Гидравлика: Задание и методические указания по выполнению контрольных работ

Федеральное агентство по образованию Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет Кафедра гидравлики

ГИДРАВЛИКА Задание и методические указания по выполнению контрольных работ для студентов строительных специальностей 2-го и 3-го курсов всех форм обучения

Санкт-Петербург 2007

УДК 532.5/7.001.12 (076.1.5)

Рецензент канд. техн. наук, доцент А. В. Кудрявцев

Гидравлика: задание и методические указания по выполнению контрольных работ для студентов строительных специальностей 2-го и 3-го курсов всех форм обучения / СПб. гос. архит.-строит. ун-т.; сост.: Н. Н. Лапшев, А. М. Новикова. – СПб., 2007. – 11 с. Приведены условия задач, схемы, приложение, содержащее справочные данные для выполнения контрольных работ, а также методические указания и требования по выполнению работ. Ил. 8

ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ В процессе контрольных работ, выполняемых согласно учебному плану по дисциплине «Гидравлика», студенты закрепляют изучаемый материал, самостоятельного решая задачи и отвечая на поставленные теоретические вопросы. Работы являются формой отчетов по отдельным разделам практического курса и должны быть прорецензированы и оценены преподавателем. Первая контрольная работа включает следующие разделы: гидростатика, гидравлические сопротивления (уравнение Бернулли для невязкой жидкости, режимы движения). Вторая контрольная работа имеет разделы: гидравлические сопротивления (уравнение Бернулли для вязкой жидкости, расчет коротких трубопроводов и систем), истечение из отверстий и насадок, расчет длинных трубопроводов. Рекомендуется выполнять контрольные работы после проработки всех разделов, относящихся к данной теме. Каждая работа выполняется в отдельной тетради. На ее титульном листе должны быть указаны номер работы, наименование дисциплины, фамилия и инициалы студента, номер зачетной книжки, факультет и группа. Работа выполняется чернилами (пастой), четко и грамотно, на одной стороне листа. Вторая сторона может использоваться для промежуточных вычислений, замечаний преподавателя и занесения исправлений. Графики к задачам вычерчиваются аккуратно карандашом или ручкой с учетом требований к техническим чертежам. Работы должны выполняться и сдаваться на рецензирование последовательно. Незачтенная работа возвращается на переработку. После исправления всех замечаний к вновь выполненной работе необходимо приложить незачтенную работу с рецензией.

1

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ЧАСТИ И РЕШЕНИЮ ЗАДАЧ

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА № 1 Задача 1

Теоретическая часть предполагает проработку разделов курса, относящихся к контрольной работе. Необходимо определить раздел курса выполняемой работы, уяснить вывод основных закономерностей и использовать их при решении задач, ознакомиться с решениями типовых задач, приведенных в рекомендуемой литературе. После этого следует приступать к решению контрольной работы. Необходимые данные для всех задач в задании определяются по двум последним цифрам номера зачетной книжки: Y – предпоследняя цифра шифра; Z – последняя. Параметры, заданные в табличной форме, выбираются по последней цифре шифра. Для каждой задачи представляют исходные и искомые величины в форме краткой записи, а также рисунок, приведенный в задании. Размерности заданных величин следует привести к системе СИ, а рисунок дополнить расчетной схемой с указанием заданных и определяемых параметров. В представляемых зависимостях должны быть раскрыты все входящие в них величины. При использовании эмпирических формул и незаданных числовых коэффициентов необходимо сделать ссылку на литературный источник или справочный материал. Задачи следует решать в алгебраической форме, а численные значения подставлять в полученные конечные зависимости. Размерность необходимо проставлять не только при получении окончательного результата, но и во всех промежуточных вычислениях. При работе необходимо придерживаться всех правил приближенного вычисления с точностью до четвертой значащей цифры. При решении задач рекомендуется использовать справочные материалы, вспомогательные таблицы, графики, облегчающие подсчеты. По полученным расчетным данным строятся графики с указанием конкретной зависимости (если этого требуют условия задачи).

В закрытом резервуаре с водой поддерживается давление Р0 = (0,12 + 0,02 y) МПа. Определить показание ртутного манометра h, если нижний уровень ртути находится на Н = (800 + 5 z) мм ниже уровня воды в резервуаре (рис. 1). Задача 2 Прямоугольный щит длиной а = (5 + 0,1 y) м и шириной b = (5 + 0,1 z) м закреплен шарнирно в точке О. Глубина воды слева от щита Н1 = (4 + 0,1 y) м, справа – Н2 = (2 + 0,2 z) м. Угол наклона щита a = (60 + 0,2 y)°. Определить усилие Т, необходимое для подъема щита (рис. 2). Задача 3 Определить величину и точку приложения равнодействующей сил гидростатического давления воды на 1 м ширины вальцевого затвора диаметром d = (1,2 + 0,05 y) м при h1 = (1,2 + 0,05 y) м, если h2 = (0,5 + 0,05 z) м (рис. 3). Задача 4 Для перевозки автомобилей весом до 30 кН через реку сооружается плот из бревен диаметром D = (0,25 + 0,01 y) м, длиной L = (9 + 0,2 z) м. Определить, сколько бревен нужно для сооружения плота, способного удержать груз G = (35 + + y) кН, если плотность дерева rд = 800 кг/м3. Задача 5 Определить расход воды в наклонном трубопроводе (рис. 4), имеющем внезапное расширение, при d1 = (25 + y) мм, d2 = (50 +0,2 z) мм, разности уровней воды в пьезометрах h = (0,1 + 0,04 y) м. Указание. Пьезометры расположены близко друг к другу, поэтому следует учитывать только местные потери напора. Задача 6 Определить режим движения жидкости для следующих потоков: 1) В водопроводной трубе: d = (0,075 – 0,05 y) м; v = (0,8 + 0,1 z) м/с; Т = 20 °С. 2) В канале прямоугольного сечения: b = (0,7 + 0,3 y) м; h = (1,7 – 0,1 z) м; v = (0,8 + 0,1 z) м /с; Т = 15 °С. 3) В нефтепроводе: d = (0,01 + 0,005 y) м; v = (1,8 – 0,1 z) м/с; Т = 15 °С.

2

3

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА № 2

Таблица 2

Задача 1 Вода из водонапорной башни H = (15 + 0,1 y) м подается по асбестоцементному трубопроводу диаметром d, мм, на расстояние L, км. Определить, на какую высоту h будет подаваться вода при расходе Q = (16 + 0,2 z) л/с (рис. 5). Величины d и L приведены в табл. 1.

Цифра шифра Z 0 1 2 3 4

D1, мм

D2, мм

50 75 100 50 75

100 125 150 75 100

Цифра шифра Z 5 6 7 8 9

D1, мм

D2, мм

50 100 75 50 75

75 125 100 125 150

Таблица 1 Цифра шифра Z 0 1 2 3 4

d, мм

L, м

100 128 147 141

1200 1300 1500 1400

Цифра шифра Z 5 6 7 8

119

1250

9

ЗАДАЧА 4 d, мм

L, м

128 141 147 119

1200 1300 1450 1200

100

1000

Задача 2 Вода подается насосом в резервуар на высоту H = (30 + 2 y) м. Всасывающий трубопровод с обратным клапаном имеет длину Lвс = (15 + 0,5 z) м, нагнетательный – Lнг = (40 + y) м. Подобрать диаметры трубопроводов из чугуна и определить напор насоса для подачи Q = (40 + 0,5 z) л/с. Местные сопротивления соответствуют схеме (рис. 6). Задача 3 Резервуары А и В соединены горизонтальной новой чугунной трубой переменного сечения с размерами L1 = (10 + 0,2 y) м, L2 = (6 + 0,2 z) м, D1, мм, D2, мм; напор при температуре воды t = 15 °С составляет H = (8 + 0,2 y) м. Определить расход воды в трубопроводе и построить пьезометрическую и напорную линии, если манометрическое давление Р0 = (0,02 + 0,002 z) МПа, h = (2 + 0,1 y) м (рис. 7). Численные значения диаметров взять из табл. 2. Указание. В первом приближении при решении задачи следует принимать квадратичную область гидравлических сопротивлений и затем уточнить значение l.

4

Из резервуара А через отверстие диаметром dА = (15 + 0,02 y) мм вода с расходом Q = (0,5 + 0,05 z) л/с перетекает в резервуар В, а из него через отверстие dВ = (20 + 0,02 y) мм – в атмосферу. Определить напоры НА и НВ (рис. 8). ЗАДАЧА 5 Определить пропускную способность стального трубопровода, составленного из трех последовательных участков с длинами L1, L2, L3, м, геодезической отметкой в начале трубопровода Zн = (10 + 0,1 y) м, а в конце – Zк = (50 + 0,2 y) м. Давление, соответственно, Рн = (0,8 + 0,02 z) МПа, Рк = (0,3 + + 0,02 z) МПа. Диаметры условных проходов – D1 , D2 , D3, мм. Величины L и D взять из табл. 3. Таблица 3 Цифра шифра Z 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

L1 , м

L2 , м

L3 , м

D1, мм

D2, мм

D3, мм

900 950 1000 1050 1100 1150 1100 1050 1000 950

1200 1250 1300 1350 1400 1450 1400 1350 1300 1250

1400 1450 1500 1560 1600 1650 1600 1550 1500 1450

600 700 800 900 1000 1200 1000 900 800 700

500 600 700 800 900 1000 900 800 700 600

400 500 600 700 800 900 800 700 600 500

5

ПРИЛОЖЕНИЕ

Рисунки к задачам Р0

1. Значения кинематического коэффициента вязкости n для некоторых жидкостей

0

90°

Т

a

А Рис. 2

h

Рис. 1

n, см2/с 0,0152 0,0131 0,0115 0,0101 0,0060 0,28…0,34

Температура t, °С 5 10 15 20 45 15

Жидкость Вода « « « « Нефть (плотность – 880 кг/м3)

H2

a

h

H1

H

Таблица 1

2. Коэффициент местных потерь

h2

z1

d2

z2

h1

d1

Таблица 2 (сводная)

0

0

Рис. 3

Рис. 4

xм 0,5 1,0 (w2/w1 – 1)2 0,5(1 – w2/w1)

Местное сопротивление Вход в трубу, прямой, при острых входных кромках Выход из трубы в резервуар больших размеров Внезапное расширение трубы « сужение «

H

Задвижка

H

Lв.с Q

1,0 0,12

Q

H

Рис. 6 В

А

DH

L2

L1

Рис. 7

Рис. 8

6

dB

dA

В

4/8 2,06

5/8 5,25

6/8 17,0

7/8 978

Тип запорного устройства Всасывающий клапан с сеткой Обратный клапан

50

75

100

150

Диаметр трубы D, мм 200 250 300 350

400

500

750

10

8,5

7

6

5,2

4,4

3,7

3,4

3,1

2,5

1,6

18

11

8

6,5

5,5

4,5

3,5

3

2,5

1,8

–

HВ

HА

h

D2

Ра А

3/8 0,81

Всасывающий клапан с сеткой и обратный клапан

L

Р0

1/4 0,26

Lнг

Рис. 5

D1

H/d xзад

Резкий поворот (колено) в чугунной или стальной трубе Угол поворота a, о xпов

15 0,062

30 0,165

7

45 0,320

60 0,684

90 1,265

Плавный поворот трубы круглого сечения на угол a = 90о d, мм xм

50 0,76

100 0,39

200 0,37

250 0,40

300 0,45

400 0,42

500 0,46

600 0,47

800 0,48

900 0,49

4. Удельное сопротивление S0 асбестоцементных труб, с2/м6 1000 0,50

3. Удельное сопротивление S 0 железобетонных и не новых чугунных водопроводных труб, с2/м6 Таблица 3

D трубы, мм 50 75 100 125 150 200 250 300 350 400 450 500 600 700 750 800 900 1000

Средняя скорость в сечении V, м/с 0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1

>1,2

19400 18200

17500

16900

16500

16100

15800

15600

15400

15200

2190 471 142 53,5 11,6 3,52 1,31 0,58 0,285 0,152 0,088 0,033 0,015 0,010 0,007 0,004 0,002

1970 423 128 4,81 10,4 3,16 1,18 0,521 0,256 0,137 0,079 0,030 0,013 0,0092 0,0065 0,0035 0,002

1900 408 123 4,64 10,0 3,05 1,14 0,503 0,248 0,132 0,076 0,029 0,0128 0,0088 0,0063 0,0034 0,0019

1850 399 120 4,54 9,8 2,98 1,11 0,492 0,242 0,129 0,074 0,028 0,0125 0,0086 0,0061 0,0033 0,0019

1810 390 118 4,43 9,57 2,92 1,09 0,48 0,236 0,126 0,072 0,0276 0,0122 0,0084 0,006 0,0032 0,0018

1780 383 115 4,35 9,39 2,86 1,07 0,471 0,232 0,124 0,071 0,027 0,012 0,0083 0,0059 0,0032 0,0018

1760 379 114 4,31 9,3 2,83 1,06 0,467 0,230 0,123 0,070 0,0268 0,0118 0,0082 0,0058 0,0031 0,0018

1740 374 113 4,24 9,16 2,79 1,04 0,46 0,226 0,121 0,069 0,0264 0,0117 0,0081 0,0057 0,0031 0,0018

1710 368 111 4,18 9,03 2,75 1,025 0,453 0,223 0,119 0,068 0,026 0,011 0,008 0,0057 0,003 0,0017

0,3

0,4

2050 442 133 5,02 10,8 3,30 1,23 0,544 0,268 0,143 0,082 0,031 0,014 0,0096 0,0068 0,0036 0,0021

8

D трубы, мм 50 75 100 119 128 141 147 189 195 235 243 279 291 322 338 368 386 456 482 546 576 672 768

0,25

0,50

8610 1050 236 95,7 80,6 39,6 31,9 9,93 7,37 2,80 2,35 1,14 0,92 0,54 0,43 0,28 0,21 0,089 0,067 0,035 0,026 0,0119 0,0060

7640 931 210 84,9 71,5 35,1 28,3 8,81 6,53 2,49 2,09 1,01 0,81 0,48 0,38 0,25 0,19 0,079 0,059 0,031 0,023 0,0106 0,0054

Средняя скорость в сечении V, м/с 0,75 1,0 1,5 7160 873 196 79,5 67,0 32,9 26,5 8,26 6,12 2,33 1,95 0,95 0,76 0,45 0,36 0,23 0,18 0,74 0,055 0,029 0,022 0,099 0,050

6850 835 188 76,1 64,1 31,5 25,4 7,90 5,86 2,23 1,87 0,91 0,73 0,43 0,34 0,22 0,17 0,071 0,053 0,028 0,021 0,0095 0,0048

9

6470 788 177 71,8 60,5 29,7 24,0 7,46 5,53 2,11 1,77 0,86 0,69 0,41 0,32 0,21 0,16 0,067 0,050 0,026 0,020 0,0090 0,0045

Таблица 4

2,0

2,5

6230 760 171 69,3 58,3 28,7 23,1 7,19 5,33 2,03 1,70 0,83 0,66 0,39 0,31 0,20 0,15 0,065 0,048 0,025 0,019 0,0065 0,0044

6080 741 167 67,5 56,9 27,9 22,5 7,01 5,20 1,98 1,66 0,81 0,65 0,38 0,30 0,20 0,15 0,063 0,047 0,025 0,019 0,0084 0,0043

5. Удельное сопротивление S0 не новых стальных труб, с2/м6

Рекомендуемая литература Таблица 5

D трубы, мм

Средняя скорость в сечении V, м/с 0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1

1,2

50 70 80 100 125 150 175 200 225 250 275 300 325 350 400 450 500 600 700 800 900 1000 1200

14200 3700 1500 342 136 57,9 24,3 11,87 6,17 3,30 1,96 1,202 0,78 0,522 0,264 0,140 0,0796 0,0305 0,0147 0,0072 0,0039 0,0032 0,0008

13300 3470 1400 320 127 53,9 22,8 11,12 5,78 3,10 1,84 1,127 0,731 0,490 0,247 0,131 0,075 0,029 0,0138 0,0068 0,0036 0,0021 0,0008

12700 3330 1340 307 122 51,7 21,8 10,66 5,54 2,97 1,76 1,127 0,700 0,469 0,240 0,125 0,072 0,027 0,0132 0,0065 0,0035 0,002 0,0008

12300 3200 1300 296 115 49,9 21,0 10,29 5,35 2,86 1,70 1,042 0,676 0,453 0,229 0,121 0,069 0,026 0,0128 0,0063 0,0034 0,0019 0,0007

12000 3140 1270 290 108 48,8 20,6 10,06 5,23 2,80 1,66 1,019 0,661 0,443 0,224 0,118 0,068 0,026 0,0125 0,0061 0,0033 0,0019 0,0007

11700 3070 1240 283 113 47,7 20,1 9,83 5,11 2,73 1,62 0,995 0,646 0,432 0,218 0,116 0,066 0,025 0,0122 0,006 0,0032 0,0018 0,0007

11500 3000 1220 278 110 46,8 19,7 9,64 5,01 2,68 1,59 0,997 0,633 0,424 0,214 0,113 0,065 0,025 0,012 0,0059 0,0032 0,0018 0,0007

11400 2980 1200 275 109 46,3 19,5 9,55 4,96 2,66 1,58 0,967 0,627 0,420 0,212 0,112 0,064 0,024 0,0118 0,0058 0,0031 0,0018 0,0007

11200 2940 1190 270 108 45,6 19,2 9,41 4,89 2,62 1,55 0,953 0,618 0,414 0,209 0,111 0,063 0,024 0,0117 0,0057 0,0031 0,0018 0,0007

11100 2890 1170 267 106 45,0 19,0 9,27 4,82 2,58 1,53 0,939 0,609 0,408 0,206 0,109 0,062 0,024 0,0115 0,0057 0,003 0,0017 0,0007

10

1. 2. 3. 4. 5.

Чугаев Р. Р. Гидравлика. М.: Госэнергоиздат, 1975. 528 с. Большаков В. А. Сборник задач по гидравлике. Киев: Вища школа, 1979. 336 с. Богомолов А. И. Примеры гидравлических расчетов. М.: Транспорт, 1977. 526 с. Альтшуль А. Д. Примеры расчетов по гидравлике. М.: Стройиздат, 1976. 255 с. Большаков В. А. и др. Справочник по гидравлике. Киев: Вища школа, 1984. 343 с.

ОГЛАВЛЕНИЕ Общие указания .................................................................................................................................. 1 Методические указания к теоретической части и решению задач ................................................ 2 Контрольная работа № 1 .................................................................................................................... 3 Контрольная работа № 2 ................................................................................................................... 4 Рисунки к задачам ............................................................................................................................. 6 Приложение ........................................................................................................................................ 7 Рекомендуемая литература ............................................................................................................... 11

11

ГИДРАВЛИКА

Составители: Лапшев Николай Николаевич, Новикова Антонина Михайловна

Редактор Л. А. Мозгунова Корректор К. И. Бойкова Компьютерная верстка И. А. Яблоковой

Подписано к печати 24.12.2007. Формат 60´84 1/16. Бум. офсетная. Усл. печ. л. 0,75. Уч.-изд. л. 0,87. Тираж 1000 экз. Заказ 205. «С» 91. Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет. 190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская, 4. Отпечатано на ризографе. 190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская, 5.