Министерство образования и науки РФ
Федеральное агентство по образованию
Рыбинская государственная авиационная технологическая академия
им.
«УТВЕРЖДАЮ»
Декан ФАД РГАТА
______ _
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА
По дисциплине _²Гидравлика²_______________
Для специальности (направления)____140402 подготовка специалиста,_______
специализация_Теплофизика_______
Кафедра ___ «Физика»________________________________________________
Форма обучения __ _очная __ _____________________
Распределение часов
Виды учебных занятий | Часы |
1. Лекции | 18 |
2. Практические занятия | 18 |
3. Лабораторные занятия | - |
4. Самостоятельная работа | 44 |
5. Индивидуальные занятия | - |
6. Всего часов | 80 |
Форма контроля 4 семестр – зачет
Программу составил ___________________________Ш. А._Пиралишвили____
Рабочая программа рассмотрена на заседании кафедры физики «19» октября 2004 г., протокол №1.
Заведующий кафедрой __________________________Ш. А._Пиралишвили____
Рыбинск 2005
Введение
Программа курса «Гидравлика» составлена в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования и учебным планом подготовки специалиста (инженера) по специальности 140402 Теплофизика.
Цель преподавания дисциплины
Дать обучаемым студентам знания в области практической инженерной гидромеханики – гидравлики в сочетании с элементами её технических приложений.
Привить навыки и обучить методике решения практических задач и постановке исследований гидравлического характера.
Задачи изучения дисциплины
Формирование у обучаемого контингента устойчивых знаний и практических навыков в области гидростатики и гидродинамики с учетом взаимосвязи теоретических, экспериментальных и практических прикладных задач, связанных с равновесием (статика) и движением (кинематика) с учетом воздействующих на капельные жидкости внешних сил.
Привитие навыков теоретического расчета сложных трубопроводов по определению гидравлических потерь и выявлению расходов в отдельных участках магистральных трубопроводов с учетом потребного или располагаемого напора (перепада давления), а также материального баланса как в целом в магистрали, так и на его отдельных участках.
Рабочая программа по гидравлике должна отражать современный уровень развития этой инженерной дисциплины, имеющей существенное прикладное значение в технике различных отраслей. В связи с этим она имеет достаточно важное значение в процессе подготовки инженера теплофизика. Нельзя не отметить и достаточно глубокую взаимосвязь «Гидравлики» с такими основополагающими предметами для направления подготовки и специальности как курсы «Механика жидкости и газа» и «Газодинамика» вместе с «Термодинамикой», «Тепломассообменом», а также «Основами физики процессов горения», формирующими основополагающие теоретические познания по специальности связанными с теоретическими основами теплотехники.
Курс читается в четвертом семестре и базисом для него служат теоретические разделы курса общей физики – механика жидкости и газа и термодинамика.
В процессе подготовки программой предусматривается проведение 2 контрольных работ и выполнение курсовой расчетно-графической работы. Курс заканчивается зачетом.
Рекомендации по изучению дисциплины
При изучении курса «Гидравлика» необходимое качество усвоения материала практически невозможно без приобретения достаточно глубоких и устойчиво закрепленных практических навыков решения технических задач и проблем. Это требует соответствующего внимательного и вдумчивого отношения к теоретическим основам составляющим расчетный базис для инженерной практики. Освоение теоретического материала должно обязательно быть закреплено решением задач как на семинарских занятиях, так и самостоятельно в соответствии с заданиями преподавателя ведущего практические занятия. При этом следует успокаиваться лишь в том случае, если приобретенные в решении навыки носят устойчивый характер. Методически обоснованная постановка курса гидравлики невозможна без проведения базисных основополагающих практических исследований на лабораторных либо демонстрационных установках, позволяющих наглядно отобразить на натурном физическом опыте характерные особенности поведения жидкости в процессе течения. К таким моментам следует отнести:
– демонстрацию классического опыта Рейнольдса по изучению режимов турбулентного и ламинарного течений и определения численных значений критических чисел Рейнольдса;
– изучение кавитации на примере течения в трубке Вентури в её узкой части расширяющейся области;
– демонстрацию уравнения Бернулли с учетом гидравлических потерь;
– работа насоса с сетью.
Учитывая региональные особенности расположения вуза и тесные контакты его с градоопределяющим предприятием Сатурн» целесообразно рассмотреть методику расчета гидравлики системы охлаждения турбины, как один из принципиальных и наиболее сложных элементов.
Содержание программы по курсу «Гидравлика»
1 Лекционный теоретический курс
Лекция 1. Введение. Краткая историческая справка. Свойства жидкости. Силы действующие на жидкость. Гидростатика. Закон Паскаля. Основное уравнение гидростатики.
Лекция 2. Дифференциальные уравнения равновесия жидкости. Пьезометрическая высота. Вакуум. Измерение давления. Сила давления жидкости на плоскую стенку. Сила давления на криволинейную стенку. Закон Архимеда.
Лекция 3. Кинематика жидкости. Описание движения. Линии тока. Трубка тока. Уравнение неразрывности. Уравнение Бернулли. Дифференциальные уравнения движения идеальной жидкости и их интегрирование (Уравнение Эйлера).
Лекция 4. Уравнение Бернулли для потока реальной вязкой жидкости. Сила реакции струи. Уравнение Бернулли для струйки тока. Энергетический смысл уравнения Бернулли. Напорная и пьезометрическая линии.
Лекция 5. Прямолинейное равноускоренное движение сосуда с жидкостью. Равномерное вращение сосуда с жидкостью. Виды гидравлических сопротивлений.
Лекция 6. Метод анализа размерностей в гидравлике. Пи–теорема. Формула расчета потерь напора при равномерном движении жидкости в трубах. Ламинарное и турбулентное движения. Число Рейнольдса.
Лекция 7. Ламинарное равномерное движение жидкости. Распределение скоростей по сечению трубы. Потери напора на трение в круглых трубах. Движение жидкости сквозь пористые среды (фильтрация).
Лекция 8. Турбулентное равномерное движение жидкости в трубах. Распределение скорости по сечению трубы. Потери напора при турбулентном режиме течения. Касательное напряжение трения при турбулентном движении. Зависимости для расчета турбулентного течения жидкости в трубах.
Лекция 9. Эмпирические зависимости для расчета коэффициента гидравлического трения. Движение жидкости в трубах некруглого сечения. Равномерное безнапорное движение жидкости в ТРУБАХ. Начальный участок турбулентного течения. Потери напора при неизотермическом движении жидкости в трубах. Снижение потерь напора при неизотермическом движении жидкости в трубах.
Лекция 10. Местные гидравлические сопротивления. Потери напора на изменении проходного сечения. Потери напора в арматуре трубопроводов и сварных стыках. Потери напора в сетках. Потери напора в тройниках.
Лекция 11. Зависимость коэффициентов местных сопротивлений от числа Рейнольдса. Взаимное влияние коэффициентов местных сопротивлений. Кавитация. Явление кавитации в местных сопротивлениях.
Лекция 12. Гидравлический расчет трубопроводов. Расчет простых трубопроводов в квадратичной области сопротивления. Расчет сложных трубопроводов.
Лекция 13. Влияние срока службы трубопроводов на их гидравлическое сопротивление. Гидравлический удар. Понятие о движении двухфазных потоков в трубах.
Лекция 14. Гидравлический расчет истечения жидкостей. Истечение жидкости из отверстий в тонкой стенке. Истечение жидкости через насадки.
Лекция 15. Влияние вязкости жидкости на истечение из отверстий. Истечение жидкости при переменном напоре. Влияние поверхностного натяжения и воронкообразования на истечении жидкости из отверстий.
Лекция 16. Гидродинамическое моделирование. Критерии подобия. Подобие в случае одновременного действия нескольких сил.
Лекция 17. Общие сведения о свободных струях. Затопленная свободная струя. Водосливы. Бьефы.
Лекция 18. Основные понятия об особенностях гидравлических расчетов элементов конструкции систем охлаждения турбомашин.
2 ПЕРЕЧЕНЬ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ
2.1. Тематика семинарских занятий по решению задач гидравлики
1. Давление. Гидростатическое давление. Давление на стенки. Закон Паскаля. Закон Архимеда. Равновесие жидкости. – 2 часа.
2. Уравнение Эйлера. Уравнение неразрывности. Уравнение расхода. Уравнение Бернулли. – 2 часа.
3. Режимы движения жидкости. Истечение через отверстия и насадки. – 2 часа.
4. Гидравлические сопротивления. Потери на трение. Местные сопротивления. Ламинарное течение жидкости. – 2 часа.
5. Расчет трубопроводов. – 2 часа.
2.2. ПЕРЕЧЕНЬ ТЕМ РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКОЙ РАБОТЫ
1. Режимы течения. Опыт Рейнольдса. – 2 часа.
2. Уравнение Бернулли. Пьезометрическая линия. – 2 часа.
3. Истечение из отверстий и насадков. – 2 часа.
4. Гидравлические потери. Гидравлический уклон. – 2 часа.
5. Гидравлический удар. – 2 часа.
3 ПЕРЕЧЕНЬ ТЕМ ИНДИВИДУАЛЬНЫХ ЗАНЯТИЙ, РГР И КУРСОВЫХ РАБОТ
При изучении курса гидравлики студенты выполняют две расчетно-графические работы
4 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ И ПЕРЕЧЕНЬ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ
Основной
4.1. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы: Учебник для машиностроительных вузов/, , и др.–М.: Машиностроение, 1982.–423 с.
4.2. Сборник задач по машиностроительной гидравлике: Учеб. пособие для машиностроительных вузов/, , и др.; под ред. и .–М.:Машиностроение, 1981.–464 с.
Дополнительный
4.3. , Дроздов гидравлики и аэродинамики.–М.:Стройиздат, 1980.–247 с.
4.4. , Киселев и аэродинамика. Учебное пособие для вузов.–М.:Стройиздат, 1975.– 323 с.
4.5. Чугаев .–Л.: Энергия, 1971.– 552 с.
4.6. , Маханько задач по гидравлике и основам теплотехники.–М.:Энергия, 1979.–238 с.
5 МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ СТУДЕНТАМ ПО ИЗУЧЕНИЮ ДИСЦИПЛИНЫ – ГИДРАВЛИКА
Обеспечение качества изучения дисциплины немыслимо без вдумчивой работы обучаемого над дисциплиной, основная доля которой приходится на самостоятельную работу над курсом. В соответствии с программой курса на самостоятельную работу выделено ____ часов, что по объёму составляет примерно половину часов от всего выделенного объёма в соответствии со стандартом и учебным планом подготовки специалиста.
Самостоятельная работа включает в себя изучение теоретических разделов курса, выполнение домашних заданий, подготовка к контрольным (зачетным) моментам проверки знаний у обучаемого.
5.1. Базис и задача самостоятельной работы методико-логический фундамент для построения теоретических основ гидравлики, являются физика и высшая математика. Физика в разделе механика закладывает основы гидромеханики, а математика снабжает гидравлику аналитическим аппаратом дифференциального и интегрального исчисления, позволяющими построение логически формализованных цепочек, необходимых для выводов основополагающих закономерностей, зависимостей и соотношений.
Очные формы обучения предполагают достаточно глубокую фундаментальную теоретическую подготовку, достижение которой возможно лишь на основе достаточно хорошо продуманной и организованной самостоятельной работы студента над материалом изучаемой дисциплины. Такая методика предполагает приобретение (наличие) навыков самостоятельной работы с учебно-методической и научной литературой, а также развитие обоснованности принимаемых решений на предметно-практическом уровне.
Самостоятельная работа по изучению курса может быть подразделена на несколько этапов, первый из которых предполагает самостоятельное повторение разделов, изученных в предшествующие образовательные моменты. Вторая состоит в выполнении домашних заданий, теоретическую подготовку перед выполнением лабораторных работ, выполнение РГР и курсовой работы.
Из выделенного учебным планом подготовки и настоящей рабочей программы числа часов на самостоятельную подготовку может быть предложена следующая временная схема их разделения по основным этапам:
1. Работа с литературой по разделам теоретического курса – час.
2. Подготовка к семинарам и лабораторным работам, включая решение задач, задаваемых преподавателем – час.
3. Выполнение двух расчетно-графических домашних заданий – час.
5.2. Работа над теоретическими разделами курса
Механика жидкости:
Гидростатика. Давление. Абсолютное, избыточное, манометрическое давление. Закон Паскаля. Барометрическое давление. Анероид. Манометры. Уравнение расхода. Уравнение Бернулли. Вязкость. Гипотеза Ньютона. Истечение жидкости из отверстия. Формула Торричелли. Течение жидкости в трубах. Движение тел в жидкости.
Савельев физики. Учебник. Т.1. Механика. Молекулярная физика.–М.: Наука, 1992.– 320 с.
Работая над теоретическими разделами курса целесообразно сопоставление изложения одного и того же материала различными авторами, в том числе и лектора. Это позволит более глубоко осмыслить предмет и заполнить явно имеющиеся бреши в изложении теоретических основ лектором, что чаще всего вызвано дефицитом часов выделяемых программой на лекционную работу. Такое отношение позволит обучаемому сделать свой выбор на характер изложения и разовьёт способности самостоятельного мышления и приобрести навыки работы с учебной и научной литературой.
5.3 ПОДГОТОВКА К ПРАКТИЧЕСКИМ ЗАНЯТИЯМ
Качество освоения теоретического материала, а следовательно и курса в целом определяется уровнем и эффективностью выполняемых практических занятий совместно на семинарских занятиях и при самостоятельном решении задач, определяемых преподавателем в виде обязательных домашних заданий на самостоятельную проработку. Подготовка к практическим занятиям и самостоятельное решение характерных типовых задач служит определяющей цели – привитию устойчивых навыков решения конкретных задач из различных разделов курса. В процессе их приобретения отрабатывается способность применения общих теоретических закономерностей к отдельным конкретным практическим вопросам, что способствует более глубокому проникновению в сущность изучаемой дисциплины.
Во время аудиторных практических занятий необходимо решить 5~6 задач расположенных в ряд по возрастающей трудности. В качестве задач для самостоятельного внеаудиторного решения преподавателем предполагается решить 5-6задач среднего уровня трудности из источника [2]. Решение задач немыслимо без знания теоретического материала и специальных методических приёмов, принципов решения общих для группы задач. Таким образом самостоятельному решению задач должна предшествовать работа по тщательному изучению теоретического лекционного материала соответствующего раздела гидравлики.
При решении задач необходимо следовать некоторым правилам методического характера:
– записать краткое условие задачи, переведя в систему СИ все известные из условия данные, добавив в случае необходимости некоторые справочные константы;
– выполнить анализ задачи, вскрыв логический путь поиска искомой величины с отражением всех необходимых закономерностей, используемых в процессе решения;
– выполнить графическое отображение (эскиз) условия задачи;
– получить решение, в виде зависимости в общем виде, сопровождая решение необходимыми пояснениями;
– оценить достоверность решения, проверкой размерности и полным использованием исходных данных;
– произвести численный расчет с учетом необходимой точности решения;
– оценить логическую целесообразность полученной расчетом численной величины.
Методика контроля и оценки качества выполнения студентами самостоятельной работы на практических занятиях осуществляется:
– опросом теоретических положений с оценкой качества усвоенных знаний;
– проверкой выполнения домашних заданий;
– проведением контрольных работ.
5.4. Выполнение расчетно-графических заданий (курсовых работ)
В соответствии с учебным планом предполагается выполнение расчетно-графического домашнего задания и курсовой работы на тему «Гидравлический расчет системы охлаждения элементов конструкции высокотемпературных турбин».
Цель курсовой работы: проверить и закрепить качество и полноту освоенного теоретического материала курса. Методическим базисом выполнения работы должно послужить пособие, разработанное специалистами кафедры и .
6 Список экзаменационных вопросов
1. Свойства жидкости как сплошной среды.
2. Силы действующие на жидкость.
3. Закон Паскаля. Основное уравнение гидростатики.
4. Давление. Барометрическое, гидростатическое давление. Абсолютное, избыточное или манометрическое давление. Вакуум.
5. Измерение давления. Приборы для измерения давления. Манометр, пьезометр, барометр, анероид.
6. Дифференциальное уравнение равновесия жидкости.
7. Пьезометрическая высота.
8. Сила давления жидкости на плоскую стенку.
9. Сила давления жидкости на криволинейные стенки.
10. Закон Архимеда. Плавучесть тел.
11. Кинематика жидкости. Описание движения.
12. Линия тока. Трубка тока. Уравнение линий тока.
13. Уравнение неразрывности.
14. Уравнение Бернулли.
15. Уравнение расхода.
16. Дифференциальные уравнения движения идеальной жидкости и их интегрирование (Уравнения Эйлера).
17. Уравнение Бернулли для потока реальной вязкой жидкости.
18. Сила реакции струи.
19. Уравнение Бернулли для струйки тока.
20. Энергетический смысл уравнения Бернулли.
21. Напорная и пьезометрическая линии.
22. Прямолинейное равномерное движение сосуда с жидкостью.
23. Равномерное вращение сосуда с жидкостью.
24. Виды гидравлических сопротивлений.
25. Метод анализа размерностей в гидродинамике. Пи-теорема.
26. Формула расчета потерь напора при равномерном движении жидкости в трубах.
27. Ламинарное и турбулентное движение жидкости. Число Рейнольдса. Критическое число Re.
28. Ламинарное равномерное движение жидкости. Распределение скорости по сечению трубы.
29. Потери напора на трение в круглых трубах.
30. Движение жидкости сквозь пористые среды (фильтрация).
31. Турбулентное равномерное движение жидкости в трубах. Распределение скорости по сечению трубы.
32. Потери напора при турбулентное режиме течения.
33. Касательные напряжения трения при турбулентное движении жидкости.
34. Потери напора при неизотермическом движении жидкости в трубах.
35. Снижение потерь напора при неизотермическом движении жидкости в трубах.
36. Местные гидравлические сопротивления.
37. Потери напора на изменение проходного сечения.
38. Потери напора в арматуре трубопроводов и сварных стыках.
39. Потери напора в сетках.
40. Потери напора в тройниках, задвижках, шиберах.
41. Зависимость коэффициентов местных сопротивлений от числа Рейнольдса.
42. Взаимное влияние коэффициентов местных сопротивлений.
43. Кавитация. Явление кавитации в местных сопротивлениях.
44. Гидравлический расчет трубопроводов.
45. Расчет простых трубопроводов в квадратичной области сопротивления.
46. Расчет сложных трубопроводов.
47. Последовательное и параллельное соединение трубопроводов.
48. Влияние срока службы трубопроводов на их гидравлическое сопротивление.
49. Гидравлический удар.
50. Понятие о движении двухфазных потоков в трубах.
51. Гидравлический расчет истечения жидкости.
52. Истечение жидкости из отверстий в тонкой стенке.
53. Истечение жидкости через насадки.
54. Влияние вязкости жидкости на истечение из отверстий.
55. Истечение жидкости при переменном напоре.
56. Влияние поверхностного натяжения и воронко образования на истечении жидкости отверстия.
57. Гидродинамическое моделирование. Критерии подобия.
58. Подобие в случае одновременного действия нескольких сил.
59. Общие сведения о свободных струях.
60. Затопленная свободная струя.
61. Водосливы. Бьефы.
7 Контрольные вопросы и характерные (типовые) задачи
7.1. Контрольные вопросы
1. Физический смысл давления.
2. Барометрическое давление.
3. Абсолютное и избыточное давление. Вакуум.
4. Приборы для измерения давления.
5. Характерные свойства жидкости: Сплошность, текучесть, сжимаемость, вязкость.
6. Капельные жидкости.
7. Реология. Ньютоновская реология, закон реологии.
8. Закон Паскаля.
9. Атмосферное давление. Барометрическая формула.
10. Уравнение неразрывности. Уравнение расхода.
11. Что такое поверхность уровня.
12. Основной закон Гидростатики.
13. Дифференциальное уравнение гидростатики.
14. Силы действующие на жидкость.
15. Уравнение поверхности уровня.
16. Условие равновесия жидкости. Потенциал объёмных сил.
17. Равновесие несмешивающихся жидкостей. Поверхность их раздела.
18. Относительное равновесие. Равновесие жидкости в движущихся сосудах.
19. Давление жидкости. Центр давления.
20. Давление на криволинейные поверхности.
21. Закон Архимеда.
22. Живое сечение.
23. Смоченный периметр.
24. Гидравлический радиус. Гидравлический диаметр.
25. Линии тока. Трубка тока. Уравнение линий тока.
26. Уравнение Бернулли. Физический смысл. Геометрическое и энергетическое истолкование.
27. Уравнение Бернулли для элементарной струйки вязкой жидкости.
28. Гидравлический уклон. Средний гидравлический уклон.
29. Пьезометрический уклон.
30. Пьезометрическая линия.
31. Уравнение Эйлера.
32. Виды гидравлических сопротивлений.
33. Ламинарный, турбулентный режим течения.
34. Число Рейнольдса. Критическое число Рейнольдса.
35. Гидродинамическое подобие.
36. Формула Дарси–Вейсбаха.
37. Формула Вейсбаха.
38. Понятие о потере напора.
39. Распределение скорости по сечению трубы при ламинарном течении.
40. Соотношение между средней и максимальной скоростью при ламинарном течении.
41. Потери напора на трение в круглой трубе. Формула Пуазейля–Гагена (l=64/Re).
42. Турбулентное течение.
43. Опыты Никурадзе.
44. Понятие о шероховатости. Относительная шероховатость.
45. Зависимость коэффициента гидравлических потерь от числа Рейнольдса.
46. Понятие о вполне шероховатых трубах.
47. При каких условиях течения трубы называются гидравлически гладкими.
48. Формула Блазиуса l=0,3161/Re0,25, когда она используется?
49. Формула Шифринсона l=0,11(k/d)0,25 . В каких случаях она используется?
50. Виды местных сопротивлений.
51. Зависимость потерь напора от скорости при прохождении местных сопротивлений.
52. Внезапное расширение. Формула расчета коэффициента местного сопротивления.
53. Формула Борда.
54. Внезапное сужение. Коэффициент сжатия струи.
55. Выражения для расчета потерь при прохождении местного сужения.
56. Потери напора при изменении направления течения (поворот потока).
57. Коэффициент местного сопротивления колена.
58. Потери напора при разделении и соединении потоков.
59. Диафрагмы, тройники, шиберы, задвижки – как местные сопротивления.
60. Дайте определение простому и сложному трубопроводам.
61. Расчет простого трубопровода.
62. Чему равен напор Н при истечении из простого трубопровода под уровень.
63. Чему равен напор Н при истечении в атмосферу.
64. Расчет простых трубопроводов в квадратичной области сопротивления.
65. Расчет трубопроводов в неквадратичной области сопротивления.
66. Расчет сложных трубопроводов. Параллельное соединение.
67. Расчет трубопровода при последовательном соединении.
68. Гидравлический удар.
69. Истечение жидкости из отверстий в тонкой стенке.
70. Скорость истечения. Формула Торричелли.
71. Дайте определение и формулу расчета коэффициента расхода воздуха mо.
72. Истечение жидкости под уровень.
73. Истечение жидкости со свободной поверхностью.
74. Истечение жидкости через насадки.
75. Кавитация.
7.2. Характерные задачи
1.Прямоугольная металлическая баржа длиной 60 м, шириной 8 м, высотой 3,5 м, загруженная песком, весит 1440×103 кг. Определить осадку баржи. Какой объём песка Vп нужно выгрузить, чтобы глубина погруженной части баржи была равна 1,2 м, если плотность песка 2×103 кг/м3?
2. Определить диаметр сосуда, наполненного влагой и вращающегося с постоянной угловой скоростью w=11 с-1, чтобы разность уровней у стенки и в наинизшей точке свободной поверхности жидкости не превышала 0,5 м. Вычислить линейную скорость частиц, расположенных на боковой стенке сосуда.
3. Найдите силу манометрического давления на дно сосуда диаметром D=35 см. Если на размещенную в горле сосуда диаметром d=12 см, действует сила F1 = 44 H. Глубина воды в сосуде h=40 см.
4.Построить поверхности равного давления Р’=Pат=98100 Па; Р’=100062 Па; Р’=103986 Па в вертикальной плоскости, проведенной по диаметру цилиндрического сосуда, который наполнен водой и вращается с угловой скоростью w=8,1 с-1. Известно, что при вращении наинизшая точка свободной поверхности расположена на расстоянии zo=0,6 m. Диаметр сосуда d=0,6 м.
