В.В. Бородкин А.И. Болдырев

О.В. Козлова

ГИДРАВЛИКА

(механика жидкости и газа)

Учебное пособие

Воронеж 2009

ГОУВПО «Воронежский государственный

технический университет»

В.В. Бородкин А.И. Болдырев

О.В. Козлова

ГИДРАВЛИКА

(механика жидкости и газа)

Утверждено Редакционно-издательским советом

университета в качестве учебного пособия

В оронеж 2009

УДК 532.5 (075.8)

Бородкин В.В. Гидравлика (механика жидкости и газа): учеб. пособие / В.В. Бородкин, А.И. Болдырев, О.В. Козлова. Воронеж: ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2009. - 255 с.

В учебном пособии на основании общих законов и уравнений статики и динамики, рассматриваются основные закономерности гидравлики и их приложение к решению практических задач.

Издание соответствует требованиям Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению 151000 «Конструкторско-технологическое обеспечение автоматизированных машиностроительных производств», специальности 151001 «Технология машиностроения», дисциплине «Гидравлика».

Пособие предназначено для студентов всех форм обучения и может быть полезно аспирантам и специалистам в области гидравлики (механики жидкости и газа).

Учебное пособие подготовлено в электронном виде в текстовом редакторе MS Word XP и содержится в файле ГИДРАВЛИКА.doc.

Табл. 1. Ил. 68. Библиогр.: 11 назв.

Научный редактор канд. техн. наук, проф. В.В. Бородкин

Рецензенты: кафедра автоматизации производственных

процессов ВГЛТА (зав. кафедрой д-р техн. наук,

проф. В.С. Петровский);

д-р техн. наук, проф. И.А. Чечета

© Бородкин В.В., Болдырев А.И., Козлова О.В., 2009

© Оформление. ГОУ ВПО «Воронежский

государственный технический университет», 2009

Введение

Законы движения жидкостей и газов изучаются в механике жидкостей и газов, или по общепринятой терминологии - гидромеханике. Историческое развитие механики жидкостей шло двумя различными путями. Первый путь - теоретический, путь точного математического анализа, основанного на законах механики. Он привел к созданию теоретической гидромеханики, которая долгое время являлась самостоятельной дисциплиной, непосредственно не связанной с экспериментом. Метод теоретической гидромеханики является весьма эффективным средством научного исследования. Однако на пути чисто теоретического исследования движения жидкости встречается множество трудностей, и методы теоретической гидромеханики не всегда дают ответы на вопросы, выдвигаемые практикой.

Второй путь - путь широкого привлечения эксперимента и накопления опытных данных для использования их в инженерной практике - привел к созданию гидравлики; он возник из насущных задач практической, инженерной деятельности людей. В начальный период своего развития гидравлика была наукой чисто эмпирической. В настоящее же время в ней, где это возможно и целесообразно, все больше применяют методы теоретической гидромеханики для решения отдельных задач, а теоретическая гидромеханика все чаще начинает прибегать к эксперименту как к критерию достоверности своих выводов. Таким образом, различие в методах этих двух направлений одной и той же науки постепенно исчезает.

Интенсификация технологических процессов невозможна без знания законов движения жидкостей и газов, без знания процессов перемешивания в потоках. Поэтому в последние годы гидравлика и гидродинамика получают все более широкое применение в нетрадиционных комбинированных методах обработки, при реализации различных металлургических процессов, при усовершенствовании различных машин. Почти во всех машинах имеются элементы, в которых происходит движение жидкостей или газов. В одних - потоки жидких или газообразных сред связаны с выполнением основного назначения машин, в других они лишь обеспечивают условия ее нормальной работы.

В связи с этим государственным образовательным стандартом (ГОС) высшего профессионального образования (рег. номер 513 тех/дс от 28.02.2001 г.) по направлению подготовки дипломированного специалиста 151000 «Конструкторско- технологическое обеспечение автоматизированных машиностроительных производств», утвержденному приказом Министерства образования Российской Федерации от 08 ноября 2000 г. № 3200, в качестве дисциплины федерального компонента по циклу общепрофессиональных дисциплин определена «Гидравлика» (ОПД. Ф.02.05), обязательный минимум содержания которой уже включает в себя не только основные разделы собственно гидравлики, но также и отдельные главы технической гидромеханики.

В настоящем учебном пособии кроме общих законов и уравнений статики и динамики жидкостей и газов, полученных в результате физического и математического анализов модели движения сплошной среды, рассматривается и традиционная модель движения идеальной (невязкой) жидкости, а также сформулированные на ее базе основные закономерности гидравлики и их приложение к решению практических задач.

Учебное пособие предназначено для преподавателей и студентов всех форм обучения инженеров по направлению подготовки дипломированного специалиста 151000 «Конструкторско-технологическое обеспечение автоматизированных машиностроительных производств», осуществляемого в Воронежском государственном техническом университете.

1. Вводные сведения

1.1. Предмет механики жидкости и газа

Механика, являясь частью физики, рассматривает три состояния тел: твердое, жидкое и газообразное. Жидкости и газы, являющиеся объектом изучения в гидромеханике, обладают двумя основными свойствами: сплошностью и легкой подвижностью, или текучестью. Первое свойство присуще не только жидкостям и газам, но и твердым телам, в то время как легкая подвижность, или текучесть, свойственна лишь жидкостям и газам.

Из физики известно, что все тела состоят из постоянно движущихся молекул, что молекулы при своем движении взаимодействуют между собой. Механика не занимается изучением движения отдельных молекул и считает, что в жидкостях и газах все пространство непрерывно занято веществом. Для газов, у которых длина свободного пробега молекул существенно зависит от температуры и давления, условия сплошности выражаются в том, что линейные характерные размеры области течений велики по сравнению с длиной свободного пробега молекул. Из этих же условий определяется понятие элементарного объема жидкости или газа. Линейные размеры элементарного объема должны быть достаточно большими по сравнению с длиной свободного пробега молекул газа или амплитудой колебательного движения молекул жидкости и достаточно малыми по сравнению с линейными размерами, характеризующими движение. Следовательно, сплошность определяется не абсолютным состоянием жидкости и газа, а отношением параметров среды (длина свободного пробега для газов и амплитуда колебания молекул для жидкости) к линейным размерам, характеризующим потоки.

В твердых телах для смещения одного слоя относительно другого требуется приложить некоторую конечную силу, которая согласно закону Гука пропорциональна деформации. В случае же жидкостей или газов соответствующая сила пропорциональна относительной скорости деформации. Это свойство называется легкой подвижностью, или текучестью.

Этим объясняется тот факт, что движение жидкости в трубопроводе должно начинаться уже при сколь угодно малой разности давлений. Жидкости, обладающие таким свойством, называются ньютоновскими жидкостями. Заметим, что существуют и неньютоновские жидкости (коллоидные растворы, битум и др.), не обладающие такими свойствами; они так же, как и сыпучие тела (песок, зерно и пр.), изучаются в науке о текучести вещества, называемой реологией.

В жидкостях и газах, обычно изучаемых в гидродинамике, сухого трения нет, поэтому любая сколь угодно малая касательная сила вызовет смещения одного слоя относительно другого. Имея очень малое сопротивление касательным силам, газы и особенно жидкости оказывают значительное сопротивление деформации всестороннего сжатия.

Механика жидкостей и газов так же, как и механика, делится на кинематику, динамику и статику. Часть гидромеханики, изучающая геометрические свойства движения в зависимости от времени и не касающаяся причин, вызывающих движение, называется кинематикой жидкостей. Часть механики, занимающаяся изучением движения жидкостей в зависимости от действующих сил, называется динамикой. Динамика жидкости устанавливает общие законы движения. Частным случаем движения является равновесие жидкости. Часть механики, изучающая условия равновесия, называется гидростатикой.

Науку о законах равновесия и движения жидкостей и о способах приложения этих законов к решению практических задач называют гидравликой. В гидравлике рассматривают, главным образом, потоки жидкости, ограниченные и направленные твердыми стенками. Таким образом, можно сказать, что в гидравлике изучают в основном внутренние течения жидкостей и решают так называемую внутреннюю задачу в отличие от внешней, связанной с внешним обтеканием тел сплошной средой, которое имеет место при движении твердого тела в жидкости или газе (воздухе).

Метод, используемый в современной гидравлике при исследовании движения, заключается в следующем. Исследуемые явления сначала упрощают и к ним применяют законы теоретической механики. Затем полученные результаты сравнивают с данными опытов, выясняют степень расхождения, уточняют и исправляют теоретические выводы и формулы для приспособления их к практическому использованию. Целый ряд явлений, крайне трудно поддающихся теоретическому анализу из-за сложности, исследуют экспериментальным путем, а результаты представляют в виде эмпирических формул.

Гидравлика дает методы расчета и проектирования разнообразных гидравлических устройств, применяемых во многих областях техники. Особенно велико значение гидравлики в машиностроении, где приходится иметь дело с закрытыми руслами (например, трубами) и напорными течениями в них, т.е. с потоками без свободной поверхности и с давлением, отличным от атмосферного. Гидросистемы, состоящие из насосов, трубопроводов, различных гидроагрегатов широко используют в машиностроении в качестве силовых, технологических систем, систем жидкостного охлаждения, топливоподачи, смазочных, и др.

1.2. Краткие исторические сведения о развитии науки

Гидравлика как самостоятельная наука возникла в ХУШ веке. Ее начало было положено трудами академиков Российской Академии наук М.В. Ломоносовым (1711-1765), Леонардом Эйлером (1707-1783), Даниилом Бернулли (1700-1782). М.В. Ломоносов впервые сформулировал всеобщий закон сохранения материи и энергии, а также провел ряд исследований по вопросам механики жидкости. Л. Эйлер вывел уравнения равновесия и движения жидкости, стал основоположником классической гидромеханики. Д. Бернулли установил связь между составляющими удельной энергии в потоке жидкости и выполнил целый ряд работ по исследованию ее движения. В ХIХ и начале XX века были выполнены фундаментальные исследования, заложившие основы инженерной гидравлики. В этот период теоретические обобщения стали проводиться в тесной связи с экспериментальными данными. Н.П. Петров (1836-1920) опубликовал свои работы по гидродинамической теории смазки, экспериментально подтвердил гипотезу И. Ньютона о касательном напряжении в жидкости. Д.И. Менделеев (1834-1907) впервые предсказал существование двух режимов течения жидкости, которое позднее экспериментально подтвердил английский физик Р.Рейнольдс (1842-1912). Развитию гидравлики как науки в значительной степени способствовали работы Н.Е. Жуковского (1847-1921) и целой группы учеников его школы. Н.Е. Жуковским была разработана теория гидравлического удара, а также проведен ряд исследований в области гидротехники. Наряду с многими зарубежными учеными большой вклад в развитие современной гидравлики внесли русские и советские исследователи.

2. Основные физические свойства жидкостей и газов

2.1. Физическое строение жидкостей и газов

Газы, жидкости и твердые тела имеют различные микроструктуры, вследствие чего различаются между собой и тепловые движения в них. Каждое из этих трех агрегатных состояний вещества можно охарактеризовать отношением порядков величин потенциальной энергии силового взаимодействия между молекулами и кинетической энергии их теплового движения. Это отношение зависит от плотности «упаковки» молекул в данной структуре, т.е. от порядка средних расстояний между молекулами.

Сложность вопроса усугубляется, главным образом, своеобразием законов межмолекулярных сил. Для электрически нейтральных молекул силовое взаимодействие между ними определяется наличием значительного отталкивания при малых расстояниях между молекулами и быстро спадающего притяжения между ними на больших расстояниях. Сообразно этому, в сравнительно плотных молекулярных структурах, соответствующих твердому агрегатному состоянию вещества, потенциальная энергия взаимодействия молекул значительно превосходит кинетическую энергию их теплового движения.

Молекулярная структура в твердом теле определяется сильным взаимодействием между молекулами, приводящим к колебаниям их около неподвижных центров, совпадающих с равновесными положениями молекул под действием силовых полей, образованных системой молекул. Эти неподвижные в пространстве положения равновесия являются устойчивыми. Они могут образовывать правильную, периодическую систему, что соответствует кристаллической решетке, свойственной микроструктуре кристаллических твердых тел, либо хаотически разбросаны в случае аморфного их состояния. В последнем случае из-за потери устойчивости возникает тенденция к переходу аморфной структуры в кристаллическую. Однако продолжительность этого перехода оказывается настолько значительной, что фактически наблюдаются как кристаллические, так и аморфные состояния твёрдых тел. Характерные свойства молекулярной (атомной) структуры твердого тела сохраняются по всей его протяженности, что позволяет говорить о наличии в этой структуре как ближнего, так и дальнего порядков.

Такой упорядоченной структуре, представляющей предельный случай cpеды с сильным взаимодействием образующих ее молекул (атомов), можно противопоставить другой крайний случай - газообразную среду с молекулами, находящимися друг от друга на столь больших расстояниях, что силы взаимного притяжения между ними пренебрежимо малы. В этом случае основное значение приобретает кинетическая энергия теплового движения, которое можно рассматривать как хаотическое движение свободных молекул, сопровождаемое их столкновениями друг с другом. Ни о какой неподвижной молекулярной структуре здесь речи быть не может.