоугольное отверстие Q= (2/3)μb2g [H23'2-H13'2].

Если струя жидкости переливается через вырез в стенке, расположенной перпендикулярно потоку, то такое течение называется водосливом. Одним из наиболее простых является водослив с тонкой стенкой, приведенный на рис. 1.13.

Высота превышения поверхности воды верхней кромки стенки, обозначенная на рис. 1.13 через H, называется статическим напором водослива. Ширину водослива, измеряемую в направлении, перпендикулярном плоскости рисунка, обозначим через Ь. Нижним бьефом называется часть потока, расположенная ниже стенки по течению.

Будем рассматривать водослив с тонкой стенкой, в котором уровень жидкости в нижнем бьефе расположен ниже ребра стенки. Такой водослив называется незатопленным.

Основной величиной, интересующей инженера, является объемный расход жидкости через водослив. Он определяется по теории истечения жидкости из отверстия, если в последней формуле для прямоугольного отверстия положить H1 = 0, H2 = H,

Q = (2/3)μb2gH3'2.

Обозначая через т величину (2/3)д, получим основную зависимость теории водосливов

Q=mb(2g)ll2H312,

где т — коэффициент расхода водослива. Эксперименты дают значения т в пределах 0,42 — 0,50 для течений воды в водосливе метровых размеров.

4 Гидравлический удар в трубопроводах

Называя жидкость несжимаемой или капельной, мы обычно имеем в виду малую ее сжимаемость сравнительно с газами, при изменении давления на 0,1 МПа объем жидкости изменяется всею на сотые доли процента. Есть однако процессы, при которых или изменения объема существенны и ими нельзя пренебрегать. К их числу относится большая группа динамических процессов, связан с распространением волн давления в трубопроводах, в частности, явление гидравлического удара.  Гидравлический удар (гидроудар) в трубопроводе – это мгновенный скачок давления воды в водонапорных трубах, связанный с резким изменением скорости движения потока воды. В зависимости от направления скачка давления гидроудар разделяют на:

1 Положительное давление в трубопроводе возрастает из-за резкого перекрытия трубы или включения насоса;

2 Отрицательный когда давление в трубопроводе падает из-за выключения насоса или открытия заслонки.

Для систем водоснабжения и отопления опасен первый вариант. Слишком большой скачок давления может повредить водопроводные трубы, вызывая продольные трещины и раскол, нарушить герметичность запорной арматуры, вывести из строя водопроводное оборудование (насосы, теплообменники). Поэтому гидравлический удар нужно предотвращать и/или уменьшать его силу.

4.1 Причина гидроудара

В автономной системе водоснабжения загородного дома, когда давление в водопроводе создаётся, например, скважинным насосом, гидроудар возникает при резком прекращении потребления воды, когда перекрывается кран. Поток воды, который двигался к трубопроводу, не может мгновенно остановиться и по инерции «ударяется» в образовавшийся при закрытии крана водопроводный «тупик». Реле давление в этом случае не спасает от гидроудара, а только реагирует на него, отключая насос уже после того, как кран перекрыт и давление превысило максимальное значение. Выключение насоса тоже не происходит мгновенно, так же как и остановка потока воды в трубопроводе.

4.2 Защита от гидроудара

Сила гидроудара зависит от скорости потока воды в трубе до и после перекрытия трубы: чем выше скорость потока, тем сильнее будет удар при его резкой остановке. В свою очередь сама скорость потока зависит от диаметра трубопровода: чем больше диаметр трубы, тем ниже скорость потока воды в ней при одинаковом расходе воды. Таким образом, использование труб большего диаметра ослабляет гидроудар.

Второй способ ослабить силу гидравлического удара – это увеличить время перекрытия трубопровода (или включения насоса). Для постепенного перекрытия трубы можно использовать запорные краны вентильного типа.

Для насосов есть комплекты плавного пуска, которые не только позволяют избежать гидроударов при включении, но и продлевают срок службы самого насоса.

Наконец, третий способ защиты от гидроудара – это использование демпферного устройства – мембранного расширительного бака, который будет «гасить» скачки давления.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Данная мне тема является очень актуальной при проектировании водоснабжения и водоотведения жилых и промышленных зданий и сооружений, правильного подбора сечений труб и отводов а так же защиту от гидравлического удара.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

1 Е.Н. Бухаркин Инженерные сети.

2 http://vmede.org/

3 http://www.studfiles.ru/

ПРИЛОЖЕНИЕ А

Прило

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

1 По какой формуле вычисляется потеря напора при местных сопротивлениях:

а) Фейсбаха

б) Борда

в) Пуазейля

2 Поток жидкости или газа движущийся с большой скоростью может поднимать и переносить на большое расстояние:

а) Частицы меньшей плотность

б) Частицы большей плотности

в) Равной плотности

3 Способом уменьшения или предотвращения гидроудара способствует:

а) Увеличение времени срабатывания задвижки

б) Уменьшение

в) Или не закрывания задвижки

4 Сила гидроудара зависит от:

а) От скорости потока в трубе до перекрытия трубы

б) От скорости потока в трубе до и после перекрытия трубы

в) После перекрытия трубы

5 Коэффициенты местного сопротивления получаются в большинстве случаев:

а) Расчетом

б) Экспериментальным путем

в) Тем и другим

6 В случае внезапного расширения расчет ведется по формуле:

а) Борда

б) Пуазейля

в) И тем и другим

7)Если струю жидкости переливается через вырез в стенке, расположенный перпендикулярно потоку, то такое сечение называется:

а) Водосброс

б) Горизонтальный слив

в) Водослив

8 С учетом потерь механической энергии на трение и вихреобразование скорость истечения оказывается:

а) Больше

б) Меньше

в) Неизменной

ОТВЕТЫ НА ВОПРОСЫ

1

2

3

4

5

6

7

8

а

б

а

б

б

а

в

б

Write a Reply or Comment

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *


TOP