СОДЕРЖАНИЕ

Лист

Изм

Лист

№ Докум.

Подп.

Дата

№

п/п

Выполнение работы и мероприятия

Срок выполнения

Отметка о выполнении и решение руководителя

1

Подбор литературы ее изучение и обработка

2

Доклад о собранном материале и ходе разработки курсовой работы

3

Составление плана курсовой работы и согласование его с руководителем

4

Разработка и представление теоретической части

5

Разработка и представление расчетной части

6

Согласование с руководителем выводов и предложений

7

Переработка (доработка) курсовой работы в соответствии с замечаниями и представление ее на кафедру

8

Защита курсовой работы

Введение

Гидравлика может быть определена как прикладная механика жидкости. Она является основой таких дисциплин, как гидроэнергетика, водоснабжение и канализация, гидравлические машины(турбины, насосы, компрессоры), трубопроводный транспорт. Значительна роль этой науки в химической технологии, легкой промышленности, автоматики.

В современной промышленности нет области, где не проводятся гидравлические расчеты процессов, устройств и механизмов.

Особое значение гидравлика имеет для нефтяной и газовой промышленности, так как все ее процессы, начиная от бурения разведочных скважин и кончая транспортировкой готовой продукции потребителю, связаны с перемещением и хранением жидкости.

Для каждой из этих отраслей характерен свой круг гидродинамических задач и соответствующих методов их решения. Однако все они основываются на общих законах движения и покоя жидкостей и газов, а также на некоторых общих методах описания гидродинамических явлений.

Вопросами гидравлики человек интересовался еще с древности. За несколько тысяч лет до нашей эры в Египте, странах Ближнего и Среднего Востока, в Индии и Китае люди уже умели строить платины и каналы. Примерно в тоже время появились первые гидравлические двигатели – водяные колеса.

Первым научным трудом о законах равновесия жидкостей считают трактат Архимеда «О плавающих телах», написанный за 250 лет до нашей эры. После этого появились работы Леонардо да Винчи «О движении и измерении воды» (1452-1519).

В 1565 г. была опубликована работа голландского ученого Симона Стевина (1548-1620 гг.) «Начала гидростатики». В работах Галилея (1564-1642 гг.) рассмотрены закономерности пребывания тел в воде. Торричелли (1608-1647 гг.), исследуя течение жидкости из отверстия, нашел известную

Лист

Изм

Лист

№ Докум.

Подп.

Дата

формулу для скорости течения. Паскаль (1623-1662 гг.) вывел закон о передаче давления в жидкостях.

В 1738 г. в книге «Гидродинамика» Даниил Бернулли опубликовал уравнение, в котором устанавливалась связь между давлением, скоростью движения и положением рассматриваемой массы жидкости при установившемся движении.

В 1755 и 1756 гг. появляются работы Леонарда Эйлера, где он впервые дает полную систему уравнений движения идеальной жидкости.

Основоположниками гидравлики как самостоятельной науки являются члены Петербургской академии наук Д.Бернулли и Л.Эйлер. В 1738 г. была опубликована работа Д. Бернулли «Гидродинамика или записки о силах движения жидкости», в которой установлена связь между давлением и скоростью в элементарной струйке тяжелой «идеальной» жидкости.

М.В.Ломоносов (1711-1765 гг.) изучал условия работы гидротехнических сооружений  и занимался исследованием движения воздуха в родниках.

В 1791 г. вышло первое русское печатное руководство по гидравлике А.Колмакова «Карманная книжка для вычисления количества воды, вытекающей через трубы, отверстия или по желобам, а также и силы, какою они ударяют, стремясь с данной скоростью».

В конце ХVIII и начале ХIХ веков во Франции появляются работы Шези по движению воды в каналах и трубах и Дарси – по напорному движению воды в трубах.

В 1883 г. Н.П. Петров разработал гидродинамическую теорию смазки, уточнил гипотезу о внутреннем трении в движущейся жидкости.

В 1889 вышла работа Н.Жуковского «О гидравлическом ударе в водопроводных трубах», в которой дана теория гидравлического удара. Жуковским впервые были введены основные дифференциальные уравнения движения грунтовых вод.

Л.С. Лейбензоном (1879-1951 гг.) и его учениками создана российская армия фильтрации.

Лист

Изм

Лист

№ Докум.

Подп.

Дата

В развитии нефтяной гидравлики роль русских и советских ученых проявилась особенно ярко. В.Шухов (1853-1939 гг.) разработал основы гидравлического расчета трубопроводов, которые затем развили Л.Лейбензон (1879-1951 гг.) и его ученики И.Чарный (1909-1967 гг.), В.Черникин (1912-1965 гг.) и др. На базе работ Павловского Н.Н. (1884-1937 гг.) Лейбензон заложил основы новой науки «Подземная гидравлика», которую успешно развивали его ученики И.А.Чарный, В.Н.Щелкачев, Б.В.Лапук и созданные ими школы.

Лист

Изм

Лист

№ Докум.

Подп.

Дата

2. ОПИСАНИЕ ЦИРКУЛЯЦИОННОЙ УСТАНОВКИ

Жидкость по самотечному трубопроводу поступает из верхнего резервуара А в нижний резервуар В, откуда насосом перекачивается в промежуточную емкость С и  из нее выливается в резервуар А.

На всасывающей линии насосной установки имеется всасывающая коробка с обратным клапаном 1, поворотное колено 2, задвижка 3, вакуумметр Рв. На нагнетательной линии установлены манометры Рм₁, Рм₂, Рм₃, скоростная трубка 5 и расходомер Вентури 6. Промежуточная емкость С в донной части имеет насадок 7.

                                      ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

Вариант №1

Лист

Изм

Лист

№ Докум.

Подп.

Дата

4. РАСЧЕТ ЦИРКУЛЯЦИОННОЙ УСТАНОВКИ

4.1. Определение геометрической высоты всасывания насоса Н₂  

Для определения геометрической высоты всасывания насоса Н₂ рассмотрим два сечения А-А (поверхность жидкости в нижнем резервуаре В) и В-В (в месте установки вакуумметра Р_в во всасывающей линии насосной установки). Мы имеем дело с установившимся движением вязкой несжимаемой жидкостью. Запишем уравнение Бернулли для сечения А-А и В-В:

                 (1.1)

где , - расстояния от сечений А-А и В-В соответственно до некоторой произвольно  выбранной горизонтальной плоскости (м);

, - давления в сечениях А-А и В-В соответственно (Па);

- плотность циркулирующей жидкости (кг/м³);

g -  ускорение свободного падения (м²/с);

V_A-A ,V_B-B - скорость течения жидкости в сечение А-А и В-В соответственно (м/с);

, - коэффициенты Кориолиса, которые учитывают неравномерность распределения скоростей в сечениях А-А и В-В соответственно;

- потери напора на участках между выбранными сечениями.

Выберем сечение А-А за начало отсчёта, тогда z_А-А=0 и z_В-В=Н₂.

V_A-A=0, так как уровень в нижнем резервуаре В установившийся.

, так как резервуар В открыт.

- разность атмосферного и вакуумного давления.

Для решения практических задач коэффициент Кориолиса можно принять равным единице, т.е. .

 , где Q – расход жидкости (м³/с); S- площадь поперечного сечения (м²).

Лист

Изм

Лист

№ Докум.

Подп.

Дата

В результате формула (1) примет вид:

                    (1.2)

Для определения Н₂ необходимо определить расход Q и потери напора h_A-B.

Определение расхода жидкости

Для определения расхода жидкости рассмотрим ртутный дифманометр расходомера Вентури.

Запишем уравнение неразрывности для сечений 1-1 и 2-2:

Q₁=Q₂, следовательно V₁·S₁=V₂·S₂                   (1.3)

Из полученного равенства выразим скорость V2 :

V₂=V₁· S₁/ S₂              (1.4)

Запишем уравнение Бернулли для двух сечений 1-1 и 2-2:

                  (1.5)

где z₁ и z₂ - расстояния от сечений А-А и В-В соответственно до некоторой  произвольно выбранной горизонтальной плоскости;

P-давления в сечениях А-А и В-В соответственно;

ρ-плотность циркулирующей жидкости;

g-ускорение свободного падения;

V- скорость течения жидкости в сечениях А-А и В-В соответственно;

α-силы Кориолиса, которые учитывают неравномерность распределения скоростей в сечениях А-А и В-В соответственно;

h_А-В -потери напора на участках между выбранными сечениями.

Выберем ось трубопровода за начало отсчета, тогда z₁=z₂=0, т.к. трубопровод горизонтален. Предположим, что по трубопроводу течет идеальная жидкость. Это позволяет не учитывать потери напора h_А-В=0.

Лист

Изм

Лист

№ Докум.

Подп.

Дата

α₁=α₂=1 (для практических расчетов).

Запишем уравнение Бернулли с учетом всех утверждений:

            (1.6)

Подставив в это уравнение (1.4) получаем:

(1.7)

Из рисунка видно, что

           (1.8)

Теоретический расход будет меньше, т.к. существуют потери напора. Учтем это с помощью поправочного коэффициента, который называется коэффициентом расхода μ.

                    (1.9)

Подставим в (1.9) уравнение (1.7) с учетом (1.8) :

В итоге имеем:        (м³/с)

Это выражение и является конечной расчетной формулой  определения расхода жидкости.

Лист

Изм

Лист

№ Докум.

Подп.

Дата

Определение потерь напора

Определим потери напора h_А-В.

h_А-В=h_д+h_м (1.10) , где h_д - потери напора по длине трубопровода (м); h_м- потери напора от местных сопротивлений.

h_м= h_кор +h_кол+h_зад , где h_кор- потери напора на коробке всасывающей линии (м); 

h_кол- потери напора на колене всасывающей линии (м);

h_зад- потери напора на задвижке всасывающей линии (м).

   (1.11)

h_д=h_д1+h_д2 , где h_д1- потери напора на участке трубопровода l₁;

h_д2- потери напора на участке трубопровода l₂.

 ; ;               (1.12)

 где - коэффициент гидравлического сопротивления для соответствующего участка.

Для определения λ₁ и λ₂ необходимо определить режим течения жидкости на соответствующих участках трубопровода. Для этого определим числа Re для этих участков:

                             (1.13)

где ν- кинематическая вязкость циркуляционной жидкости (м²/с).

Лист

Изм

Лист

№ Докум.

Подп.

Дата

Имеем, что Re₁>Re_кр=2300  на участке трубопровода l₁ турбулентный режим течения; Re₂>Re_кр=2300  на участке трубопровода l₂ турбулентный режим течения.

Для определения коэффициента гидравлического сопротивления трения существуют много различных формул. Удобно пользоваться следующими формулами. Для турбулентного режима движения:

λ=0,11(68/Rе+ ∆/d), Rе > 2000÷2320.    (1.14)

Определим тип трубопровода (шероховатый или гладкий) на участках трубопровода l₁ и l₂. Для этого определим значения величин обратной относительной шероховатости для обоих рассматриваемых участков:

     Оба участка принадлежат зоне шероховатых труб, т.к. их числа Re принадлежат промежуткам:

 для первого и второго промежутков соответственно. Следовательно, для определения λ₁ и λ₂ воспользуемся формулой Альтшуля:

Найдём суммарные потери напора для участков l₁ и l₂:

Лист

Изм

Лист

№ Докум.

Подп.

Дата

Подставим полученные нами значения в формулу (1.10) и получим необходимую величину:

h_А-В=h_д+h_м=0,9267+0,273=1,2 м.

 По формуле (1.2) определим геометрическую высоту всасывания насоса Н₂:

.

Лист

Изм

Лист

№ Докум.

Подп.

Дата

4.2. Определение показания дифманометра

(или дифпьезометра) скоростной трубки.

Запишем уравнение Бернулли для осевой трубки:

где , - расстояния от сечений А-А и В-В соответственно до некоторой произвольно выбранной горизонтальной плоскости (м);

, - давления в сечениях А-А и В-В соответственно (Па);

- плотность циркулирующей жидкости (кг/м³);

g -  ускорение свободного падения (м²/с);

V₁ ,V₂ - скорость течения жидкости в сечение А-А и В-В соответственно (м/с);

, - коэффициенты Кориолиса, которые учитывают неравномерность распределения скоростей в сечениях А-А и В-В соответственно;

- потери напора на участках между выбранными сечениями.

Выберем ось трубопровода за начало отсчёта, тогда z₁=z₂=0. Потерями напора между сечениями пренебрегаем h_A-B=0. V₂=0, т.к. жидкость внутри дифманометра почти неподвижна.  α₁=α₂=1, (для практических расчётов).

В итоге имеем:    (2.1).

Из рисунка видно разность давлений:           

В результате уравнение (2.1) примет вид:                        (2.2)

Имеем расчетную формулу для определения показания дифманометра:

                (2.3)

Лист

Изм

Лист

№ Докум.

Подп.

Дата

4.3. Построение эпюры скоростей для сечения

в месте установки скоростной трубки.

Анализируя схему циркуляционной установки можно сделать вывод, что расход жидкости постоянный в любом сечении трубопровода. Следовательно, режим течения жидкости зависит от диаметра трубопровода на рассматриваемом участке. Это, в свою очередь, говорит об идентичности режима течения на участках трубопровода с одинаковыми диаметрами. В месте установки скоростной трубки режим течения идентичен режиму течения на участке трубопровода всасывающей линии. Следовательно, мы имеем ламинарый режим течения, который  происходит в зоне сопротивления гладких труб.

         Формула для распределения скоростей в круглой трубе при турбулентном режиме в зоне шероховатых труб имеет следующий вид:

         (3.1),

где U – местная скорость в данной точке сечения (м/с),

d₁- диаметр трубопровода (м),

y – расстояние от оси трубопровода (м),

∆- эквивалентная шероховатость стенок труб (м),

h – показание дифманометра скоростной трубки,

 - кинематический коэффициент вязкости.

Для построения эпюры скоростей зададим значения y в интервале от 0 до d₁/2 с шагом 5мм. Вычислим для каждого значения у местную скорость. По результатам составим таблицу  и построим график.                                                                                                                

Лист

Изм

Лист

№ Докум.

Подп.

Дата

4.4. Определение показаний ртутного дифманометра

расходомера Вентури.

Известно по условию и равно:

.

Лист

Изм

Лист

№ Докум.

Подп.

Дата

4.5. Определение установившегося уровня жидкости

в промежуточной емкости Н₁.

         Для определения установившегося уровня жидкости в промежуточной ёмкости Н₁ составим уравнение Бернулли для сечений 1-1 и 2-2.

 (5.1)

где  расстояние от сечений А-А и В-В соответственно до некоторой произвольно выбранной горизонтальной плоскости (м);

 р – давления в сечениях А-А и В-В соответственно (Па);

– плотность циркулирующей жидкости (кг/м³);                   1                        1

g – ускорение свободного падения (м²/с);                                                    Н₁

 скорость течения жидкости в сечении А-А и В-В                                        соответственно (м/с);                                                            2                      2                    

 коэффициенты Кориолиса, которые учитывают                                

неравномерность распределения скоростей в сечениях

А-А и В-В соответственно.

 потери напора на участках между выбранными сечениями.

         Плоскость сравнения совместим с сечением 2-2, тогда . Предположим что по трубопроводу течёт идеальная жидкость, что позволяет не учитывать потери напора . .

 (для практических расчетов). Т.к. диаметр промежуточной ёмкости во многом больше диаметра насадки , значит

, т.к. емкости открытые.

     Запишем уравнение Бернулли (5.1) с учётом всех утверждений:

                 (5.2)

Зная расход можно определить :                    (5.3)

Лист

Изм

Лист

№ Докум.

Подп.

Дата

Подставляя (5.3) в (5.2):

         В действительности при прохождении жидкости в ёмкости через насадок возникают потери напора, учтём их с помощью коэффициента расхода :

                 (5.4)

Лист

Изм

Лист

№ Докум.

Подп.

Дата

4.6. Определение разности показаний манометров р_м2 и р_м3.

Для сечений р_м2 и р_м3 уравнение Бернулли имеет вид:

  (6.1)

где , - расстояния от сечений р_м2 и р_м3 соответственно до некоторой произвольно  выбранной горизонтальной плоскости (м);

(), () - давления в сечениях р_м2 и р_м3 соответственно (Па);

- плотность циркулирующей жидкости (кг/м³);

g -  ускорение свободного падения (м²/с);

V₂ ,V₃ - скорость течения жидкости в сечениях р_м2 и р_м3 соответственно (м/с);

, - коэффициенты Кориолиса, которые учитывают неравномерность распределения скоростей в сечениях р_м2 и р_м3 соответственно;

- потери напора на участках между выбранными сечениями.

Выберем ось трубопровода за начало отсчёта, тогда z₂=z₃=0, т.к. трубопровод горизонтален.

α₁₌α₂=1, (для практических расчётов).

Потери напора между выбранными сечениями  определяются только потерями напора по длине трубопровода, т.к. местных сопротивлений на данном участке нет

V₂ =V₃ , т.к. расход и площадь поперечного сечения одинакова для сечений р_м2 и р_м3.

В итоге (1) примет вид:

   (6.2)

Потери напора по длине трубопровода определяются по формуле Дарси-Вейзбаха: