Самостоятельная работа. кузьминский р

Кузьминский Р. А., кандидат военных наук, профессор, зав. кафедрой

Учебно-методический комплекс по дисциплине «ГИДРАВЛИКА»

составлен в соответствии с требованиями Государственного образовательного стандарта высшего специального образования по специальности 270204 «Строительство железных дорог, путь и путевое хозяйство» (С).

Дисциплина входит в федеральный компонент общепрофессиональных дисциплинам и является обязательной для изучения.

Программа составлена в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего специального образования и требованиями к минимуму содержания и уровню подготовки инженера специальностей 270204 «Строительство железных дорог, путь и путевое хозяйство» (С)

Составил: кандидат военных наук, профессор Кузьминский Р.А.

ЦЕЛЬ ИЗУЧЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ

В системе подготовки инженеров строительных специ­альностей «Гидравлика» является одной из основных обще­образовательных дисциплин.

Предметом изучения этого курса служат законы равно­весия и движения жидкости, а также их воздействие на твер­дые поверхности и тела.

Практическое значение данной дисциплины заключается в том, что гидравлика представляет собой основу для инженерных расчетов во многих областях техники. В частности, значе­ние законов гидравлики необходимо для решения многих технических вопросов в области стро­ительного дела: расчета трубопроводов различного назначе­ния, расчета водопровод­ных и канализационных сооружений, расчета мостов и водопропускных труб, расчета понижения уровня грунто­вых вод, определения ветровой на­грузки на здания.

Гидравлика является базой для изучения ряда обще­образовательных и специаль­ных дисциплин, таких, как гидрология и гидротехнические сооружения, водоснабжение, водоотведение, насосы и на­сосные станции, санитарно-техническое оборудование зда­ний, отопление, вентиляция, газоснабжение, теплоснабже­ние.

Достаточные знания в области гидравлики позволят сту­дентам сознательно подойти к изучению указанных вы­ше дисциплин и в значительной степени облегчат их усвое­ние.

Цель изучения дисциплины - развитие способности у сту­дентов самостоятельно решать в будущей инженерной дея­тельности многочисленные вопросы, непосредственно свя­занные с движением и равновесием жидкости.

Теоретическую базу гидравлики составляют физика, высшая математика и теоретическая механика.

ТРЕБОВАНИЯ К УРОВНЮ ОСВОЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ

Изучив дисциплину, студент должен:

Иметь представление: об основных принципах, ис­пользуемых в гидравлике при изучении общих законов рав­новесия и движения жидкостей и газов, а также современ­ных методик применения этих законов и точности гидравлических расчетов при решении инженерных задач, связанных с использованием жидкостей и газов.

Знать и уметь использовать: законы движения жид­костей и газов, физическую сущность явлений, изучаемых гидравликой; формы движения жидкости и уравнения, кото­рыми они описываются.

Иметь опыт:проведения расчетов равномерного и неравномерного движения жидкости и газа; рассчитывать трубопроводы.

ОБЪЕМ ДИСЦИПЛИНЫ И ВИДЫ УЧЕБНОЙ РАБОТЫ

Вид учебной работы	Всего часов
Общая трудоемкость дисциплины
Аудиторные занятия:
Лекции
Лабораторный практикум
Самостоятельная работа
Контрольные работы
Вид итогового контроля:
Зачет
Экзамен

СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

4.1. РАЗДЕЛЫ ДИСЦИПЛИНЫ И ВИДЫ ЗАНЯТИЙ

№ п/п	Раздел дисциплины	Лекции, час	Лабораторный практикум, час
	Введение.
	Раздел 1. ГИДРОСТАТИКА.
	Раздел 2. ГИДРОДИНАМИКА.
	Заключение.

4.2. СОДЕРЖАНИЕ РАЗДЕЛОВ ДИСЦИПЛИНЫ

Введение.

Определение гидравлики как науки и связь ее с другими дисциплинами.

Раздел 1. ГИДРОСТАТИКА.

1.1. Понятия о структуре жидкости. Основные физические свойства жидкости. Поня­тие о вязкой и идеальной (невязкой) жидкостях. Силы, действующие в жидкостях.

1.2. Гидростатическое давление и его свойства.

Абсолютное и избыточное давление. Вакуум. Диффе­ренциальные уравнения равновесия жидкости (уравнения Эйлера). Основное уравнение гидро­статики. Закон Паскаля и его технические приложения. Приборы для измерения давления. Относительное равнове­сие жидкости. Определение давления жидкости при относи­тельном равновесии. Уравнение свободной поверхности.

1.3. Сила давления жидкости на плоские поверхности. Центр давления и определение его координат. Эпюры гидростатического давления и их использование для определе­ния силы и центра давления на плоскую прямоугольную по­верхность. Давление на горизонтальные поверхности. Гид­ростатический парадокс.

1.4. Сила давления жидкости на криволинейные (цилиндрические) поверхности. Тело давления.

1.5. Закон Архимеда. Основы теории плавания тел.

Раздел 2. ГИДРОДИНАМИКА.

2.1. Основные понятия гидродинамики: поток, живое сечение, расход, местная и средняя скорости, смоченный периметр, гидравлический радиус.

Виды движения жидкости: установившееся и неустано­вившееся, равномерное и неравномерное, напорное и безна­порное, плавно изменяющееся и не плавно изменяющееся движение жидкости.

2.2. Условие неразрывности течения. Уравнение нераз­рывности потока жидкости в гидравлической форме (уравнение постоянства расхода).

2.3. Уравнение Бернулли для идеальной несжимаемой жидкости. Полная удельная энергия частицы жидкости, энер­гетический и геометрический смысл всех ее составляющих. Вязкая жидкость. Обобщенная гипотеза Ньютона о связи между напряжениями и скоростями деформации. Уравнения Навье-Стокса. Уравнение Бернулли для струйки вязкой жидкости.

Учет неравномерности распределения осредненных ско­ростей по живому сечению при определении кинетической энергии потока реальной жидкости. Коэффициент кинети­ческой энергии. Его физический смысл.

Уравнение Бернулли для потока жидкости, его геометри­ческая и энергетическая интерпретация. Связь между ско­ростью и гидродинамическим давлением. Полная удельная энергия потока в рассматриваемом сече­нии (полный гидродинамический напор). Энергетический и геометрический смысл составляющих полного напора. Графическое пред­ставление уравнения Бернулли. Пьезометрическая и напор­ная линии. Гидравлический и пьезометрический уклоны. Практическое применение уравнения Бернулли (водомер Вентури, расходомерная шайба).

2.4. Режимы движения жидкостей: ламинарный и турбулент­ный. Смена режимов движения жидкости. Число Рейнольдса. Критическое число Рейнольдса для труб и некруглых поперечных сечений.

2.5. Гидравлические сопротивления. Физическая природа гидравлических сопротивлений и их виды. Гидравлические сопротивления и потери напора при движении жидкости. Зависимость потери напора от режима движения жидкости. Коэффициенты гидравлического трения и местного сопротивления. Формулы Дарси и Вейсбаха для вычисления гидравлических потерь. Зоны сопротивления. Турбулентное ядро потока и ламинарный пристенный слой в турбулентном потоке. Понятие о «глад­ких» и «шероховатых» трубах. Критерий зоны турбулент­ности. Полуэмпирические и эмпирические формулы для оп­ределения коэффициента гидравлического тренияв различных зонах сопротивления. Графическое определение коэффициента Дарси.

Опытные данные о коэффициенте гидравлического трения. Опыты Никурадзе. Ламинарное течение в трубах. Начальный участок ламинарного течения. Формула Пуазейля. Турбулентное течение в трубах. Критическое число Рейнольдса. Элементы полуэмпирической теории турбулентного сопротивления. Гладкостенное течение: распределение скоростей и закон сопротивления. Квадратичный закон сопротивления. Графики Никурадзе и Мурина. Формула Шези. Формулы для определения коэффициента Шези. Связь между коэффициентом Дарсии коэффици­ентом Шези.

Местные гидравлические сопротивления. Основные виды местных сопротивлений. Определение потерь напора в местных сопротивлениях. Общее выражение для местных потерь напора. Зависимость коэффициентов мест­ных сопротивлений от числа Рейнольдса. Потери напора при внезапном расширении. Взаимное влияние местных сопротивлений, длина влияния.

2.6. Движение жидкости в напорных трубопроводах. Понятие о коротких и длинных, простых и сложных трубо­проводах. Основные задачи по расчету простых и длинных трубопрово­дов. Основная фор­мула и таблицы для гидравлического расчета труб. Определение расхода, потери напора, диаметра трубы. Расчет трубопроводов при непрерывных и транзитных рас­ходах жидкости. Теория Н.Е. Жуковского о гидравлическом ударе в трубах и меры борьбы с ним.

2.7. Истечение жидкости из отверстий и насадок. Исте­чение жидкости через малое отверстие в тонкой стенке при постоянном напоре. Скорость и расход жидкости при исте­чении из отверстия.

Коэффициенты скорости, сжатия и расхода и их зависимость от числа Рейнольдса.

Траектория струи. Истечение через затопленное отверстие (под уровень). Истечение жидкости при постоянном напоре через насадки. Внешний илиндрический насадок. Вакуум в насадке. Предельный напор. Увеличение расхода при истечении через внешний цилиндрический насадок по сравнению с малым отверстием в тонкой стенке. Оптимальная длина внешнего цилиндрического насадка. Истечение через насад­ки других типов. Истечение жидкости из большого отверстия в атмосферу и под уровень. Истечение при переменном напоре через отверстия и насадки. Время опорож­нения резервуара.

2.8. Равномерное движение жидкости в открытых руслах.

Уравнение равномерного движения жидкости. Основные формы попереч­ных сечений каналов. Гидравлические элементы поперечных сечений каналов. Основные расчетные формулы.

Ос­новные типы задач по гидравлическому рас­чету каналов. Показа­тельный закон, гидравлический показатель русла. Гидрав­лически наивыгоднейшее сечение канала.

Особенности расчета водоотводных каналов. Гидравличе­ский расчет замк­нутых безнапорных труб.

2.9. Установившееся неравномерное движение жидкости в открытых руслах.

Удельная энергия сечения. График удельной энергии сечения, критическая глубина. Спокойное, бурное и критическое состояние потока. Определение критической глубины и критического укло­на. Число Фруда.

Дифференциальное уравнение установившегося, неравно­мерного, плавно из­меняющегося движения жидкости в призмати­ческом русле и его анализ. Исследо­вание форм свободной поверх­ности жидкости при неравномерном ее движении в открытом призматическом русле. Построение кривых свободной поверхно­сти в призматических руслах по способу Б.А. Бахметева. Гидравлический прыжок. Расчет сопряжения бьефов.

2.10. Основы гидравлического моделирования. Подобие гидравлических явлений. Геометрическое, кинематическое и динамическое подобие. Физические модели. Математичес­кие модели и использование ЭВМ. Критерии гидравлического подобия. Основные правила гидравлического моделирования. Метод анализа размерностей. Принци­пы применения метода анализа размерностей к исследова­нию законов гидравлики. Моделирование напорных трубо­проводов, открытых русел и гидравлических сооружений.

4.3. ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

№ п/п	№ раздела дисциплины	Наименование лабораторных работ
	Раздел 1	1. Измерение гидростатического давления и экспериментальное подтверждение закона паскаля
	Раздел 2	1. Определение опытным путем слагаемых уравнения Д. Бернулли при установившемся неравномерном движении жидкости в напорном трубопроводе. 2. Экспериментальная иллюстрация ламинарного и турбулентного режимов движения жидкости, определение законов сопротивления и критического числа Рейнольдса. 3. Изучение гидравлических сопротивлений напорного трубопровода с определением коэффициентов гидравлического трения и местных сопротивлений. 4. Изучение истечения жидкости через малые отверстия в тонкой стенке и насадки при постоянном напоре в атмосферу. 5. Экспериментальное изучение прямого гидравлического удара в напорном трубопроводе.

4.4. ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ

Не предусмотрено.

САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА

5.1. КОНТРОЛЬНЫЕ РАБОТЫ

Студенты выполняют 2 контрольные работы, которые содержат по семь задач по следующим разделам:

Контрольная работа № 1 «Гидростатика», объемом до 5 часов;

Контрольная работа № 2 «Гидродинамика», объемом до 5 часов;

Для каждой задачи дано десять вариантов исход­ных данных. Номер варианта выбирается по последней циф­ре учебного шифра.

К каждой контрольной работе даются методические указания к решению задач.

5.2. КУРСОВАЯ РАБОТА И КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

Не предусмотрено.

5.3. ПЕРЕЧЕНЬ ТЕМ, КОТОРЫЕ СТУДЕНТ ДОЛЖЕН ПРОРАБОТАТЬ САМОСТОЯТЕЛЬНО

Раздел 1. ГИДРОСТАТИКА.

1.1. Основные физические свойства жидкости.

1.5. Закон Архимеда. Основы теории плавания тел.

Раздел 2. ГИДРОДИНАМИКА.

2.7. Истечение жидкости из отверстий и насадок.

2.10. Основы гидравлического моделирования.

6. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

Основная литература

1. Ухин Б.В., Гусев А.А. Гидравлика: Учебник. – М.: ИНФРА-М, 2008г. – 432с.

Дополнительная литература

1. Железняков Г. В. Гидравлика и гидрология. - М.: Транспорт, 1989.

2. Константинов И.М. и др. Гидравлика, гидрология, гидрометрия:/Учебник для вузов: в 2-х частях. – М.: Высшая школа, 1987.

3. Константинов Н.М., Петров Н.А., Александров В.А. и др.Примеры гидравлических расчетов: Учеб. пособие для вузов – 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Транспорт, 1987.

4. Башта Т.М., Руднев С.С., Некрасов Б.Б. и др. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы – 2-е изд., перераб. – М.: Машиностроение, 1982.

5. Бутаев Д.А., Калмыкова З.А., Подвидза Л.Г. Сборник задач по машиностроительной гидравлике – 4-е изд, перераб. - Машиностроение, 1981.

6. Техническая гидравлика: – М.: Машиностроение, 1978.