КАФЕДРА ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ЭКСПЛУАТАЦИЯ НЕФТЕГАЗОПРОВОДОВ И ХРАНИЛИЩ Курс

КАФЕДРА «ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ЭКСПЛУАТАЦИЯ НЕФТЕГАЗОПРОВОДОВ И ХРАНИЛИЩ» Курс «ГИДРАВЛИКА» К. Т. Н. , ДОЦЕНТ ЗЕМЕНКОВА МАРИЯ ЮРЬЕВНА 2 КОРПУС, АУД. 370 Тюмень 2008

Содержание курса: -лекции; -лабораторные работы; -контрольная работа. Литература: Потёмина Т. П. , Кудрявцева Н. А. Гидравлика: Учебное пособие / Отв. ред. В. Н. Антипьев. ─ Тюмень: Тюм. ГНГУ, 2003. ─ 136 с. и др.

Содержание отчета по лабораторной работе: üНазвание лабораторной работы. üЦель работы. üСхема лабораторной установки. üОсновные расчетные уравнения и формулы. üПример вычислений с числовыми значениями. üТаблица наблюдений и вычислений. üГрафики, эпюры, построенные по результатам вычислений и обработки опытных данных. üОценка погрешности эксперимента. üВыводы о проделанной работе.

Гидравлика - наука, в которой изучаются законы движения и равновесия жидкости, области приложения этих законов к решению технических задач.

Историческая справка n 5000 лет до н. э. – Китай, простейшие оросительные каналы; n 600 лет до н. э. – Рим, водопроводы; n 250 лет до н. э. – Греция, Архимед, трактат «О плавающих телах» ; n 16 -17 вв. – эпоха Возрождения, Италия, Леонардо да Винчи, истечение жидкости из отверстий, течение в реках и каналах; n 1586 г. – Голландия, Стевин, «Начала гидростатики» ; n 1612 г. – Италия, Галилей, трактат «О телах, находящихся в воде» ;

n 1643 г. – Италия, Торричелли, формула истечения жидкости из отверстия; n 1650 г. – Франция, Паскаль, закон о передаче жидкостью внешнего давления (основа современных гидравлических машин); n 1686 г. – Англия, Ньютон, закон внутреннего трения, понятие вязкости жидкости; n 1738 г. – Россия, Даниил Бернулли, n 1755 г. – Россия, Леонард Эйлер, дифференциальные уравнения равновесия невязкой жидкости, основоположник гидродинамики;

ТЕМА 1: ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ

Жидкости – физические тела, изменяющие свою форму под действием внешних сил. Жидкость представляет собой сплошную непрерывную среду. Различают два вида жидкостей: n капельные (несжимаемые); n газообразные (сжимаемые).

Внешние силы, действующие на жидкость: 1) массовые (или объемные) силы - пропорциональны массе выделенного объема жидкости. Пример: сила тяжести, центробежная сила и др. ; 2) поверхностные силы - действуют на внешней поверхности выделенного объема жидкости и пропорциональны площади этой поверхности. Пример: силы давления поршня на жидкость, давления стенок сосуда на жидкость, атмосферного давления на свободную поверхность жидкости и т. п. Поверхностные силы распределены по поверхности выделенного объема жидкости непрерывно.

Под действием внешних сил в каждой точке рассматриваемого объема покоящейся жидкости возникают внутренние силы, которые обусловливают напряженное состояние жидкости. Напряженное состояние в каждой точке жидкости характеризуется давлением.

Гидростатическое давление Давление — отношение силы, нормальной к поверхности взаимодействия между телами, к площади этой поверхности или в виде формулы: Свойства : 1. 2. Направлено со стороны жидкости по нормали к поверхности на которую действует. Для любой точки жидкости одинаково по всем направлениям.

ВАКУУМ Ва куум (от лат. vacuum — пустота)недостаток давления в точке до атмосферного Различают понятия: физического и технического вакуума. Технический вакуумом называют газ в сосуде или трубопроводе с давлением ниже, чем в окружающей атмосфере. Под физическим вакуумом понимают полностью лишённое материи пространство.

Давление: -абсолютное, -избыточное, -вакуметричекое Pабс = Ратм+Ризб Pвак= Ратм-Рабс

Физико-механические свойства жидкостей: Плотность; n Удельный вес; n Удельный объем; n Вязкость. n

Плотность - масса единицы объема Удельный вес - вес единицы объема Удельный объем - объема единицы массы

ТЕМА 2: ИЗМЕРЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ

Перевести в систему СИ: 10 Бар = 2 ат = 15 кгс = 20 мм. рт. ст = 110 л. с. = 300 ккал =

Метрические системы единиц измерения СИ - (SI, фр. Système International d’Unités) – Международная система единиц была принята XI Генеральной конференцией по мерам и весам в 1960 г. ; в 1971 г. добавлена единица количества вещества «моль» ; ГОСТ 8. 417. СГС - (сантиметр-грамм-секунда) - была введена в 1874 г. , основана на трёх единицах — сантиметр, грамм и секунда, введены десятичные приставки от микро до мега. МКСА - метр, килограмм и секунда, ампер. МКГСС - килограмм-сила и секунда, техническая система единиц.

Таблица единиц измерения в различных системах Единицы СГС (физич. ) МКГСС (техн. ) СИ Внесист. Длина см м м Масса г кгс·сек 2/м кг Время сек сек Плотность г/см 3 кгс·сек 2/м 4 кг/м 3 Сила дина кгс Н Давление дин/см 2 кгс/м 2 Па ат Динамическая вязкость дин·сек/ см 2 (пуаз) кгс·сек/м 2 (Н·сек)/м 2 сантипуаз Кинематическая вязкость см 2/сек (стокс) м 2/сек сантистокс Массовый расход г/сек кг/сек т/сек Объемный см 3/сек л/мин т т/м 3, кг/дм 3

Единицы физических величин Наименование величины Единица подлежащая изъятию наименовани е Сила, вес Давление дина килограммсила на квадратный сантиметр водяного столба миллиметр ртутного столба (атмосфера) Обозн. дин кгс Соотношение единиц СИ наименов ание ньютон Обозн. Н кгс/см 2 кгс/м 2 мм вод. ст мм рт. ст бар(ат) паскаль Па 1 дин = 10 -5 Н 1 кгс ~ 9, 80665 Н ~ 10 Н 1 кгс/см 2 = 98066, 5 Па = 105 Па 1 мм вод. ст. = 9, 80665 Па = 10 Па 1 мм рт. ст. = 133, 322 Па 1 бар (1 ат) = 105 Па

Работа (энергия) Количество теплоты Мощность Динамическая вязкость Кинематическая вязкость эрг килограмм-силаметр эрг кгс-м джоуль Дж 1 кгс · м = 9, 80665 Дж = 10 Дж калория кал джоуль Дж 1 кал = 4, 2 Дж Вт 1 кгс·м/с = 9, 8 Вт ~ 10 Вт 1 л. с. = 735, 5 Вт 1 кал/с = 4, 2 Вт 1 ккал/ч = 1, 16 Вт паскаль - секунда Па·с 1 П = 0, 1 Па · с 1 кгс · с/м 2 = 9, 80665 Па · с = 10 Па 1 кг/(с · м) = 1 Па · с Квадр. метр в секунду м 2/с 1 Ст = 10 -4 м 2/с килограмм-силаметр в секунду лошадиная сила калория в секунду килокалория в час пуаз килограммсила секунда на квадратный метр килограмм на секунду-метр стокс кгс · м/с л. с. кал/с ккал/ч П кгс · с/м кг/(с · м) Ст ватт

«Атмосфера» Стандартная атмосфера, или физическая атмосфера (атм, atm) — внесистемная ед. изм. , точно равная 760 мм. рт. ст и 101 325 Па Техническая атмосфера (ат, at) — внесистемная ед. изм, равная давлению, производимому силой 1 кгс, равномерно распределённой по плоской поверхности площадью 1 см 2, «килограмм» . 1 ат = 1 кгс/см 2 = 104 кгс/м 2 = 9, 81 104 Н/м 2 = =10 м. вод. ст. = 736 мм. рт. ст.

Манометр

Psi (lb. p. sq. in. ) — внесистемная единица измерения давления «фунт-сила на квадратный дюйм» (англ. pound-force per square inch, lbf/in 2). В основном употребляется в США, численно равна 1 Psi = 6 894, 75729 Па.

Единицы давления Физическая атмосфера (atm, атм) Миллиметр ртутного столба (mm. Hg, torr, торр) Фунт-сила на квадратный дюйм (psi) Паскаль (Pa, Па) Бар (bar, бар) Техническа я атмосфера (at, ат) 1 Па 1 Н·м− 2 10 -5 10, 197× 10 -6 9, 8692× 10 -6 7, 5006× 10 -3 145, 04× 10 -6 1 бар 105 1 × 106 дин/см 2 1, 0197 0, 98692 750, 06 14, 504 1 ат 98066, 5 0, 980665 1 кгс/см 2 0, 96784 735, 56 14, 223 1 атм 101325 1, 033 1 атм 760 14, 696 1 mm Hg 133, 322 1, 3332× 10 -3 1, 3595× 10 -3 1, 3158× 10 -3 1 mm. Hg 19, 337× 10 -3 1 psi 6894, 76 68, 948× 10 -3 70, 307× 10 -3 68, 046× 10 -3 51, 715 1 lbf/in 2

Перевод в систему СИ: 10 Бар =10*9, 81*104 Па=9, 81*105 Па=981 к. Па 2 ат = 2*9, 81*104 Па=196200 Па=196 к. Па 15 кгс= 15*9, 81 Н=147 Н 20 мм. рт. ст = 20*133, 3 Па=2666 Па 110 л. с. = 110*735, 5 Вт=80905 Вт=80, 91 к. Вт 300 ккал =300*4, 2*103 Дж=1260000 Дж=1, 26 МДж

ТЕМА 3: СВОЙСТВА ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ ПРИ ИЗМЕНЕНИИ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ

Плотность, удельный вес и удельный объем зависят от давления и температуры, причем эта зависимость существенно различна для капельных жидкостей и газов. Стандартные условия: при атмосферном давлении и температуре О °С Нормальные условия: при атмосферном давлении и температуре 2 О °С Соотношение между абсолютной температурой Т и температурой t, измеренной в градусах Цельсия (°С): T = t + 273, 15.

Ареометр

Плотность жидкостей Плотность капельных жидкостей Плотность газов при атмосферном при стандартных условиях, р кг/м 3 давлении и температуре 0 °С, р кг/м 3 Азотная кислота 1510 Азот 1, 251 Анилин 1020 Аммиак 0, 771 Ацетон 791 Аргон 1, 783 Бензин 680 -720 Ацетилен 1, 173 Бензол 879 Водород 0, 090 Бром 3120 Воздух 1, 293 Вода, Н 2 О 998 Гелий 0, 178 Серная кислота 1830 Кислород 1, 429 Глицерин 1260 Криптон 3, 740 Морская вода 1010 -1030 Неон 0, 900 Нефть 760 -995 Озон 2, 139

Сжимаемость капельных жидкостей под действием давления характеризуется коэффициентом объемной сжимаемости βv, который представляет собой относительное изменение объема, приходящееся на единицу изменения давления: где V 1 и V 2 - объемы жидкости, соответственно, начальный и конечный; p 1 и p 2 - давления, соответственно, начальное и конечное.

Величина, обратная коэффициенту объемной сжимаемости, называется модулем упругости жидкости и обозначается Ео: Для воды: Коэффициент объемной сжимаемости капельных жидкостей мало меняется при изменении давления и температуры.

Изменение объема жидкости в зависимости от изменения температуры характеризуется температурным коэффициентом объемного расширения βt, выражающим относительное изменение объема жидкости при изменении ее температуры на 1°С или 1 К: где V 1 и V 2 - объемы жидкости, соответственно, начальный и конечный; t 1 и t 2 - температуры, соответственно, начальная и конечная.

Температурный коэффициент объемного расширения капельных жидкостей ничтожно мал и в практических расчетах температурное расширение жидкостей не учитывается. Для воды при температуре от 10 до 20°С и давлении 0, 1 МПа: Вследствие большой сжимаемости газов их плотность и удельный вес в значительной степени зависят от давления, а также от температуры.

Уравнение равновесия жидкости: Зависимость плотности жидкости и газа при температуре отличной от 15 , 20°С определяется по формуле Д. И. Менделеева: где: р и р15 - плотности жидкости (газа) при температурах соответственно; βi - коэффициент температурного расширения.

Уравнение состояния упругой жидкости: Плотность капельных жидкостей в зависимости от давления может быть определена в соответствии с ρат- плотность капельной жидкости при атмосферном давлении рат βv- коэффициент объёмного сжатия капельной жидкости. Относительная плотность - отношение величины абсолютной плотности жидкости к плотности чистой воды при температуре 4 °С:

Уравнение Менделеева-Клапейрона R – удельная газовая постоянная разл. для разл. газов; V’ – удельный объем. Барометрическая формула: давление газа при условии постоянства температуры

Формула Рейнольдса-Филонова где u – коэффициент крутизны вискограммы, 1/К

ВЯЗКОСТЬ n Вязкость – внутреннее трение, свойство текучих тел (жидкостей и газов) оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой. Вязкость твёрдых тел обладает рядом специфических особенностей и рассматривается обычно отдельно. Различают: n n динамическую вязкость (ед. изм. - Пуаз, Па*с); кинематическую вязкость (ед. изм. Стокс, м 2/с, внесистемная единица — градус Энглера).

Закон вязкого трения Ньютона 1686 г. – Англия, Ньютон, закон внутреннего трения, понятие вязкости жидкости Пусть скорость движения слоя А равна и, а скорость движения соседнего слоя В больше на величину Δu. Δu - абсолютный сдвиг слоя В по слою А за единицу времени. При скольжении этих слоев жидкости друг по другу между ними возникает препятствующая сдвигу сила трения. τ - касательное напряжение или напряжение силы трения; отношение силы трения к единице площади трения; Δy - расстояние между слоями А и В. Отношение Δu к Δy называется относительным сдвигом. Сила трения, приходящаяся на единицу площади, прямо пропорциональна относительному сдвигу.

Динамическая или абсолютная вязкость Коэффициент пропорциональности μ называется. Единица динамической вязкости в системе СИ: В системе СГС единица динамической вязкости в память французского врача Пуазейля, исследовавшего законы движения вязкой жидкости, была названа пуазом.

Кинематическая вязкость ν, - представляет собой отношение динамической вязкости к плотности жидкости: ν=μ/ρ В системе СИ кинематическая вязкость измеряется в квадратных метрах на секунду (м/с2). В системе СГС единица для измерения кинематической вязкости в честь английского физика Стокса была названа стоксом: 1 Ст = 1 см 2/с = 10 -4 м 2/с. Сотая часть стокса называется сантистоксом (с. Ст): 1 с. Ст = 10 -2 Ст.

ТЕМА 4: ОСНОВЫ ГИДРОСТАТИКИ

Поверхность равного давления Поверхностью равного давления называется поверхность, в каждой точке которой величина гидростатического давления одинакова. Р=const.

Основное уравнение гидростатики Жидкость находится в равновесии: -сила F 0; -сила F; -сила тяжести G Т. е. на OZ: -p 0 dw+pdw-ρghdw=0, P=p 0+ ρgh P=pатм+ ризб

Закон Паскаля Внешнее давление на свободной поверхности жидкости, находящейся в равновесии, передается во все точки жидкости без изменения по всем направлениям. 1650 г. – Франция, Паскаль, закон о передаче жидкостью внешнего давления (основа современных гидравлических машин)

Гидравлический пресс

Сила давления на вертикальную плоскую стенку Сила давления

Сила давления на наклонную плоскую стенку

Центр давления Точка приложения результирующей силы давления жидкости на любую поверхность называется центром давления. Центр давления: Zd=Zc+Jc/w. Zc Для прямоугольника: Jc=bh 3/12

Давление на дно сосуда? Гидростатический парадокс

Закон Архимеда На тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила A, равная по величине весу жидкости в объеме погруженной части тела V: Выталкивающая (Архимедова) сила приложена в центре тяжести объема погруженной части тела, называемом центром водоизмещения. 250 лет до н. э. – Греция, Архимед, трактат «О плавающих телах» ;

Эпюры давлений на плоскую стенку

Сила давления на криволинейную поверхность

Определение толщины стенок резервуаров и труб Fx=Pw=PLD; δ≥PD/2[σ]+a, [σ] – допускаемое напряжение для материла стенки трубы или резервуар; а- запас на коррозию, 1 -3 мм.

ТЕМА 4: ОСНОВЫ ГИДРОДИНАМИКИ

Основные понятия и определения гидродинамики Траекторией движущейся частицы называют путь частицы пройденный в пространстве с течением времени. Линией тока называют линию, в каждой точке которой векторы скорости являются касательными к этой линии.

Виды движения При установившемся движении не меняются величина и направление скорости движения, линия тока.

Струйчатая модель движения жидкости Расходом называют количество жидкости проходящей через живое сечение в единицу времени. Различают: массовый; весовой; объемный.

Гидравлическое уравнение неразрывности для установившегося движения: Элементарный расход во всех сечениях струйки постоянен: U 1 ds 1=U 2 ds 2=…Uidsi=d. Q Элементарный расход во всех сечениях потока постоянен: V 1 s 1=V 2 s 2=…Visi=Q V – средняя скорость потока.

Уравнение Бернулли На основании теоремы о приращении кинетической энергии: ΔЕкин=А; А=Ат+Ар; А-работа внешних сил; Екин- кинетическая энергия тела; Работа сил давления: Ар1=p 1 dw 1; Ар2=p 2 dw 2; Ар=Ap 1 -Ap 2=dm(P 1 -P 2)/ρ; Работа сил тяжести: Ат=dmg(z 1 -z 2) Изменение кинетической энергии: ΔЕкин=dm(u 22/2 -u 21/2)

Уравнение Д. Бернулли для элементарной струйки идеальной жидкости: Уравнение Д. Бернулли для элементарной струйки реальной жидкости: (с учетом потерь на трение)

Уравнение Д. Бернулли для конечного потока реальной жидкости: α – коэффициент учитывающий неравномерность распределение скоростей в плоскости живого сечения потока.

Уравнение Д. Бернулли для конечного потока реальной жидкости: α – коэффициент учитывающий неравномерность распределение скоростей в плоскости живого сечения потока.

Пьезометр, представляет собой вертикальную, открытую сверху стеклянную трубку, присоединяемую к сосуду. Пьезометр измеряет избыточное давление на поверхности жидкости в сосуде; пьезометрическая высота равна

Геометрический смысл уравнения Бернулли

ТЕМА 5: ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ

Гидравлические сопротивления 1)местные; 2)по длине Hполн =hд+hм

МЕСТНЫЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ КЛАПАН Клапан переменного гидравлического сопротивления USV-I Автоматические балансировочные клапаны серии ASV-PV Балансировочный клапан MSV-C Запорный клапан RLV RTD-G - клапан терморегулятора серии RTD

ФИЛЬТРЫ Фильтр топливный 12 ТФ 15 СН Фильтр воздушный 31 ВФ 3 А

ФИЛЬТРЫ Фильтр гидравлический 269 МФ-А Технические параметры Значение 1 Тонкость фильтрации, кмм: номинальная, абсолютная 0, 08± 0, 01 2 Рабочая среда АМГ-10 3 Номинальное давление рабочей среды, МПа (кгс/см 2) 15(150) 4 Номинальная пропускная способность, л/мин 10 5 Гидравлическое сопротивление чистого фильтра при номинальной пропускной способности, МПа, (кгс/см 2), не более 0, 022 (0, 22) 6 Диапазон температур, град. С -50 … +100 7 Масса сухого фильтра, кг, не более 0, 93 8 Перепад давления на фильтроэлементе , при котором открывается перепускной клапан, МПа, 0, 23 (2, 3)

ТРОЙНИКИ, ПОВОРОТЫ

ЗАДВИЖКИ

КРАНЫ

КОМПЕНСАТОРЫ

ПЕРЕХОДЫ

ОТВОД, ИЗГИБ, КОЛЕНО

Гидравлические потери Структура потока при действии задвижки

Потери на местные сопротивления • Запорная арматура • Повороты, тройники • Изменение диаметра трубопроводов

Потери по длине Потери напора по длине для труб постоянного диаметра определяются по формуле Дарси-Вейсбаха: — коэффициент гидравлического сопротивления (гидравлического трения); l — длина трубы; d — ее внутренний диаметр; — средняя скорость потока.

Режимы движения вязкой жидкости n n Ламинарный; Турбулентный. Число О. Рейнольдса:

Ламинарный режим n n n Устойчивый струйчатый характер; Относительно малые скорости; Слоистое движение; Траектории частиц мало отличаются друг от друга; =64/Re НЕУСТОЙЧИВОЕ ДВИЖЕНИЕ

Турбулентный режим n n n Неустановившееся движение (при усреднении скоростей принимают установившимся); Неупорядоченное движение ; Интенсивное перемешивание частиц; Вращение частиц; Пульсации;

Эквивалентная шероховатость

Турбулентный режим Три зоны сопротивления: 1. Зона гидравлически гладких труб: (формула Блазиуса) 2. Зона шероховатых труб: (формула Альтшуля) 3. Квадратичная зона: (формула Шифринсона) Reкр=2320 1 2 3

Эквивалентная шероховатость kэ - высота выступов одинакового размера эквивалентная сопротивлению поверхности трубы с неоднородной шероховатостью. Относительная эквивалентная шероховатость kэ/d

ТЕМА 7: ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ УДАР

Гидравлическим ударом называют резкое изменение давления в трубопроводе вследствие резкого изменения в нем скорости движения капельной жидкости. Наблюдается при быстром закрывании запорных устройств, внезапной остановке насоса и т. п.

Различают: n положительный удар (закрытие затвора), когда происходит повышение давления вследствие уменьшения скорости, n отрицательный удар (открытие затвора), когда давление падает вследствие увеличения скорости.

Процесс Пусть в напорном трубопроводе с рабочим давлением жидкости внезапно закрыта задвижка А (К). Тогда в результате остановки жидкости произойдет резкое повышение давления в нем вследствие перехода кинетической энергии остановившихся слоев жидкости в потенциальную энергию давления.

Гидравлический удар

Фаза гидр. удара: Количество фаз пробега ударной волны: Время закрытия задвижки:

Скорость распространения ударной волны зависит от рода жидкости, материала и размеров трубы и определяется по формуле: где К— модуль упругости жидкости; ρ—плотность жидкости; Е — модуль упругости материала трубы; d — диаметр трубы; δ—толщина стенки трубы.

Повышение давления будет распространяться от задвижки к резервуару со скоростью с. После того как остановится последний слой жидкости у резервуара, вся жидкость в трубопроводе окажется сжатой. Но поскольку в этот момент давление в резервуаре будет меньше давления у задвижки, то жидкость придет в движение по направлению к резервуару. При этом давление жидкости, начиная от резервуара, начнет понижаться. Волна понижения давления, распространяющаяся со скоростью с в направлении к задвижке, называется обратной волной. Время пробега прямой и обратной ударных волн составляет длительность фазы гидравлического удара.

Прямой удар возникает в том случае, когда время закрытия оказывается меньше фазы удара tзак

Остановка жидкости происходит не мгновенно, в течение малого отрезка времени dt. В течение этого времени в часть объема поступают продолжающие движение предыдущие слои жидкости. Изменение количества движение равно импульсу силы:

Формула Н. Е. Жуковского (повышение давления) для прямого удара: V - скорость движения жидкости до закрытия задвижки.

При непрямом ударе: Наибольшее полное давление после закрытия: Тангенциальные напряжения: Допускаемое полное давление в трубопроводе

Для предотвращения гидравлического удара следует: увеличивать время закрытия и открытия запорных устройств; n устанавливать воздушные колпаки, играющие роль буфера, смягчающего повышение давления n устанавливать специальный предохранительный клапан К который сбрасывает часть жидкости из трубопровода, уменьшая тем самым уровень давления при гидравлическом ударе. Предохранительный клапан при давлении р0 находится в закрытом состоянии и открывается лишь при значительном возрастании давления в магистрали. n