Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Задания к выполнению контрольных работ, СРС по гидравлике, механике жидкости и газа с методическими указаниями для студентов дневного и заочного обучения

Голосов: 6

В методических указаниях представлены задания по выполнению контрольных работ и решению заданий по гидравлике, механике жидкости и газа. Методические указания предназначены для студентов заочного обучения и выполнения СРС студентов заочного обучения.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
           Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего
          профессионального образования                  Задания к выполнению контрольных работ, СРС по
Восточно-Сибирский государственный технологический     гидравлике, механике жидкости и газа с методическими
                    университет                        указаниями для студентов дневного и заочного обучения

                                                      Составители: Полякова Л.Е., Ямпилов С.С., Блекус В.Г.,
                                                      Норбоева Л.К., Хантургаев А.Г., Хараев Г.И., Цыбенов
                                                      Ж.Б..

                                                      В методических указаниях представлены задания по
                                                      выполнению контрольных работ и решению заданий по
                                                      гидравлике, механике жидкости и газа. Методические
                                                      указания предназначены для студентов заочного обучения и
                                                      выполнения СРС студентов заочного обучения.
 Задания к выполнению контрольных работ,
СРС по гидравлике, механике жидкости и газа           Ключевые слова: гидравлика, гидростатика, механика
 с методическими указаниями для студентов             жидкости и газа,
        дневного и заочного обучения


                                                      Редактор Стороженко Т.А.
                       Составители: Полякова Л.Е.
                                    Ямпилов С.С.
                                    Блекус В.Г.
                                    Хараев Г.И.
                                    Норбоева Л.К.
                                    Хантургаев А.Г.
                                    Цыбенов Ж.Б.
                                                      Подписано в печать 18.04.2006 г. Формат 60х841/16
                                                      Усл.п.л. 2,56 уч.-изд.л. Печать офсетная, бумага писч.
                                                      Тираж        экз. Заказ № 47

                  Улан-Удэ 2006                       Издательство ВСГТУ. г. Улан-Удэ, ул. Ключевская, 40 в,


© ВСГТУ, 2006                                                                           3
                    Общие указания                                6.     Чертежи к работе должны выполняться на
      В настоящих методических указаниях приведены         миллиметровой бумаге и вклеиваться или вшиваться в
задания для выполнения контрольных работ и СРС для         работу.
студентов дневного и заочного обучения по дисциплинам             7.     При построении расчетных графиков нужно
“Гидравлика и механика жидкости и газа”.                   указать величины, откладываемые по осям графика с
      Контрольные задания содержат задачи из общего        обозначением их размерности.
курса механики жидкости и газа, а также включают задачи           8.     В конце работы привести список литературы,
по расчету водопропускных сооружений. Для каждой           которой пользовался студент в процессе выполнения
задачи дано десять вариантов цифровых исходных данных.     работы, с указанием автора, названия, места и года издания.
Номер варианта выбирается студентом по последней цифре            Все отмеченные рецензентом ошибки должны быть
его шифра.                                                 исправлены, а сделанные указания выполнены. Исправлять
      Перед решением задачи студент должен проработать     ошибки следует отдельно по каждой задаче на чистой
соответствующий раздел курса по учебнику (см. список       стороне листа.
литературы).                                                      Работы, выполненные в соответствии с вышеука-
      При выполнении контрольных заданий необходимо        занными требованиями, студент должен выслать для
соблюдать следующие условия:                               проверки.
      1.     Работу следует писать от руки чернилами на           При решении задачи следует строго следить за
одной стороне листа. Это необходимо для рецензирования и   соблюдением единства размерности величин, входящих в ту
исправлений. Страницы должны быть пронумерованы.           или иную расчетную зависимость. Как показывает
      2.     Решение задач вести поэтапно с пояснением     практика,      рецензирования      контрольных        работ,
каждого действия.                                          несоблюдение единства размерности является одной из
      3.     Перед вычислением искомых величин следует     наиболее частых ошибок, допускаемых студентами, и
вначале написать расчетную формулу в буквенном             приводит к грубому искажению получаемой расчетной
выражении, дать пояснения всем входящим в нее              величины и всего результата в целом.
параметрам, затем подставить их численные значения и              Работа может быть зачтена только в том случае, если
привести окончательный ответ.                              она     не   содержит     принципиальных        и    грубых
      4.     У всех размерных величин должна быть          арифметических ошибок. Арифметические ошибки,
проставлена размерность в Международной системе единиц     вызванные несоблюдением единства размерности или
СИ (ГОСТ 986761).                                          какой-либо небрежностью при расчетах, будут оценены
      5.     Значения всех коэффициентов следует           наравне с принципиальными ошибками методического
обосновать ссылкой на литературу с указанием автора,       характера.
названия источника, года издания и номера страницы.               К экзамену по теории курса студента допускают
                                                           после получения им зачета как по всем контрольным


                           4                                                                     5
, так и по лабораторным работам, которые он должен                                            Задача 2
выполнить и защитить в лаборатории университета.                             Определить величину и направление силы
      При сдаче экзамена нужно предъявить экзаменатору                 гидростатического давления воды на 1 метр ширины
зачтенные работы и дополнительно их защитить.                          вальцового затвора диаметром D (рис.2).
                                                                                                                Таблица 2
                  Контрольная работа 1                                 Исходные                  Номер варианта
                        Задача 1                                        данные
      Построить эпюры избыточного гидростатического                      D, м    0   1   2   3   4   5   6   7   8   9
давления воды на стенки плотины ломаного очертания.                              1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 1,3 1,7 2,2 2,8 3,5
Определить силы давления на 1 метр ширины вертикальной
и наклонной частей плотины (рис.1) и точки их
приложения, если: глубина воды h, высота вертикальной
части стены AB hAB; угол наклона стены BC к горизонту
30○.
                                             Таблица 1

Исходные                       Номер варианта
 данные     0     1     2     3     4     5     6     7     8     9
  h, м     3,0   4,5   5,5   7,0   7,0   5,0   6,0   8,0   5,5   4,0
 hAB, м    2,0   3,0   4,0   4,0   5,0   3,0   4,0   5,0   3,5   2,5
                                                                                             Рисунок 2.

                                                                                              Задача 3
                                                                              Определить давление воды p1 в узком сечении
                                                                       трубопровода (рис.3, сечение 1-1), если:     давление в
                                                                       широкой его части (сечение 2-2) равно p2, расход воды,
                                                                       протекающей по трубопроводу, Q=5 л/с, диаметры труб
                                                                       узкого и широкого сечения соответственно d1 и d2.
                                                                              Режим движения воды в трубопроводе –
                                                                       турбулентный.

                             Рисунок 1


                                   6                                                                   7
                                                             Таблица 3          3. Коэффициенты местных сопротивлений принять:
                                                                         на входе в трубу, имеющую сетку с обратным клапаном
Исход-                        Номер варианта                             ζвх=3,0; на входе в трубу, имеющую сетку с обратным
ные                                                                      клапаном, водой, ζвых=1,0.
данные     0    1     2      3         4     5     6    7      8    9                                                Таблица 4
p2, кПа    10    10    20     20        30    30   40   40     50   50
                                                                         Исходные                          Номер варианта
d1, мм     50    50    50     40        40    40   32   32     25   25
                                                                          данные      0      1      2         3     4     5         6      7      8    9
d2, мм    100   125   150    125       150   175   80   75     80   75
                                                                         Q, л/с      20     40   60       80       100   80     60      40       20   50
                                                                         t, ○С       20     15   10       5        20    15     5       10       15   20
                                                                         L, м        50     75   100      125      150   200    150     100      75   50




                            Рисунок 3
                            Задача 4
        Определить диаметр d самотечного трубопровода
длиной l, подающего воду из реки в береговой колодец, и                                                 Рисунок 4
разность уровней воды H в колодце и реке (рис.4), если:
расход воды, забираемой насосом из берегового колодца на                                                Задача 5
нужды водоснабжения, Q; расчетная скорость движения                            Определить расход воды Q, проходящей через
воды по самотечному трубопроводу V=0,7+1,5 м/с;                          водоспускную трубу в бетонной плотине, если напор над
эквивалентная шероховатость трубы kэ =1 мм; температура                  центром трубы H, диаметр трубы d, длина ее l (рис.5).
воды t○ C.                                                                                                                Таблица 5
        Примечания:
                                                                         Исходные                          Номер варианта
        1. Скоростями движения воды на свободной
                                                                          данные       0       1          2         3      4          5          6     7
поверхности в реке и береговом колодце следует                                        12       8         11         9     12          9         12    11
                                                                           Н, м
пренебречь.                                                                           1,0    1,25       1,50      1,50   1,75       1,75        2,0   2,0
                                                                            d, м
        2. Вычисленный диаметр самотечной трубы следует
                                                                            l, м      7,0     8,0        4,0       6,0    5,0        7,0       12,0   8,0
округлить до ближайшего большего стандартного значения:
50, 75, 100, 125, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500 мм.


                           8                                                         9
                                                                  3. Рассчитать    предельные     расходы      и
                                                            соответствующие им глубины перед трубой, при которых
                                                            труба будет работать в безнапорном и полунапорном
                                                            режимах.
                                                                                                       Таблица 6

                                                            Исходные                           Номер варианта
                                                             данные        0     1     2       3     4      5     6       7      8      9
                                                            Qmax, м3/с    4,5    6     8      3,9   14,5    3    12,8    1,7    10      5
                                                              Ннас, м     3,0   2,6   3,2     3,6    5,0   2,2    4,1    2,4    5,4    4,0

                                                                iT       0,008 0,003 0,020   0,006 0,004   0,01 0,003   0,015 0,012   0,005
                       Рисунок 5

               Контрольная работа 2
                     Задача 6
      Дорожная насыпь, имеющая высоту Ннас, ширину
земляного полотна В=12 м и крутизну заложения откосов
m=1,5, пересекает водоток с переменным расходом, для
пропуска которого в теле насыпи укладывается с уклоном iт
круглая железобетонная труба, имеющая обтекаемый
оголовок.
      Требуется:
      1. Подобрать диаметр трубы для            пропуска
максимального    расчетного расхода Qmax в напорном
режиме при допустимой скорости движения воды в трубе
Vдоп=4 м/с и максимально допустимом расстоянии от
бровки насыпи до подпорного уровня аmin=0,5 м.
      2. Определить фактическую скорость движения
воды в трубе vф=при пропуске максимального расхода и
глубину Н воды перед трубой, соответствующую этому
расходу.
                                                                                        Рисунок 6


                          10                                                                                11
                       Задача 7                                                                                                    Таблица
                                                           Исход-                              Номер варианта
       Магистральный оросительный канал трапеце-           ные            0     1      2      3       4          5       6    7     8      9
идального сечения, имеющий         ширину    по дну b,     данные
крутизну откосов m =0,025, проложенный с уклоном i и       В, м          11      8      5     10      4          12      6    7     9      3
пропускающий расход Q, пересекает железнодорожную
линию.                                                                  0,0001 0,0009 0,001 0,0005   0,002   0,0015 0,0007 0,0012 0,0006 0,0003

       На пересечении железной дороги с каналом            Q, м3/с       13,6    10   24,2   18,5     5,3        5,9   6,8         16,3   2,4
установлен малый однопролетный мост, имеющий прямо-        Нм, м         3,0    3,8    3,5   2,5      2,8        3,2   2,9   2,0   2,2    1,7
угольное отверстие. Возвышение низа пролетного строения
                                                           Vдоп,, м/с    5,0    2,7    4,5   2,5      4,0        1,7   3,8   4,2   2,5    3,4
моста над дном русла Нм.
       Требуется:
       1. Определить ширину отверстия моста bм для
пропуска расхода Q, если максимально допустимая
скорость движения воды в подмостовом русле Vдоп, а
минимально допустимое превышение низа пролетного
строения над уровнем подпертого горизонта перед мостом
amin=0,5.
       2. Найти глубину воды Н перед мостом при
пропуске через выбранное отверстие моста заданного
расхода.
       3. Вычислить скорости движения воды перед мостом
V, за мостом V○ и в расчетном сечении подмостового русла
Vp.
       4. Определить ширину потока по урезу воды перед                                        Рис. 7
мостом B и за мостом B○.
       Примечание: При решении задачи принять
коэффициент расхода ё =0,35; критерий затопления N=0,8;
расчетный коэффициент k=0,52.


                          12                                                         13
                                                          где   lцд – расстояние в плоскости стенки от центра
                                                          давления до свободного уровня жидкости, м;
                                                                lцт – расстояние в плоскости стенки от центра
                                                          тяжести стенки до свободного уровня жидкости, м;
                                                                ω – площадь смоченной поверхности, м2;
                                                                I – момент инерции смоченной плоской площадки
                                                          относительно горизонтальной оси, проходящей через центр
                                                                тяжести.
                        Рис. 8
                                                                Момент инерции плоской прямоугольной фигуры:
                                                                                      bl 3 ,
                Указания к решению задачи 1                                        I=
                                                                                       12
                                                          где   b – ширина стенки, b=1м; l – длина стенки, м.
        Для построения эпюр гидравлического давления на
стенки АВ и ВС следует определить избыточное давление в              Указания к решению задачи 2
точках А, В и С по формуле:
                                Ризб=γh,                        Суммарная сила избыточного давления воды на
где γ – удельный вес воды, γ =10 кН/м3;                   цилиндрическую поверхность определяется по формуле:
    h – глубина погружения данной точки под уровень                           P = Px2 + Py2 ,
жидкости, м.                                              где   Рх    –    горизонтальная   составляющая      силы
        При построении эпюр гидростатического давления    избыточного гидростатического давления, Н;
следует помнить, что давление всегда направлено                 Ру – вертикальная составляющая силы избыточного
перпендикулярно площадке, на которую оно действует.       гидростатического давления, Н.
        Сила избыточного гидростатического давления на          Горизонтальная составляющая силы избыточного
плоскую стенку вычисляется по формуле:                    гидростатического давления равна силе давления на
                               Ризб=рцтω,                 вертикальную проекцию цилиндрической поверхности:
где     рцт – давление в центре тяжести смоченной                                   Px=γуцтωу,
поверхности, Па (Н/м2);                                   где γ – удельный вес жидкости, уцт – расстояние по
        ω – площадь смоченной поверхности, м2.            вертикали от центра тяжести вертикальной проекции
        Точка приложения суммарной силы избыточного       цилиндрической поверхности до уровня воды, м;
гидростатического давления называется центром давления.       ωу – площадь вертикальной проекции цилиндрической
Положение центра давления определяется по формуле:        поверхности, м2.
                                       I ,                      Вертикальная составляющая силы избыточного
                     l цд = l цт +
                                    l цт ω                гидростатического давления определяется по формуле:


                                14                                                     15
                             Pу= γW,                        соответствовать номерам выбранных сечений).
где W- объем тела давления, м3.                                   Плоскость сравнения 0-0 следует провести по оси
       То есть вертикальная составляющая силы давления      трубопровода.
равна весу жидкости в объеме тела давления.                       Уравнение Д. Бернулли будет иметь вид:
       Тело    давления    представляет    собой   объем,                         p1       α1υ12   p2   α 2υ 22
расположенный над цилиндрической поверхностью и                           z1 +         +
                                                                                   = z2 +   +     + h1−2 ,
заключенный      между      вертикальными плоскостями,                          2gγ       γ   2g
проходящими через крайние образующие цилиндрической                где z1 и z2 – удельная энергия положения, или
поверхности, самой цилиндрической         поверхностью и    расстояние от центра тяжести сечений 1-1 и 2-2 до
свободной     поверхностью воды. Если тело давления         плоскости сравнения 0-0, м; z1= z2=0, т.к. плоскость
расположено со стороны смачиваемой жидкостью                сравнения проходит через центры тяжести сечений
поверхности (в теле давления находится вода), то оно        трубопровода;
положительно и сила Ру будет направлена вниз. Если тело              р1         р 2 - удельная энергия давления, или высота
                                                                            и
давления находится со стороны не смачиваемой жидкостью               γ     γ
поверхности (в теле давления нет воды), то такое тело       поднятия      воды     в     пьезометрах,    установленных
давления отрицательно, и сила Ру будет направлена вверх.    соответственно в сечениях 1-1 и 2-2, м;
       В данной задаче для нахождения тела давления                p1 и p2 – давление воды в соответствующих сечениях,
следует цилиндрическую поверхность АВС разделить на              2
                                                            кН/м ;
две: АВ и ВС; причем давление для поверхности АВ будет            α 1υ 12     α 2υ 22 - удельная кинетическая энергия, или
положительным, а для ВС – отрицательным.                                    и
                                                                     2g      2g
       Результирующий объем тела давления на всю
цилиндрическую поверхность АВС и его знак находятся         скоростная высота в сечениях 1-1 и 2-2, м;
путем алгебраического суммирования тел давления и                  υ1 и υ2 – средняя скорость соответственно в сечениях
криволинейные поверхности АВ и ВС.                          1-1 и 2-2, м/с;
       Суммарная сила избыточного гидростатического                d1 и d2 – коэффициент, учитывающий неравномер-
давления на цилиндрическую поверхность направлена по        ность распределения скоростей в соответствующем живом
радиусу к центру цилиндрической поверхности под углом φ     сечении; величина безразмерная, для турбулентного режима
к вертикали.                                                движения может быть принята равной единице;
                                                                   g – ускорение свободного падения, м/с2;
            Указания к решению задачи 3                            h1-2 – потеря напора при внезапном расширении
                                                            потока, определяемая по формуле Борда, м:
      Для определения давления воды p2 нужно составить                                      (υ − υ 2 ) 2 .
уравнение Д. Бернулли для двух сечений: 1-1 и 2-2 потока                              h+ 2 = 1
воды ( индексы при членах уравнения должны                                                     2g


                             16                                                              17
      После     анализа    и   подстановки значений                                            4ω .
соответствующих членов уравнения Д. Бернулли можно                                      d =
                                                                                                π
записать в следующем виде:                                            Полученное значение диаметра нужно округлить до
              p1        α 1υ 12    p2        α 2υ 22
                                (υ 1 − υ 2 ) 2                 ближайшего большего стандартного значения dст, после
                +    =   +    +
              γ   2g   γ   2g        2g                        чего вычислить фактическую скорость движения воды в
                                                               трубе:
или
                                                                                            Q 4Q
                   p1      p2     υ 22       υ 12
                                   (υ 1 − υ 2 ) 2                                    υф = = 2
                     −   =   −   +                .                                        ω πd ст
                   γ   γ   2g 2g        2g                            Чтобы определить разность уровней воды H в
      Отсюда:                                                  береговом колодце и реке, следует составить уравнение Д.
                            p2    υ 22
                                (υ1 − υ 2 ) 2 υ12              Бернулли для двух сечений потока: сечения 1-1 на
                p1 = γ   +    +              −           (1)   поверхности воды в реке и сечения 2-2 на поверхности воды
                       γ   2g       2g         2g
                                                               в береговом колодце, т.е. по сечению 2-2:
       В этом уравнении, помимо давления ρ1, неизвестны
скорости υ1 и υ 2. Зная расход воды Q, диаметры труб d1 и d2                       р1         α 1υ 12              p2       α 2υ 22
                                                                          z1 +            +             = z2 +          +             + h1− 2 .
и используя уравнение неразрывности:                                               γ           2g                  γ         2g
                         Q = νω1=const,                              Далее необходимо провести анализ членов
где ω1и ω2 – площади живых сечений 1-1 и 2-2, м2;              уравнения:
                          π d 12        π d 22 ,               z1=H; z2=0, так как плоскость сравнения проходит по
                     ω1 =        ;ω 2 =
                            4             4                                             p1        p2        p ат
       Можно определить средние скорости υ1 и υ2 и после                                      =         =
их подстановки (1) определить давление воды ρ1 в сечении       сечению 2-2; γ        γ    γ , так далее на свободной
1-1.                                                           поверхности в реке и колодце равно атмосферному ρат;
            Указания к решению задачи 4                        α 1υ 12          α 2υ 22
                                                                         = 0,             = 0 , так как по условию задачи υ 1≈0 и
                                                                2g               2g
      Зная расход Q и задаваясь средней скоростью υ            υ 2≈0.
движения воды по самотечному трубопроводу, следует             Подставляя значения параметров, получим расчетный вид
определить площадь поперечного сечения трубы:                  уравнения:
                           Q                                                H=h1-2,                               (2)
                       ω =     ,
                                         υ                     где h1-2 – потери напора при движении воды по самотечной
      а затем диаметр трубопровода:                            трубе.
                                                               Здесь        h1-2=hм +h1,


                             18                                                            19
где hм – потери напора в местных сопротивлениях, м;         определяется в зависимости от температуры из табл. 1:
    h1 – потери напора по длине,м.                                                                          Таблица 1
Потери напора в местных сопротивлениях вычисляют по            t, ˚С        20      2      4      6      8     10     12     14     16     18
                                                            ν·104, м2/с   0,0101 0,0167 0,0157 0,0147 0,0139 0,0131 0,0124 0,0117 0,0112 0,0106
формуле Вейсбаха:
               υф
                2
                                        υф
                                         2

      h = ∑ζ        = (ζ вх + ζ вых )        ,                    Подставляя значения hм и hl в расчетную зависимость
               2g                       2g
                                                            (2), определяют разность уровней воды Н в реке и
                                                            береговом колодце.
      где ζвх , ζвых – коэффициенты местных сопротивлений
соответственно входа (приемного клапана с сеткой) и                            Указания к решению задачи 5
выхода;
      υ ф – фактическая скорость движения воды по                  Расход воды, проходящей через водоспускную
трубопроводу, м/с.                                          трубу, определяется по формуле:
      Потери напора по длине за счет трения жидкости о
                                                                                         Q = µ ⋅ ω ⋅ 2gH ,
стенки русла определяется по формуле Дарси:
                                                            где ё – коэффициент расхода;
                                      l υф
                                         2

                               hl = λ      ,                ω – площадь сечения трубы, м2;
                                      d 2g                  g – ускорение свободного падения, м/с2;
где λ – коэффициент гидравлического трения (коэффициент     Н – напор над центром трубы, м.
Дарси);                                                            Для определения коэффициента расхода ё следует
    l – длина самотечного трубопровода;                     выяснить, как работает водоспускная труба: как насадок,
   d – диаметр самотечного трубопровода.                    как отверстие или как “короткий трубопровод”.
        Коэффициент λ может быть определен по формуле              Чтобы труба работала как насадок, должны быть
А.Д. Альтшуля:                                              соблюдены одновременно два условия:
                                  К   68                    1.     Длина трубы должна быть:
                         λ = 0,11( 3 + )0.25 ,                                       4d <1< 6d.
                                  d Re
                                                                   Максимальный вакуум Н вак в насадке должен быть
                                                                                             max
где Кэ – эквивалентная шероховатость, мм;                   2.
           Re – число Рейнольдса.                           меньше Н нак =8 м вод ст. Значение Нmax вычисляется по
                                                                             доп

                                   υф d                     формуле Нmax=0,8Н, где Н-напор над центром трубы.
                           Re =         ,
                                    ν                             Если эти условия соблюдены, водоспускная труба
где ν – кинематический коэффициент вязкости, м2/с.          будет работать как насадок, для которого коэффициент
        Кинематический коэффициент вязкости зависит от      расхода ё=0,82.
рода жидкости и температуры. Для воды значение ν                  Если одно из перечисленных условий не будет



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика