Гидравлика, гидрология, гидрометрия водотоков,..


Чтобы посмотреть этот PDF файл с форматированием и разметкой, скачайте его и откройте на своем компьютере.
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУ
Б
ЛИКИ БЕЛАРУСЬ

УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ

«БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ТРАНСПО
Р
ТА»





Кафедра «Экология и рациональное использование водных
ресу
р
сов»




Р. Н. ВОСТР
О
ВА




ГИДРАВЛИКА, ГИДРОЛОГИЯ
И

ГИДРОМЕТРИЯ
ВОДОТОКОВ


Пособие по выполнению контрольной р
а
боты № 1 и № 















Гомель 006


Сдана в РИО



2

УДК
556. 536 (075.8)


А16


Р е ц е н з е н т


заведующий

кафедрой «Строительство и
эксплуатация железных дорог» канд
. техн. наук.,

доцент
В.П.

Ковтун
(Бе
л
ГУТ)
.








Р. Н. Вострова


А16


гидравлика, гидрология и гидрометрия водотоков
: Пособие по
выполнению контрольной

работы
.

-

Гомель:
УО «
Бе
л
ГУТ
»
, 2006.


с.



Приведены варианты задач к контрольной работе и методические
указания по их решен
ию
.


Предназначено для самостоятельной работы студентов ФБО
специальности
1
-
70 03 01 "Автомобильные дороги"; 1
-
37 02 05
«
Строительство железных дорог, путь и путевое хозяйство"














УДК
556. 536 (075.8)






© Р. Н. Вострова, 006
.


3









СОДЕР
ЖАНИЕ



Общие требования к выполнен
ию контрольной работы ……….


1

Варианты заданий на контрольную раб
о
ту

№1

с указаниями
по решению задач………………………………………......


 Варианты заданий на контрольную раб
о
ту № с указаниями
по решению задач………………………………………...
...


3
Вопросы для самостоятельного изучения дисципл
и
ны…
….…
...


4 Вопросы для СУРС………………………………………………..


Прилож
е
ние А……………………………………………
..


Приложение Б………
………………………………


Приложение В………
………………………………


Список

литературы……………………
………
……………



























4










ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ

К ВЫПОЛНЕНИЮ КОНТРОЛЬНЫХ
РАБОТ

№1 и №


Контрольная работа выполняется с целью закрепления знаний,
полученных при самостоятельном изуч
е
нии дисциплины «
Гидравлика,
гидрология и гидрометрия водотоков
», и приобретения навыков

практич
е
ского применения этих зн
аний
студентами специальности ФБО
.

В контрольной работе
№1

предусматривается решение
пяти

задач по
сл
е
дующим темам:



сила давления жидкости на плоские стенки;



сила давления жидкости на криволинейные поверхности;



ис
течение жидкости через отверстия и н
а
садки;



расчет
коротких
трубопроводов;



расчет длинных трубопроводов с применением уравнения Бернулли.

Контрольная работа №  предусматривает решение
двух задач
, которые
включают в себя:

-

гидравлический расчет тупик
ового трубопровода
;

-

определение диаметра

водопропускной трубы под насыпью

дорожного полотна;

Приступая к выполнению контрольной работы, указанные выше темы
должны быть изучены по рекомендуемой литературе

[1
,2,8
]

или, что еще
лу
ч
ше, законспекти
рованы.
Конспект
весьма может пригодиться при
подготовке к экзамену. Важно также, чтобы студент посетил все
лекционные занятия, которые проводятся, как правило, одновременно с
выдачей задания на ко
н
трольную работу.

Студент может воспользоваться литературой
, где приведены примеры
решения задач на указанные темы [6,7
]
.

Решение задачи рекомендуется при
водить с пояснительным рисунком,

Где указываются размеры, приложенные силы и другие вычисляемые
параметры. Эпюры сил и давлений необходимо строить с учетом

5

масшт
абов, для простоты выполнения возможно использование
миллиметровой бумаги.


Оформляются задачи на листах писчей бумаги форматом А4 (10х97).
Первый лист


титульн
ый. Все последующие листы оформляются рамкой.
О
бразец
оформления
титульно
го листа приведен в

ПРИЛОЖЕНИИ
Б.


На последнем листе приводится список литературы, ссылки на которую
указываются в тексте при решении задачи в квадратных скобках.


Текст желательно располагать на одной ст
о
роне листа. Вторая,
свободная сторона, может пригодиться для замечани
й рецензента или же
внесения и
с
правлений, если в процессе рецензирования будут обнаружены
оши
б
ки.

Если некоторый коэффициент или параметр взят из справочной
литературы, то необходимо указать ссылку на литературу.
Все
математические действия, применяемые пр
и решении задач, должны быть
пояснены. Следует с
о
блюдать также и определенный порядок выполнения
математических действий. Сначала записывается ра
с
четная формула, затем
проставляются значения всех величин, вх
о
дящих в формулу, и затем
записывается ответ. Рез
ультаты промежуточных вычислений приводить не
нужно.

Полученный ответ обязательно сна
б
жается размерностью. Отсутствие
размерности или же неправил
ь
ное ее проставление считается за ошибку и
учитывается при о
б
щей оценке работы.

Прорецензированная работа со
провождается заключением рецензента:
«К защите» или «К защите не д
о
пускается». Допущенная к защите работа
может содержать и замечания рецензента. Все они в подготовле
н
ной к
защите работе должны быть у
ч
тены
и
студент в проце
ссе защиты должен

доказать правил
ь
ность выполненного им решения.

Рецензирование контрольных работ проводится перед сессией.
Поэтому они должны быть сданы на к
а
федру для проверки
заблаговременно. Следует не забывать, что срок рецензирования 5 дней.
Поэтому раб
о
ты, сданные уже после прибыти
я на сессию, могут ко дню
экзамена оказаться не только не защищенными, но и не
прорецензированными.
А это влечет за собой не допуск к экзам
е
ну.

Студент допускается до экзамена, если он не имеет задолженности по
контрольным и лабораторным работам.

Выбор ва
рианта
на контрольную работу №1 и №
осуществляется по
последней цифре учебного шифра
.





6

















1 ВАРИАНТЫ ЗАДАНИЙ НА КОНТРОЛЬНУЮ РАБОТУ

№1
, С
УКАЗАНИЯМИ ПО РЕШЕНИЮ ЗАДАЧ


Задача
1
.
О
пределить

c
илу
избыточногогидростатического давления на 1
пог
онный метр длины стенки, предварительно
построив эпюру гидростатического да
в
ления

(рисунок 1)
.

П
лотность кладки
кл
. Глубина
воды перед стенкой
h
, плотность воды

=

1000 кг/м
3
.







Рисунок 1


Исходные данные принять по та
б
лице 1.


Таблица
1


Исходные

данные

Номер вариантов

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

Выс
ота
h
, м

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Ширина
b
, м

0,5

0,6

0,7

0,8

0,85

0,9

1

1,1

1,2

1,3

Плотность
кл
.
, кг/м
3

750

780

790

800

810

820

830

840

850

860



7

Указания к решению задачи 
.


Для построения эпюры
гидростатического давления на сте
нку следует в точках А и В определить
избыточное давление по формуле:



,







(
1
)

где
h



глубина по
гружения данной точки под уровень воды, м.

При построении эпюры гидростатического давления следует помнить,
что давление всегда направленно перпендикулярно площадке, на которую
оно действует.

Сила избыточного гидростатического давления на плоскую стенку
вы
числяется по формуле:


,






(
2
)


где
p
ц.т
.



давление в центре тяж
ести смоченной поверхности, Па
;




площадь смоченной поверхности, м
2
.

Точка приложения суммарной силы избыточного гидростатического
давления называется центром давления. Положение центра давления
определяется по формуле:



,



(
3
)


где
L
ц.д
.



расстояние в плоской стенке от центра давления до
свободного уровня жидкости, м;

L
ц.т
.



расстояние в плоской стенке от центра
тяжести стенки до
свободного уровня жидкости, м
;




площадь смоченной поверхности, м;

J



момент инерции смоченной плоской площадки относительно
горизонтальной оси, проходящей через центр тяжести. Для плоской
прямоугольной фигуры:




, пог.
м

(4)


Определив силу избыточного гидростатического давления
P
изб

и точку
ее приложения
L
ц.д.
, можно найти опрокидыва
ющий момент




.


(5)

Удерживающий момент относительно точки О равен:







,






(6
)


8

где
G



вес подпорной стенки, кН.

Запас устойчивости на опрокидывание равен отношению
удерживающего момента сил относительно точки О
к опрокидывающему
моменту:




.







(
7
)

Если значение
K
получится меньше трех, то следует о
пределить
ширину стенки
b
3
, которая бы удовлетворяла запасу устойчивости
K

= 3.
Полученное значение округлить до 5 сантиметров в большую сторону.


Зад
ача

2
.

Определить величину, направление и точку приложения
силы ги
д
ростатического давления воды на

1

метр

ширины

вальцового
затв
о
ра диаметром
D
, если уровень воды перед затвором
H

(рисунок
2).

Плотность в
оды 1000 кг/м
3
, ускорение свободного падения 9,81 м/с
2

















Рисунок 

Исходные данные принять по та
б
лице
2.


Таблица 


Исходные

данные

Номер вариантов

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

Высота
h
, м

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Ширина
b
, м

0,5

0,6

0,7

0,8

0,85

0,9

1

1,1

1,2

1,3

Плотность
кл
.
, кг/м
3

750

780

790

800

810

820

830

840

850

860


У
казания к решению задачи 
.
Суммарная сила избыточного
давления воды на цилиндрическую поверхность определяется по формуле:



9



,






(8
)

где
P
x



горизонтальная составляющая силы избыточного
гидростатического давления, Н;
P
y



вертикальная составляющая силы
избыточного гидростатического давления, Н.

Гор
изонтальная составляющая силы избыточного гидростатического
давления равна силе давления на вертикальную проекцию цилиндрической
поверхности:




,







(9
)

где
h
ц.т.



расстояние по вертикали от центра тяжести вертикальной
проекции цилиндрической
поверхности до уровня воды, м;
y



площадь
вертикальной проекции цилиндрической поверхности, м
2
.

Ве
ртикальная составляющая силы избыточного гидростатического
давления определяется по формуле:





,






(1
0
)


где
W



объем тела давления, м
3
.

То есть вертикальная составляющая силы давления равна весу
жидкости в объеме тела давления.

Тело давления представляет собой объем, расположенный над
цилиндрической поверхностью и заключенный между вертикальными
плоскос
тями, проходящими через крайние образующие цилиндрической
поверхности, самой цилиндрической поверхностью и свободной
поверхностью воды. Если тело давления находится со стороны, не
смачиваемой жидкостью поверхности (в теле давления нет воды), то такое
тело
давления отрицательно и сила
P
y

будет направлена вверх.

В данной задаче для нахождения тела давления следует
цилиндрическую поверхность ABC разделить на две: AB и BC, причем тело
давления для поверхности AB будет положительным, а для BC


отрицательным.

Ре
зультирующий объем тела давления на всю цилиндрическую
поверхность ABC и его знак находятся путем алгебраического
суммирования тел давления на криволинейные поверхности AB и BC.

Суммарная сила избыточного гидростатического давления на
цилиндрическую поверх
ность направлена по радиусу к центру
цилиндрической поверхности под углом
к вертикали.






(11
)



10

Задача
3
.


Из открытого резервуара, в котором поддерживается
постоянный уровень, по
стальному трубопроводу
(эквивалентная
шероховатость
э

=

0,1

мм),
состоящему из труб
различного диаметра
d

и
различной длины
L
, вытекает
в атмосферу вода, расход
которой
Q

и температура
t

o
С
(рисунок 4
).


Требуется:

1.
Определить
скорости движения воды и
потери напора (по длине и местные)

Рисунок 4


на к
а
ждом участке трубопровода.


2.

Установить величину напора
Н

в резервуаре.

3.

Построить напорную и пьезометрическую линии, с соблюдением
масштаба.


Исходные данные принять по та
б
лице 3.


Таблица 3


Исходные

данные

Номер в
ариантов

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

Длина
l
1
, м

0,5

0,6

0,7

0,8

0,85

0,9

1

1,1

1,2

1,3

Длина
l
2
, м

1

1,1

2

2,2

3

3,5

4

4,5

5

1,5

Длина
l
3
, м

3

5

7

8

4

3

2

8

3,5

6

Диаметр
d
1
, мм

50

100

150

200

12
0

130

140

210

220

230

Диаметр
d
2
, мм

25

55

75

100

90

100

120

130

140

150

Диаметр
d
3
, мм

70

110

160

210

125

135

145

135

225

235

Q
, л/с

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100


Указания к решению
зада
чи 3.


Эта задача решается
на основе применения уравнения
Д. Бернулли. Для плавно
изменяющегося потока вязкой
жидкости, д
вижущейся от
сечения 1 к сечению 

(рисунок
5
)
, уравнение Д. Бернулли имеет
вид:


Рисунок 5


11



,



(11
)

где
z
1
,
z
2



расстояние от центров тяжести сечений 1 и  до произвольно
выбранной горизонтальной плоск
о
сти сравнения;

p
1
,
p
2



давление в центрах тяжести живых сечений 1 и ;

v
1
, v
2



средняя скорость движ
е
ния

жидкости в живых сечениях 1 и ;

1
,
2



коэффициент кинетической э
нергии (коэффициент
Кориолиса),

поправочный коэффициент,


представляющий собой безразмерную величину,
равную отношению
исти
н
ной кинетической энергии потока в рассматриваемом сечении к
кинетической энергии, подсчитанной по средней скорости.

Для ламинарного режима движения



можно принять равным 1, а
для турбулентного
=2.


h
1
-
2



потери напора на преодоление сил сопротивления

п
ри движении потока от сечения 1 до сечения 
.



Решение задачи выполняется в следующем порядке:


1. Составляется уравнение Д. Бернулли в общем, виде для сечений 0
-
0
(на свободной повер
хности жидк
о
сти в резервуаре) и сечения 3
-
3 (на
выходе потока из трубы). При написании уравнения Д. Бернулли следует
помнить, что индексы у всех членов уравнения должны соответствовать
номерам рассматриваемых сечений. Например, величины, относящиеся к
сече
нию 0
-
0, следует обозначать
z
0
,
p
0
,
v
0
,

а к сечению 3
-
3


z
3
,

p
3
,

v
3
.

2
.
Намечается горизонтальная плоскость сравнения. При
горизонтальном трубопроводе плоскость сравн
е
ния проводится по оси
трубопровода. После этого у
с
танавливается, чему равно каждое сл
агаемое,
входящее в уравнение Д. Бернулли, применительно к условиям решаемой
задачи. Например,
z
0

=
H

(искомая

величина напора в резервуаре);
p
0

=

p
ат

(атмосферное давление);
v
0

=

0 (скорость движения воды в сечении 0
-
0) и
так далее.



3. После подстано
вки всех найденных величин в уравнение Д. Бернулли
и его преобразования записывается расчетное уравнение в буквенном
выражении для определения искомой величины
H.

4.

Определяются скорости движения воды на каждом участке.




,

(12)


5.
По скоростям движения воды вычисляются числа Рейнольдса, и
устанавливается режим движения на каждом
участке
.



Re

=
v

d

/
.

(13)



12

Значение кинематического коэффициента вязк
о
сти

о
пределим в
зависимости от температур
ы
(ПРИЛОЖЕНИЕ А)



6. Определяются потери напора по длине каждого участка (
h
L1
,
h
L2
,
h
L3
) и
в каждом местном сопротивл
е
нии (вход воды из резервуара
h
вх
, внезапное
расширение
h
вр

и внезапное сужение
h
вс
).

Потери по длине следует определять по формуле Дар
си:




,






(14
)

где
L,

d



соответственно длина и диаметр ра
с
четного участка
трубопровода;

v



средняя скорость

дв
и
жения воды на рассматриваемом участке.




коэффициент гидравличес
кого трения (коэффициент Дарси) может
быть определен по формуле Дарси в случае ламинрного режима движения




, (
15
)



или

по формуле Альтшуля в случае турбулентного движения:








,





(16
)


где
k
э

=
э



эквивалентная шероховатость стенки трубы

, мм
;

9. Потери напора в местных сопротивлениях вычисляют по формуле
Вейсбаха:




h

м
=

,

(17
)


г
де
v



сред
г
няя скорость за данным местным сопротивлением;
безразмерный коэффициент местного сопротивления определяется по
справочни
ку.



При вычислении потери напора на вход в трубу коэффициент местного
сопротивления
вх

равен 0,5. Зн
а
чение коэффициента местного
сопротивления при внезапном сужении трубопровода
вс

берется в
завис
и
мости от

степени сужения
n

(отношения площади трубы в узком
сечении к площади трубы в широком сеч
е
нии),
(ПРИЛОЖЕНИЕ А)
.


13

10. После определения потерь напора по длине и в местных
сопротивлениях вычисляется искомая вел
и
чина


напор
Н
в резервуаре.



(
18
)


11. Строится напорная линия. Напорная линия показывает, как
изменяе
т
с
я полный напор: (полная удельная энергия) по длине потока.
Значения
Н

откладываются вертикально вверх от осевой линии
трубопровода.


При построении напорной линии нужно вертикалями выделить
расчетные участки. Таких участков в данной задаче будет три.

Дале
е в произвольно выбранном вертикальном масштабе
откладывается от осевой линии велич
и
на найденного уровня жидкости в
резервуаре
Н
.

Проводя по этому уровню горизонтальную линию, получаем линию
исходного (первоначального) н
а
пора. От уровня жидкости в резерву
аре по
вертикали, отвечающей сечению при входе жидкости в трубопровод,
откладывается в масштабе вниз отрезок, равный потере напора при входе
жидкости в трубу (потеря напора в мес
т
ном сопротивлении
h
вх
).

На участке
L
1

имеет место потеря напора по длине тру
бопровода
h
L1
.
Для получения точки, принадлежащей напорной линии в конце участка
L
1
,
нужно от линии полного напора после входа жидкости в трубу отложить по
вертикали в конце участка
L
1

вниз в масштабе отрезок, соответствующий
потере напора на этом участке
h
L1
.

Затем от точки полн
о
го напора в конце участка
L
1

откладывается в
масштабе отрезок, соответс
т
вующий потере напора в местном
сопротивлении (внезапное расширение
h
вр
), и так до конца трубопровода.
Соединяя точки полного напора в каждом сечении, получим
напорную
линию.

Пьезометрическая линия показывает, как изменяется пьезометрический
напор (удельная потенциальная энергия), по длине потока. Удельная
поте
н
циальная энергия меньше полной удельной энергии на величину
удельной кинетической энергии
v
2
/ (
2 g
).
Поэтому, чтобы построить
пьезометр
и
ческую линию, нужно вычислить на каждом участке величину
v
2
/ (
2 g
) в начале и в конце каждого участка и соединяя полученные точки,
строим пьезометрическую линию.

Графики напорной и пьезометрической линий будут построены
правил
ь
но в том случае, если при их построении были выдержаны
принятые верт
и
кальный и горизонтальный масштабы, а также верно
вычислены все потери напора и все скоростные напоры
v
2
/ (
2 g
).


14

Для того чтобы проверить правильность построения напорной и
пьез
о
ме
трической линий, необходимо помнить следующее:

Напорная линия вниз по течению всегда убывает. Нигде и никогда
н
а
порная линия не может вниз по течению возрастать.

Поскольку потеря энергии потока на трение зависит от скорости
движ
е
ния жидкости, интенсивность

потери напора (потеря напора на
единицу длины или гидравлический уклон) будет больше на том участке,
где ск
о
рость больше. Следовательно, на участках с меньшими диаметрами
и бол
ь
шими скоростями наклон напорной и пьезометрической линии будет
бол
ь
ше.

В отли
чие от напорной пьезометричес
кая линия может вниз по
течению
как убывать, так и возрастать (при переходе с

меньшего сечения на
бол
ь
шее).

В пределах каждого
участка пьезометрическая
линия должна быть
пара
л
лельна напорной,
поскольку в пределах
каждого участ
ка постоянна
вел
и
чина
v
2
/
(2 g).
На тех
участках, где скорость
больше, расстояние между
напорной и
пь
е
зометрической линиями
больше.

изменялась пьезометрическая

Рисунок 6

линия по длине потока при выходе

его в атмосферу (св
обо
д
ное истечение), она неизбежно должна приходить в
центр тяжести выходного сечения. Это происходит потому, что
пьезометрическая линия показывает изменение избыточного давления по
длине труб
о
провода, которое в выходном сечении равно нулю, поскольку в
выхо
дном сечении абсолютное давл
е
ние равно атмосферному.

После построения напорной и пьезометрической линий на графике
показывают все потери напора и все скоростные н
а
поры с указанием их
численных значений. Примерны
й вид графика приведен на рис. 6
.




Задача
4.
Бак разделен на два отсека тонкой перегородкой. Из отсека I
вода

через отверстие в перегородке диаметром
d
1
, расположенное

на
высоте
h
1

от дна, поступает в отсек II, а из отсека II через внешний
цилиндрический насадок диаметром
d
2

выливается наружу. Вы
сота

15

расположения насадка над дном


h
2
.
Уровень воды над центром отверстия в
отсеке I равен
H
1

(рисунок 7
). Движение

установившееся.


Требуется определить
:


1. Расход
Q
,

. Перепад уровней воды в отсеках
h
.


Рисунок 7


Исходные данные принять по та
б
лице 4.


Таблица 4



Исходные

данные

Номер вариантов

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

Высота
h
1
, м

0,5

0,6

0,7

0,8

0,85

0,9

1

1,1

1,2

1,3

Высота
H
1
, м

1

1,1

2

2,2

3

3,5

4

4,5

5

1,5

Высота
h
2
, м

3

5

7

8

4

3

2

8

3,5

6

Диаметр
d
1
, мм

50

100

150

200

120

130

140

210

220

230

Диаметр
d
2
, мм

25

55

75

100

90

100

120

130

140

150

Ди
аметр
d
3
, мм

70

110

160

210

125

135

145

135

225

235


Указания к решению задачи 4
.


Расход жидкости при истечении из

отверстий и насадок
определяется по формуле:




,





(1
9
)


где
-

площадь отверстия;

Н

-

действующий напор над центром

отверстия;



-

коэ
ф
фициент р
асхода (при истечении из отверстия можно принять

о

= 0,62,

из насадк
а

н
= 0,82).

В данной задаче возможны два условия протекания воды из о
тсека I в
отсек II (

при свободном истечении, когда (
h
2

+

H
2
)


h
1

и при и
с
течении
под уровень (затопленное отверстие), когда (
h
2

+

H
2
)


h
1
.

При свободном истечении действующий напор над центром отверстия
равен
Н
1
.

При затопленном отверстии истечение будет происходить под
действие
м напора

h

=

(
h
1

+

H
1
)
-

(
h
2

+

H
2
). Величину коэффициента расхода
следует брать той же, что и при свободном истечении.

Решение задачи начинаем с предположения о незатопленности
отверстия.

Находим


16



.




(20
)




Учитывая равенство расходов из отверстия и насадки, определяем








.


(2
1
)


Если

(
h
2

+

H
2
)
h
1
,

то расход определен правильно, в противном
случае выпол
няем перерасчет, считая истечение из отверстия затопленным.
В этом случае:







(22
)


Из этого равенства находим
Н
2
.

Проверяем условие зат
опляемости (
h
2

+

H
2
) �

h
1

и определяем искомый расход


.



(23
)

Проверяем условие затопляемости и определяем

искомый расход,
после чего находим искомое значение
h

=

(
h
1

+
H
1
)
-

(
h
2

+

H
2
)

и выполняем

пр
о
верку.



.



(24)



Задача
5
.



Вода из реки

(
t

=
12
0

С)

по самотечному трубопроводу
длиной
L

и диаметром
d

п
о
дается в водоприемный колодец, из которого
насосом с расходом
Q

она п
е
рекачивается в водонапорную башню.
Диаметр всасывающей линии насоса


d
вс
, длина



L
вс
. Ось
насоса
расположена выше уровня воды в реке на в
е
личину
H

(рисунок 8
).

Требуется определить:

1. Давление при входе в насос (показание вакуумметра в сечении
2
-
2),
выраженное в метрах водяного
столба.

. Как изменится величина
вакуума в этом сечении,

если в
оду в колодец подавать
по двум трубам одинакового
диаметра
d

?


Рисунок 8


17

Исходные данные принять по та
б
лице 5.


Таблица
5



Исходные

данные

Номер вариантов

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

Q
, л/с

20

40

60

80

100

80

60

40

20

50

Длина
L
вс.
,

м

5

6

7

6,5

6,8

6,
9

5,5

5,6

5,7

5,8

Диаметр
d
вс.
,
мм

200

100

120

150

100

120

125

135

140

150

Высота
H
, м

1

1,1

2

2,2

3

3,5

4

4,5

5

1,5

Диаметр
d
, мм

250

100

150

200

120

130

140

210

220

230


Указа
ния к решению задачи 5
.


Для определения искомой величины
вакуума при входе в насос (сечение
2

2)

p
вак.

необходимо знать высоту
расположения оси насоса над уровнем воды в водоприемном колодце. Эта
высота складывается из суммы высот
H

+ z
.

Поскольку вел
ичина
Н
задана, необходимо определить перепад
уровней воды в реке и водоприемном колодце
z
.

Величина
z

при заданных длине и диаметре самотечной линии зависит
от расхода
Q

и определяется из уравнения Бернулли, составленного для
сеч
е
ний
О

О

и
1

1

(рисунок 8
)
:







.



(25
)


Принимая за горизонтальную плоскость сравнения сечение 1

1 и
считая
v
0

 0 и
v
1

 0, а также учитывая, что да
вления в сечениях
О

О

и 1

1
равны атмосферному (
р
о

=
p
т

и
р
1

=
p
т
), имеем расчетный вид урав
нения:




,


(26)

то есть


перепад уровней воды в бассейне и водоприемном колодце
равен сумме потерь напора при движении воды по самотечной линии. Она
состоит из потерь напора по длине и в местных сопротивлениях




.


(27)


K местным сопротивлениям относятся вход в трубопровод и выход из
него. При определении потерь напора в этих сопротивлениях коэффиц
иент
местного сопротивления входа следует принять
вх
 3, а выхода
вых

=

1

[4,5].

Потерю напора по длине следует найти по формуле Дарси,
значение к
о
эффициента гидравлического трения опре
делить по формуле А.

18

Д. Альтш
у
ля (см. указ
ания к решению задачи 4), приимаем

эквивалентную
шероховатость стенок труб
э

 1 мм и кинематический коэффициент
вя
з
кости


(
ПРИЛОЖЕНИЕ А

)
.

Искомая величина вакуума пр
и входе в насос определяется из
уравнения Бернулли, составленного для сечений 1

1 и
2

2,
при этом за
горизонтал
ь
ную плоскость сравнения следует взять сечение
1

1.

При определении потерь напора во всасывающей линии насоса
коэфф
и
циент местного сопротивления
при
емного клапана с сеткой
= 5,

а
колена принять
кол

 0,; коэффициент гидравлического трения

в
ы
ч
ислить в соответствие с определенным по числу Рейнольдса режимом
движения

[4,5].


При д
вижении воды по двум самотечным трубам одинакового
диаметра новое значение вакуума в сечении
2

2

определяется из расчета
прохожд
е
ния по одной трубе расхода
Q
1

=
Q

/
2
. Исходя из этого расхода,
следует найти новое, значение перепада уровней
z,

а после этого

в том

же

порядке вычислить соответствующую этому значению
z

величину вакуума
в сечении
2

2.


 ВАРИАНТЫ ЗАДАНИЙ НА КОНТРОЛЬНУЮ РАБОТУ № , С
УКАЗАНИЯМИ ПО РЕШЕНИЮ ЗАДАЧ


Задача 6
.
На рис. 1 показана схема разветвленной водопроводной
сети из чугу
н
ных водо
проводных труб.
Свободный напор
H
св

конечных
точках сети до
л
жен быть не менее 15 м. Значения длин участков
L
, узловых
расходов
Q,

и удельных путевых расходов
q,

приведены в исходных
данных. Местность горизонтальная.

Требуется:

1. Определить расчетные расхо
ды воды на каждом участке.

2.
Установить диаметры тр
уб на магистральном направлении
по
предельным расходам.

3. Определить необходимую высоту водонапорной башни.

4. Определить диаметр
ответвления от магистрали.

5.

Вычислить фактические
значения свободн
ых

напоров в точках водоотбора.






Рисунок 9


19

Исходные данные принять по та
б
лице 6.


Таблица
6



Исходные

данные

Номер вариантов

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

Длина
L
1
-
2.
,

м

200

100

120

150

100

120

125

135

140

150

Длина
L
2
-
3.
,

м

3
00

2
00

2
20

300

4
00

3
20

2
25

3
35

2
40

10
0

Длина
L
1
-
2.
,

м

100

300

125

155

150

122

135

145

150

180

Длина
L
2
-
3.
,

м

210

150

130

140

120

125

130

155

145

155

q
3
-
4
, л/с

10

7

1
0

5

15

6

7

3

2

1

q
2
-
5

, л/с

7

3

5

4

6

2

1

10

5

4


Указания к решению задачи 6

Решение задачи рекомендуется выполнять в следующей
последовател
ь
ности:

1. Определить путевые расходы
Q
n 3
-
4
,

Q
n 2
-
5

по формуле






,



(28)

где
q



заданный удельный путевой расход на участке;
L



длина
участка.

. Установить расчетные расходы воды для каждого участка сети,
рук
о
водствуясь тем, что расчетный расход на участке равен сумме узловых
ра
с
ходов, расположенных за данным участком (по направлению движения
в
о
ды).

При этом равномерно распре
деленные путевые расходы заменяются
сосредоточенными поровну в прилегающих узлах. Так, например:




,



(29)


и так далее.

3. Наметить основную магистраль трубопровода. За основную
магистраль следует, как правило, принимать линию, соединяющую башню
с самой уд
а
ленной точкой водопотребления.

4. Наметить диаметры труб основной маг
истрали по величинам
предел
ь
ных расходов, пользуясь прил. 4.

5. Определить потери напора на участках магистрали по формуле






h

=
i L,



(30)


где
i


гидравли
ческий уклон (потеря напо
ра на единицу длины),
зависящий

от расхода и диаметра трубопровода;
L


длина участка трубопровода.


20

Величины
h
можно также определять по формуле




.





(31)


Величины
S
0

и
K

для каждого участка
можно определить с помощью
справочной литературы [4,5]
.

6.
Вычислить высоту водонапорной башни по формуле







,




(32)


где
H
св



свободный напор в конечной точке магистрали;

h
сумма

потерь напора на участках магист
рали от башни до конечной
точки.

Если, например, за магистральную принята линия 1

2

3

4, то нужно
о
п
ределить сумму потерь напора на участках 1

2, 2

3, 3

4. Полученное
знач
е
ние
H
б

следует округлить до целого числа, метров.

7.
Определить напор воды в начале
ответвления от магистрали (в точке
) по формуле


,





(33)

где
h
1
-
2



потеря напора на

участке магистрали от башни до
ответвления.

7.
Определить средний гидравлический уклон для ответвления по
формуле




,




(3
4)


где
H
св



требуемый свободный напор в конечной точке ответвления;

L
отв



длина ответвления (например, длина участка 

5).

8.
Диаметр трубы выбирается по расходной характеристике





,





(35)

соответствующей среднему гидравлическому уклону ответвления.
Польз
у
ясь
ПРИЛОЖЕНИЕМ А

и получе
нной величиной
K

по большему
ближайшему табли
ч
ному значению
K

выбираем диаметр ответвления.

9.
Вычислить фактические значения свободных напоров в точках
вод
о
отбора по формуле



21



,







(36)


где
Н
i



напор в конечной точке
i
-
го участка;

H
i
-
1

напор в начальной точке
i
-
1
-
го участка;

i


фактический гидравлический уклон для рассматриваемого участка;

S
0



удельное сопрот
ивление

рассматриваемого участка [4,
5]




Задача
7
.
Дорожная насыпь

(рисунок 10)
, имеющая высоту
Н
нас
,
ширину земляного

полотна
В

=

1 м и крутизну заложения откосов
m

= 1,5,
пересекает водоток с пер
е
менным расходом, для пропуска которого в теле
насыпи укладывается с уклоном
i
т
, круглая железобетонная труба,
имеющая обтекаемый оголовок.

Требуется:

1.

Подобрать диаметр трубы для пропуска расхода
Q
max

в напорном
режиме при допустимой скорости движения воды

в трубе
v
доп

= 4
м/с и минимально допустимом ра
с
стоянии от бровки насыпи до
подпорного уровня
а
min

 0,5 м.

2.

Определить фактическую скорость движения воды в трубе
v
ф

при
пропуске максимального расхода и глубину
Н
в
о
ды перед трубой,
соответствующую этому р
а
с
ходу.

3.

Рассчитать предельные расходы и соответствующие им глубины
перед трубой, при которых труба будет раб
о
тать в безнапорном и
полунапорных
мах.




Рисунок 10


22

Исходные данные принять по та
б
лице 7.


Таблица
7




Исходные

данные

Номер ва
риантов

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

Уклон
i
n

0
,
008

0,007

0,006

0,005

0,004

0,00
4

0,006

0,007

0,00
3

0,009

Q
max
?, м
3


4,5

6

8

3,9

5

3

2,8

1,7

10

5

Н
нас

3

2,6

3,2

3,6

5

2,2

4,1

2,4

5,4

4


Указания к решению задачи 7
.


Водопропускные трубы под
насыпями дорог

(железных и автомобил
ь
ных) служат для пропуска
расходов воды периодически действующих вод
о
токов во время ливневых
или весенних паводков.

Ч
аще всего применяются водопропускные трубы круглого сечения.



По числу отверстий трубы бывают одноочковые, двухочк
овые,
трехочк
о
вые и многоочковые.

Согласно действующим типовым проектам круглые дорожные
водопр
о
пускные трубы имеют следующие стандартные отверстия

диаметром
: 0,75; 1,0; 1,5; 1,5 и  м.

Одной из задач гидравлического расчета труб является определение
необ
ходимого диаметра труб. При этом считается, что пропускная
спосо
б
ность многоочковых (двухочковых, трехочковых и так далее) труб
равна суммарной пропускной способности соответствующего количества
одноо
ч
ковых труб.

Гидравлические расчеты водопропускных труб
выполняют в зависимости от условий их работы.

Различают следующие режимы работы труб:

1.
безнапорный, когда входное сечение не затоплено и на всем
протяжении трубы поток имеет свободную п
о
верхность (рисунок 10
);

2.
полунапорный, когда входное сечение труб
ы затоплено, то есть на
входе труба работает полным сечением, а на остал
ь
ном протяжении поток
имеет свободную повер
х
ность (рисунок 10
);

3.
напорный, когда труба работает полным сечением, то есть все
поперечное сечение трубы по всей длине по
л
н
остью заполне
но водой
(рисунок 10
).

Напорный режим имеет место при одновременном выполнении трех
у
с
ловий:

входной оголовок должен быть обтекаемым;

Н

� 1,4
d
;

i
т


i
, где

i



гидравлический уклон.

Пропускная способность напорных труб вычисляется по формуле:



23




.




(37)


Коэффициент расхода

опре
деляется зависимостью




,





(38)


где
вх



коэффициент сопротивления на вход
е, для обтекаемых
оголо
в
ков
вх

= 0,2;


-

коэффициент

гидравлического

трения (принять


=

0,025);

L


длина трубы.

При напорном режиме трубы обладают наибольшей пропускной
спосо
б
ностью.

В соответствии с вышеизложенным, задача решается в
следующем п
о
рядке.

Исходя из заданной допустимой скорости движения
воды в трубе
v
доп
, определяются площадь живого сечения потока и диаметр
напорной трубы




.





(39)


Найденный диаметр округляется до ближайшего большего
стандартного значения
d
ст

(0,75; 1,0; 1,5; 1,5; ,0 м), и
вычисляется
фактическая скорость движения воды



.




(40)


Далее определяется длина

трубы
L
. При ширине земляного полотна
В
,
высоте насыпи
Н
нас

и крутизне заложения ее откосов
m

длина трубы










(41)


После этого вычисляется значение коэффициента расхода по формуле
(38).

Затем из формулы (37) определяется напор воды перед трубой:



24



.





(42)


При этом должны быть выдержаны условия:
Н

� 1,4
d
;

Н
= (
Н
нас



0,5) и
i
т


i
. Проверка последнего условия проводится на
основ
а
нии формулы Шези:




,






(43)


откуда гидравлический уклон:



,





(44)


где
K



расходная характери
стика,
м
3
/с;




,



(45)


С



коэфф
и
циент Шези, , м
0,5
/с;

С 
n
-
1
R
y

,

где
n



коэффициент шероховатости,
n

= 0,012
.

Если условия для напорного режима не соблюдаются, то принимается
двухочковая труба. Считается, что

расход по каждой трубе одинаков и
р
а
вен
Q

/ 2.

По формуле (39) определяется диаметр трубы. Если двухочковая труба
не обеспечивает напорный режим, то принимается трехочковая и так далее.

Полунапорный режим бывает при условии
Н
� 1,2
d.

Пропускная
способно
сть полунапорных труб с учетом уклона дна опр
е
деляется по
формуле:






,






(46
)


где




коэфф
ициент расхода, зависящий от типа оголовка (для
условий да
н
ной

задачи
= 0,7
)




площадь сечения трубы;

d



диаметр отверстия трубы;
i
т



уклон дна трубы.

Пропускная способность полунапорных труб больше, чем
б
езнапорных.

Верхний предел существования полунапорного режима
определяется усл
о
вием
Н

= 1,4
d.

Соответствующий ему предельный
расход, вычисляемый по формуле:



25


.




(47
)

Условием существования безнапорного режима является

Н

1,2
d
,

где
Н



напор (глубина) воды перед трубой
; d



диаметр трубы.

Пропускн
ая способность безнапорных труб может быть определена по
формуле А. А. Угинчуса:




,





(48
)

где
b
к



средняя ширина п
о
тока в сечении с критической глубиной
(определяется по графику, пре
д
ставленному на рисунке 11),



коэффициент расхода (принять
= 0,335
).

Верхний предел существования безнапорного режима опр
еделяется
усл
о
вием
Н

= 1,2
d
, а соответствующий ему предельный расход
определяется по формуле:



.





(49
)

Для определения
b
к

вычисляется отношение





,




(50
)

затем находится значение безразме
рного параметра


,



(51
)







(52)


после чего по графику
(рисунок 11
) опред
е
ляется соответствующая этому
параметру величина
b
к

/
d,

по которой опр
е
деляется значение
b
к




.




(53
)



Рисунок 11


26




3 ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОСТ
ОЯТЕЛЬНОГО ИЗУЧЕНИЯ


ДИСЦИПЛИН
Ы

1
История развития дисциплины. Труды Архимеда, Леонардо да
-
Винчи. Вклад в развитие науки Ньютона, Паскаля, Торичелли. Работы
Ломоносова, Бернулли, Эйлера. Исследования Н.Жуковского. Наши
современники и их вклад в развитие дисциплины.

2
Понятие «жидкость»
. Капельная, реальная, идеальная, упругая
жидкость. Силы, действующие в жидкости.

3
Механические характеристики жидкости. Физические свойства
капельной жидкости (сжимаемость, вязкость, поверхностное
натяжение, температурное расширение, капиллярность, ис
паряемость,
растворимость газов.)

4
Гидростатическое давление (ГД). Два основных свойства ГД (с
доказательством).

5
Гидростатическое давление: атмосферное, избыточное,
вакууметрическое, абсолютное.

6

Основное уравнение гидростатики (вывод). Закон Паскаля.
Гидростатический парадокс. Героновы фонтаны, устройство, принцип
действия.

7
Приборы, применяемые для измерения давления (атмосферного,
избыточного, вакууметрического). Устройство, принцип действия.
Класс точности приборов.

8
Дифференциальные уравнения по
коящейся идеальной жидкости
(Уравнения Л.Эйлера). Вывод уравнений, пример применения
уравнений для решения практических задач.

9
Определение силы гидростатического давления на плоскую стенку,
расположенную под углом к горизонту. Центр давления. Положение
центра давления в случае прямоугольной площадки, верхняя кромка
которой лежит на уровне свободной поверхности.

10
Определение силы гидростатического давления на криволинейную
поверхность. Эксцентриситет. Объем тела давления.

11
Закон Архимеда. Вывод уравне
ния для определения Архимедовой
силы. Центр водоизмещения. Условия плавания и остойчивости тела.
Метацентр. Метацентрическая высота. Ватерлиния. Осадка. Запас
плавучести.

12
Виды движения жидкости (установившееся, неустановившееся,
равномерное, неравномерн
ое, напорное, безнапорное). Элементы
потока жидкости (линия тока, поверхность тока, трубка тока,
элементарная струйка, площадь живого сечения).

13
Понятие расхода жидкости. Определение скорости осредненной по
живому сечению.


27

14
Уравнение неразрывности по
тока. Вывод уравнения. Применение
уравнения к решению практических задач.

15
Уравнение Д.Бернулли для элементарной струйки идеальной
жидкости.

16
Геометрических смысл уравнения Бернулли. Энергетический смысл
уравнения Бернулли. Полный напор. Напорная и пье
зометрическая
линии.

17
Гидравлические элементы живого сечения (площадь живого
сечения, длина смоченного периметра, гидравлический радиус). Два
режима движения жидкости (ламинарный и турбулентный).

18
Опыты О.Рейнольдса. Критические числа Рейнольдса. Опре
деление
числа Рейнольдса.

19
Потери напора. Определение потерь напора по длине при
ламинарном режиме движения. Вывод уравнения Пуазейля. Закон
Пуазейля.

20
Уравнение Вейсбаха
-
Дарси. Коэффициент Дарси (коэффициент
гидравлического трения) в случае ламинарно
го движения.

21
Определение коэффициента Дарси при турбулентном режиме
движения. Коэффициент эквивалентной шероховатости.

22
Гидравлически гладкие и шероховатые трубы.

23
Уравнения для определения коэффициента Дарси в случае области
гладкого трения, до
квадратичного и квадратичного сопротивления.

24
Графики Никурадзе. Определение коэффициента Дарси опытным
путем.

25
Графики Мурина. Определение коэффициента Дарси опытным
путем.

26
Виды местных сопротивлений. Определение потерь напора на
местные сопротивле
ния. Вывод общего уравнения Вейсбаха.

27
Определение коэффициентов местных сопротивлений для
внезапного и плавного расширения, внезапного и плавного сужения,
поворота трубы на 90
0
.

28
Явление кавитации. Критическое число кавитации.

29
Уравнение Д.Бернулл
и для потока реальной жидкости.
30
Пьезометрический и гидравлический уклон. Геометрический и
энергетический смысл уравнения.

31
Дифференциальные уравнения движущейся идеальной жидкости
(уравнения Л.Эйлера). Вывод уравнений.

32
Определение скорости и расход
а при истечении жидкости через
малое отверстие в тонкой стенке при постоянном расходе.

33
Коэффициенты сжатия, скорости и расхода. Уравнение Торичелли.

34
Истечение жидкости под уровень через малое отверстие в тонкой
стенке при постоянном напоре.


28

35
Опр
еделение времени опорожнения сосуда.

36
Вывод уравнения траектории струи. Определение дальности отлета
струи.

37
Истечение жидкости через насадки. Устройство и принцип действия
насадка Вентури, Борда, расходящегося и сходящегося внешних
насадков. Определен
ие расхода и скорости.

38
Коэффициенты сжатия, скорости и расхода насадков. Уравнения
для определения скорости и расхода насадка.

39
Явление гидравлического удара. Скорость распространения ударной
волны (формула Н.Жуковского).

40
Определение превышени
я давления в трубопроводе при
гидроударе. Фаза и период гидроудара.

Прямой и непрямой гидроудар. Определение превышения давления.

41
Устойство и принцип действия гидротарана
(достоинства и
недостатки).

42
Способы борьбы с возникновением гидроудара в тру
бопроводе.

43
Гидравлический расчет трубопроводов. Трубопроводы простые и
сложные, короткие и длинные.

44
Построение трубопроводной характеристики. Статический напор,
потребный напор.

45
Построение трубопроводной характеристики при параллельном и
последо
вательном соединении коротких трубопроводов.

46
Расчет длинных трубопроводов. Определение магистрали. Понятие
коэффициента расхода.

47
Построение трубопроводной характеристики в случае тупикового
трубопровода.

48
Выбор насоса, работающего на трубопроводн
ую систему.
Построение трубопроводной характеристики. Определение потребного
напора. Поле насосов. Характеристики насоса. Определение рабочей
точки насоса.

49
Основы теории подобия. Геометрическое, кинематическое и
динамическое подобие. Критерии подобия: ч
исла Рейнольдса, Вебера,
Струхаля, Маха, Фруда, Эйлера, Ньютона.

50
Равномерное установившееся движение воды в открытом русле.

51
Основные понятия и определения. Основное уравнение
равномерного движения. Коэффициент Шези.

52
Определение гидравлических элем
ентов живого сечения для
различных форм поперечного сечения.

53
Гидравлически наивыгоднейшее сечение трапециедального канала.
Коэффициент гидравлически наивыгоднейшего сечения.

54
Ограничение скоростей движения воды при расчете канала.
Неразмывающая и неза
иляющая скорость. Мероприятия по

29

увеличению максимальной неразмывающей и минимальной
незаиляющей скорости.

55
Установившееся неравномерное движение воды в открытом
призматическом русле. Основные понятия и определения.

56
Составление основного дифференциаль
ного уравнения
неравномерного установившегося движения воды. Первый вид
уравнения.

57
Удельная энергия потока в поперечном сечении. График
зависимости удельной энергии сечения от глубины.

58
Понятие критической глубины. Определение критической глубины
для
различных форм поперечного сечения. Бурное и спокойное
движение.

59
Понятие нормальной глубины. Определение нормальной глубины.
Модуль расхода.

60
Понятие критического уклона. Вывод уравнения для определения
критического уклона.

61
Второй вид дифференциал
ьного уравнения неравномерного
установившегося движения. Гидравлический показатель русла.
Относительные глубины.

62
Третий вид дифференциального уравнения неравномерного
установившегося движения. Интегрирование уравнения методом Б.А.
Бахметева. Функции Ба
хметева.

63
Форма свободной поверхности потока при неравномерном
установившемся движении. Кривые спада и подпора. Гидравлические
оси.

64
Гидравлический прыжок. Виды прыжков. Геометрия
гидравлического прыжка.

65
Высота, длина

гидравлического

прыжка, сопряж
енные глубины.

66
Основное уравнение гидравлического прыжка. График прыжковой
функции.

67
Определение сопряженных глубин при помощи графика прыжковой
функции.

68
Определение сопряженных глубин в случае прямоугольного русла.

69
Определение потери энергии в
гидравлическом прыжке в случае
прямоугольного русла.

70
Водосливы. Основные понятия и определения. Геометрия
водосливов.

71
Скорость подхода, геометрический напор, порог водослива.

72
Классификация водосливов. Определение расхода через
водосливную стенку.

73
Расчет разнообразных водосливов.

74
Сопряжение бъефов за гидротехническими сооружениями.


30

75
Гашение энергии гидравлического прыжка. Водобойная стенка.

76
Водобойный колодец. Пирсы.

77
Движение грунтовых вод. Классификация грунтовых вод.

78
Равномерное
, неравномерное, напорное и безнапорное движение
грунтовых вод. Водоупор, кривая депрессии.

79
Определение скорости фильтрации в случае равномерного
движения. Уравнение Дарси.

80
Определение скорости фильтрации в случае неравномерного
движения грунтовых во
д. Уравнение Дюпюи.

81
Определение коэффициента Дарси лабораторным способом.

82
Определение коэффициента Дарси полевым способом. Определение
коэффициента фильтрации при помощи уравнений.

83
Фильтрационные потоки под бетонными сооружениями. Построение
гидро
динамической сетки.

84
Метод электрогидродинамических аналогий.


4 ЗАДАНИЕ НА СУРС

Для самостоятельного изучения предлагаются следующие темы раздела .

1.

Доказательство второго основного свойства гидростатического
давления.

2.

Вывод уравнения для определения:

силы гидростатического
давления на площадку, расположенную под углом к горизонту
и
координаты центра давления.

3.

Вывод уравнения для определения силы гидростатического
давления на криволинейную поверхность и координат точки ее
приложения.

4.

Вывод уравнения
для определения выталкивающей силы (Закон
Архимеда).

5.

Вывод дифференциального уравнения для покоящейся идеальной
жидкости (Уравнение Эйлера)
.

6.

Вывод уравнения неразрывности движения
.

7.

Вывод уравнения Бернулли для элементарной струйки идеальной
жидкости
.

8.

Оп
ределение расхода при истечении через малое отверстие в
тонкой стенке и под уровень при постоянном напоре.

9.

Определение времени опорожнения резервуар
а при переменном
напоре
.

10.


Вывод у
равнения Вейсбаха
-
Дарси
.

11.

Вывод общего уравнения Вейсбаха
.

12.


Определение ск
орости распространения ударной волны (Вывод
формулы Н.Жуковского). (1 час).


31

13.

Вывод дифференциальных уравнений для движущейся идеальной
жидкости (Уравнения Эйлера) (1 час).

14.


Составление дифференциального уравнения неравномерного
установившегося движения (ДУН
Д) воды в открытом русле (1 час).

15.


Составление основного уравнения гидравлического прыжка. (1
час.)

16.


Решение (ДУНД) методом Бахметева Б.А. ( часа).





































3
2

П
РИЛОЖЕНИЕ А



Таблица А.1



Зависимость давления насыщенных паров воды
от температ
у
ры


t
, º
C

5

10

15

20

25

30

P
н.п,
кПа

0,9

1,2

1,8

2,4

2,4

4,3


Таблица А.



Зависимость коэффициента кинематической вязкости воды от


темпер
а
туры


t
, º
C

0

5

7

10

12


0
,
0179

0,0152

0,0143

0,0131

0,0124

t, ºC

15

17

20

25

30


0,0114

0,0109

0,0101

0,009

0,008


Таблица А
3

-

Эквивалентная шероховатость для труб из различного


материала


Материал трубопровода

Эквивалентная шероховатость
, мм

Стекло

0

Трубы, тянутые из лату
ни, свинца, меди

0…0,00

Высококачественные бесшовные стальные

трубы

0,06…0,

Стальные трубы

0,1…0,5

Чугунные асфальтированные трубы

0,1…0,

Чугунные трубы

0,…1,0


Таблица А
4



Значения коэффициента гидравлического трения и
модуля

расхода

для круг
лых труб, ра
с
считанные

по формуле
Павловского

Н.Н. при коэффициенте шероховатости
n

= 0,012


d
, мм

50

75

100

150

200

250

300

350

400


0
,0391

0
,0349

0
,0321

0,0286

0,0263

0,0247

0,0334

0,0224

0,0216

К,
м
3


0,0098

0,0287

0,0614

0,17
94

0.3837

0.6921

1.1206

1.6842

2.3970







33

ПРИЛОЖЕНИЕ Б


Образец оформления обложки к контрольной работе № 1
, №


Министерство образования Республики Беларусь

Белорусский государственный университет транспорта


Кафедра «Экология и рациональное испол
ь
зова
ние

водных ресурсов»







Контрольная работа № 1, №

по дисциплине

«Гидравлика, гидрология и гидрометрия водотоков»








Выполнил студент Принял преподаватель

группы ЗСж



41

к.т.н., доце
нт Вострова Р.Н.

Иванов А.П.

Учебный шифр ЗСж



262


Индекс и домашний адрес:

46004 г.

Гомель,

ул.Привокзальная, д.6., кв.15.



Гомель

2005







34


ПРИЛОЖЕНИЕ В



(обязательное)


Базовая программа дисци
плины «Гидравлика, гидрология и
гидрометрия водотоков
»


Введение

Дисциплина "Гидравлика, гидрология и гидрометрия водотоков"
-

одна
из фундаментальных дисциплин общетехнического цикла служит основой

для изучения профилирующих дисциплин строительных специальностей.

Целью преподавания дисциплины является получение студентами
знаний в области гидравлики. гидрологии и гидрометрии, изучение
основных законов покоящейся и движущейся жидкости и их применения

для решения практических задач.

Задачей изучения дисциплины является приобретение знаний в области
статики жидкости, динамики жидкости в случае напорного движения
жидкости в трубопроводах и открытых руслах, а также в случае
фильтрационных процессов в гру
нтах; изучение гидрологии суши и
русловых процессов, а также исследование методов по измерению
параметров водотоков.

Преподавание дисциплины должно основываться на изучении
студентами следующих курсов:

1.

математики (разделы): векторная алгебра, дифференци
альное и
интегральное исчисление, численные методы интегрирования,

2.

теоретическая механика (разделы): статика, кинематика, динамика,

3.

инженерной графики
: построение линий пересечения поверхностей,

4.

информатики
: использование методов прикладной математики и
ст
андартных программ MAT
H
C
AD

при решении инженерных
задач.

Настоящая программа является базовой, определяющей общее
содержание дисциплины. Планом предусмотрено изучение дисциплины в
шестом семестре. Кроме лекционного курса запланировано проведение
лабораторн
ых работ и практических занятий и выполнение двух РГР.


Содержание дисциплины


История возникновения предмета. Вклад ученых Архимеда, Паскаля,
Ньютона, Торричелли, Бернулли, Эйлера, Рейнольдса, Шези, Вентури,
Базена, Бахметева, Ломоносова, Жуковс
кого, Колмогорова, Железнякова,
Леви, Гуржиенко, Железнякова и др. в развитие науки. Методика
современных исследований.

Понятие "жидкость". Свойства жидкости: плотность, удельный вес,
относительная плотность, вязкость, текучесть, сжимаемость, капиллярност
ь,

35

растворимость газов, поверхностное натяжение, температурное расширение,
сопротивление растяжению. Капильная, упругая, идеальная и реальная
жидкость. Силы, действующие в жидкости: массовые и поверхностные.
Единичная массовая сила. Аномалии воды.


ГИДРОСТ
АТИКА ЖИДКОСТИ

Гидростатическое давление. Единицы измерения давления.
Атмосфернеое, избыточное. вакуумметрическое и абсолютное давление.
Техническая и физическая атмосфера. Свойства гидростатического
давления. Вывод основного уравнения гидростатики. Зако
н Паскаля.
Гидростатический парадокс. Героновы фонтаны. Приборы для измерения
гидростатического давления. Металлический манометр, пьезометр,
микроманометр, вакуумметр. Класс точности прибора, относительная и
приведенная погрешность. Достоинства и недостатк
и приборов.

Дифференциальные уравнения идеальной покоящейся жидкости
(уравнения Эйлера). Определение силы давления жидкости на плоскую
площадку, расположенную под углом

к горизонту. Определение модуля
силы, направления и линии дейст
вия. Центр давления. Определение центра
давления в случае прямоугольной площадки, одна сторона которой лежит на
линии свободной поверхности.

Определение силы гидростатического давления на криволинейную
поверхность. Определение горизонтальной и вертикальной

составляющей
силы, направления и линии действия. Объем тела давления.
Эксцентриситет. Определение толщины стенки трубопровода. Вывод закона
Архимеда. Архимедова сила. Условия плавания и остойчивости тела. Центр
водоизмещения, ватерлиния, плавучесть тела.
Плоскость плавания, ось
плавания, осадка. Метацентр. метацентрическая высота.


ГИДРОДИНАМИКА ЖИДКОСТИ

Виды движения жидкости: установившееся и неустановившееся,
равномерное и неравномерное, напорное и безнапорное. Элементы потока
жидкости: линия тока, пов
ерхность тока, трубка тока, элементарная струйка.
Нормальное (живое) сечение.

Площадь живого сечения. Расход воды: объемный, массовый, весовой.
Средняя и мгновенная скорость движения жидкости. Уравнение
неразрывности движения жидкости, уравнение неразрывн
ости потока
(вывод).

Вывод уравнения Бернулли для элементарной струйки идеальной
жидкости.

Геометрический смысл уравнения Бернулли. Геометрический,
пьезометрический и скоростной напор. Полный напор, единица измерения.
Использование трубки Пито для определ
ения скоростного напора.

36

Пьезометрическая и напорная линии. Энергетический смысл уравнения
Бернулли. Полная удельная энергия единицы веса жидкости.

Уравнения Эйлера для элементарной струйки идеальной движущейся
жидкости. Гидравлические элементы живого сече
ния. Гидравлический
радиус. Длина смоченного периметра.

Два режима движения жидкости: ламинарный и турбулентный.

Опыты О.Рейнольдса. Нижний критический предел числа Рейнольдса.
переходная область. Потери напора на гидравлическое трение при
ламинарном режим
е движения. Коэффициент Дарси. Вывод уравнения
Пуазейля. Получ
ение уравнения Вейсбаха
-
Дарси.

Случаи, когда теория определения коэффициента Дарси при
ламинарном движении требует корректировки. Начальный участок
ламинарного движения, движение в зазоре, движ
ение с теплообменом,
движение с большими перепадами давления.

Определение коэффициента Дарси в случае турбулентного движения
жидкости. Гидравлически гладкие и шероховатые трубы, Эквивалентная
шероховатость. Облась гладкого, вязкого трения, доквадратичная
и
квадратичная область сопротивления. Графики Никурадзе
-
Мурина.

Потери напора на местные сопротивления. Вывод уравнения Борда.
Коэффициент местного сопротивления. Общее уравнение Вейсбаха.
Коэффициенты местного сопротивления для различных сопротивлений.
Яв
ление кавитации, число кавитации. Уравнение Бернулли для потока
реальной жидкости. Пьезометрический и гидравлический уклоны. Частный
случай закона сохранения энергии.


Истечение жидкости через отверстия и насадки. Определение
расхода и скорости истечения.

Истечение через малое отверстие в тонкой
стенке при постоянном напоре. Коэффициенты скорости, сжатия и расхода.
Истечение под уровень. Определение времени опорожнения резервуара.
Истечение через насадки. Насадки Вентури, Борда. Коноидальный насадок.
Опред
еление скорости и расхода при истечении через насадки.

Явление гидравлического удара. Модель гидроудара. Прямая и
обратная ударная волна. Фаза и период гидроудара. Прямой и непрямой
гидроудар. Определение превышения давления при прямом и непрямом
гидроудар
е. Формула Н.Жуковского. Мероприятия по предотвращению
гидроудара. Гидравлический таран.

Трубопроводы простые и сложные, короткие и длинные. Построение
трубопроводной характеристики.

Построение трубопроводной характеристики в случае
последовательного сое
динения трубопроводов. Построение трубопроводной
характеристики в случае параллельного соединения трубопроводов.

Выбор насоса, работающего на трубопроводную систему. Основы
теории подобия. Геометрическое, кинематическое и динамическое подобие.

37

Критериальн
ые числа. Критерии Ньютона, Вебера, Струхаля, Фруда,
Рейнольдса.


ГИДРАВЛИКА ОТКРЫТОГО РУСЛА

Установившееся безнапорное равномерное движение воды в каналах
.

Основное уравнение равномерного движения. Коэффициент Шези.
Гидравлические элементы поперечного се
чения канала. Гидравлически
наивыгоднейшее сечение канала.

Определение коэффициента гидравлически наивыгоднейшего
трапециедального сечения канала.

Основные задачи при расчете канала трапециедального сечения.
Ограничение скоростей движения воды при расчет
е канала.

Расчет каналов с составным профилем. Расчет канализационных труб.
Расчет дренажных труб. Коэффициенты и модули расхода и скорости.
Таблицы Гангилье
-
Куттера.

Установившееся неравномерное движение воды в открытом
призматическом русле. (4 часа)

Осно
вные понятия и определения. Составление основного
дифференциального уравнения неравномерного установившегося движения
(ДУНУД). Первый вид уравнения. Понятие удельной энергии потока.
График зависимости удельной энергии от глубины потока

Понятие критической
и нормальной глубины. Определение
критической глубины в случае прямоугольного сечения русла.
Определение критической и нормальной глубины графо
-
аналитическим
способом. Критический уклон. Определение гидравлических осей.

Гидравлический показатель русла. Реш
ение дифференциального
уравнения неравномерного установившегося движения воды методом
Б.А.Бахметева. Форма свободной поверхности потока в случае
неравномерного установившегося движения.

Явление водослива. Основные понятия и определения. Классификация
водос
ливов. Коэффициент расхода водослива. Определение расхода
водослива. Водомерные лотки. Лоток Вентури, лоток Паршаля.

Гидравлический прыжок. Понятия и определения. Геометрия прыжка.
Основное уравнение гидравлического прыжка.

График прыжковой функции. Опред
еление сопряженных глубин в
случае прямоугольного сечения русла. Потеря энергии в прыжке.


ДВИЖЕНИЕ ГРУНТОВЫХ В
ОД


Сопряжение бьефов за гидротехническим сооружением. Гасители
энергии гидравлического прыжка. Водобойная стенка, водобойный
колодец, комбиниро
ванный колодец, пирсы. Расчет водобойной стенки и
водобойного колодца.


38

Движение грунтовых вод. Классификация грунтовых вод. Равномерное
движение фильтрационного потока. Определение скорости и расхода в
случае равномерного движения. Формула Дарси.

Коэффици
ент фильтрации. Определение коэффициента фильтрации
лабораторным, полевым способом и при помощи полуэмпирических
уравнений. Неравномерное установившееся движение грунтовых вод.
Формула Дюпюи. Форма кривых депрессии. Напорная фильтрация под
бетонным сооруже
нием. Построение гидродинамической сетки. Метод
электрогидродинамический аналогий.

Определение дебита колодца с притоком грунтовых вод.
Абсорбирующий колодец. Определение дебита артскважины.




ГИДРОЛОГИЯ И ГИДРОМЕТРИЯ ВОДОТОКОВ


Основы общей гидрологии с
уши. Общие сведения о реках. Речные
системы. Речная долина и русло. Питание и водный режим рек.

Режим движения речного потока. Циркуляционные течения в русле.

Теория наносов и русловые процессы. Транспортирующая способность
потока. Уравнение Эри. Расчет

расходов наносов. Русловые процессы.
Русловые деформации. Наносные образования в русле.

Измерение уровней воды. Водомерные посты. Производство
водомерных наблюдений. Наблюдения за ледовыми явлениями.

Промерные работы. Приборы для измерения глубины. Постро
ение
плана участка водного объекта в изобатах. Измерение скоростей течения.
Приборы для определения скоростей и направления течения. Поплавочные
наблюдения. Построение плана течения.


Практические занятия

1.

Гидростатика. Решение задач по определению гидроста
тического
давления (абсолютного, избыточного, вакуумметрического).
Исследования свойств жидкости. Решение задач.

2.

Закон Паскаля. Решение задач с использованием закона Паскаля.

3.

Определение силы гидростатического давления на плоскую стенку,
расположенную под

углом к горизонту. Решение задач. Построение
эпюры гидростатического давления. Определение центра давления.

4.

Определение равнодействующей силы гидростатического давления
на криволинейную поверхность. Определение вертикальной и
горизонтальной составляющей с
илы гидростатического давления.
Понятие эксцентриситета. Объем тела давления. Решение задач.
Построение эпюры гидростатического давления.

5.

Закон Архимеда. Определение выталкивающей силы. Метацентр,
метацентрическая высота. Решение задач.


39

6.

Гидродинамика. Ос
новное уравнения неразрывности потока.
Решение задач. Уравнение Бернулли для идеальной жидкости.
Решение задач.

7.

Уравнение Бернулли для потока реальной жидкости. Потери напора
по длине.

8.

Уравнение Вейсбаха
-
Дарси. Потери напора на местные
сопротивления. Общее

уравнение Вейсбаха. Решение задач.
Построение напорной и пьезометрической линии.

9.

Равномерное движение воды в открытом русле. Основное
уравнение равномерного движения. Определение параметров
поперечного сечения канала. Решение задач.

10.

Неравномерное устано
вившееся движение воды в открытом
призматическом русле. Основное дифференциальное уравнение
неравномерного установившегося движения. Решение задач по
определению нормальной и критической глубины.

11.

Решение дифференциального уравнения неравномерного
устан
овившегося движения воды методом Б.А. Бахметева.
Определение гидравлического показателя русла, критического
уклона. Определение форм кривых свободной поверхности.

12.

Построение линии свободной поверхности воды при
неравномерном установившемся движении методом

Бахметева.
Применение метода пошагового интегрирования для решения
задачи.

13.

Определение сопряжения бьефов за гидротехническим
сооружением. 3.13 Расчет гасителей энергии гидравлического
прыжка. Расчет водобойного колодца и водобойной стенки.

14.

Итоговое заня
тие.


Лабораторные работы

1.

Определение гидростатического давления.

2.

Исследование относительного покоя жидкости.

3.

Определение режимов движения жидкости в трубопроводе.

4.

Опытная проверка уравнения Бернулли.

5.

Определение потерь напора по длине водопровода.

6.

Опр
еделение местных потерь напора при движении воды в трубах.

7.

Истечение жидкости через отверстия и насадки.

8.

Изучение гидравлического удара в напорном трубопроводе.

9.

Исследование кривой свободной поверхности воды в открытом
прямоугольном русле с горизонтальным

дном при неравномерном
движении.

10.

Исследование гидравлического прыжка.

11.

Определение коэффициента расхода водосливов.


40

12.

Исследование форм сопряжения бъефов за гидротехническим
сооружением и методов воздействия на них.

13.

Определение коэффициента фильтрации грунта
.


СПИСОК

ЛИТЕРАТУРЫ


1
Железняков Г.В.

Гидравлика и гидрология. М.: Транспорт, 1989.



375 с.

2
Угинчус А.А., Чугаева Е.А. Гидравлика
. Л.: Cтройиздат, 1971.

-
350 с.

3
Писарик М.Н.

Лабора
торные работы по гидравлике. Гомель
:

БелГУТ
,

1993
.
-

59
c
.

4 Справо
чник по гидравлике./ Под ред.
В.А. Большакова
. Киев: Вища школа,
1977.

-

80 с.

5
Киселев П.Г.

справочник по гидравлическим расчетам. Л.: 1961.



35 с.

6 Примеры расчетов по гидравлике./ Под ред.
А.Д. Альтшуля
. М.:
Стро
й
издат, 1976.

-
55 с.

7

Богомолов

А.
И
.

Примеры гидравлических расчетов. М.: 1969.



575 с.

8

Чугае
в Р.Р.

Гидравлика. Л.: Энергия, 1975.



599 с.

9
Шевелев

Ф.А.
, Шевелева

А.Ф
.

Таблицы гидравлического расчета
водопр
о
водных труб. М.: Стройиздат, 1984.

-
11 с.






























41






Приложенные файлы

  • pdf 8869632
    Размер файла: 532 kB Загрузок: 1

Добавить комментарий