Gidravlika_i_ghidromiekhanizatsiia_s.kh_._protsiessov__Praktikum

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА И ПРОДОВОЛЬСТВИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

Учреждение образования «БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра гидравлики и гидравлических машин

ГИДРАВЛИКА И ГИДРОМЕХАНИЗАЦИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ

Рекомендовано учебно-методическим объединением высших учебных заведений Республики Беларусь по образованию в области

сельского хозяйства в качестве практикума для студентов высших учебных заведений, обучающихся по агроинженерным специальностям

Минск

2008

УДК 532+621.22](075.8) ББК 30.123+31.56

Г 46

Рекомендовано научно-методическим советом агромеханического факультета БГАТУ

Протокол № 3 от 03 мая 2007 г.

Составитель: канд. техн. наук, доц. В.С. Лахмаков, ст. преподаватель В.И. Лаптев, ст. преподаватель Е.В. Плискевич

Рецензенты: канд. техн. наук, проф., зав. каф. «Гидропневмоавтоматика и гидропневмопривод» БНТУ П.Р. Бартош;

д-р техн. наук, доц., зав. каф. «Гидравлика» БНТУ И.В. Качанов; канд. техн. наук, доц. каф. «Гидравлика» БНТУ В.К. Недбальский; канд. техн. наук, доц., зав. каф. «Технология и механизация животноводства» БГАТУ Д.Ф. Кольга

Гидравлика и гидромеханизация сельскохозяйственных процессов : практикум / Г 46 сост. В.С. Лахмаков, В.И. Лаптев, Е.В. Плискевич. – Минск : БГАТУ,

2007. – 294 с.

ISBN 978-985-6770-83-1

Материал практикума соответствует современному уровню развития гидравлики как науки в теоретическом и практическом плане.

Издание предназначено для студентов технических вузов, а также для учащихся соответствующих колледжей и техникумов.

УДК 532+621.22](075.8) ББК 30.123+31.56

2

ВВЕДЕНИЕ

Основное назначение практикума — помочь студентам получить навыки применениятеоретических знанийдлярешения конкретных практических задач.

Гидравлика как наука изучает законы равновесия и движения жидкостей, законы взаимодействия жидкости с другими телами, а так же методы применения этих законов к решению практических задач.

Сложность структуры реальной жидкости вносит определенные затруднения применения математического аппарата к решению задач, поэтому при аналитическом решении задач необходимо вносить упрощения: жидкость рассматривать как сложную, однородную, непрерывную среду, когда все ее параметры можно считать непрерывными функциями координат и времени. Вводят так же понятие об идеальной среде, то есть невязкой жидкости, что позволяет для получения математических зависимостей и уравнений, применять законы теоретической механики.

Приближенное аналитическое решение требует экспериментальной проверки и корректировки. Кроме того, чтобы построить достоверную математическую модель гидравлического явления, необходимо сначала изучить его в лаборатории или в естественных условиях.

Таким образом, экспериментальные исследования занимают в гидравлике большое место. Особенно важно учитывать условия, в которых можно применять формулы и числовые значения коэффициентов в них. Если коэффициенты, то есть их значения получены опытным путем, то применение их возможно только в пределах, ограниченных условиями эксперимента. Эти пределы указываются в справочниках.

Настоящий практикум сочетает в себе возможность проведения лабораторных исследований в комплексе с решением практических задач.

3

1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ЖИДКОСТЯХ, МЕТОДАХ РАСЧЕТА И ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

1.1 Практическое занятие «Физико-механические свойства жидкостей»

Основные сведения

Термин «жидкость» имеет два значения. Так называют агрегатное состояние вещества, промежуточное по своим свойствам между твердым и газообразным, а также тело или вещество, находящееся в жидком состоянии.

Из жидкостей наибольшее применение в сельскохозяйственном производстве получила вода. Она используется в системах водоснабжения населения, производства и животноводства. Большие объемы воды перемещаются в мелиоративных системах.

Всельскохозяйственном машиностроении широкое применение получили различные минеральные и синтетические масла для смазки, а также в системах гидропривода. Жидкости, используемые как горючее для двигателей — бензин различных марок, дизельное топливо.

Впрактике сельскохозяйственного производства используют материалы, называемые гидросмесями. Гидросмесь — это материал, получаемый перемешиванием достаточно мелких твердых или пластичных частиц с жидкостью. Типичные гидросмеси — корм для свиней, строительные растворы и др.

Плотность жидкости ρ (кг/м3) характеризуется распределением массы m (кг) по объему V (м3) и определяется по формуле:

Удельный вес γ и плотность ρ связаны между собой на основе второго закона Ньютона:

где g — ускорение свободного падения.

Средние значения плотности и удельного веса основных жидкостей приведены в приложении 1.

4

Сжимаемость жидкостей весьма незначительна, т. е. они хорошо сопротивляются сжатию, проявляя упругие свойства в соответствии с законом Гука:

где ∆V — соответствующее изменение объема;

∆p — приращение давления;

V0 — объем при начальном давлении;

E — объемный модуль упругости жидкости.

Средние значения объемного модуля упругости некоторых жидкостей приведены в приложении 2.

Температурное расширение жидкостей происходит с увеличением температуры, которое характеризуется коэффициентом температурного расширения:

где ∆t — изменение температуры.

Коэффициент температурного расширения зависит от давления, диапазона изменения температуры и приведен для некоторых жидкостей в приложении 3.

Вязкость — свойство жидкостей и газов сопротивляться двигающим (касательным) усилиям, возникающим на границе слоев жидкости, двигающихся с различными скоростями.

В соответствии с гипотезой Ньютона касательные напряжения вязкости определяются соотношением:

где µ — динамический коэффициент вязкости;

∂∂Un — градиент скорости.

5

В формулах гидравлики динамический коэффициент вязкости связан соотношением:

где ν — кинематический коэффициент вязкости, зависящий от температуры, приведен в приложение 4.

Кипение — свойство жидкости образовывать пар по всему объему жидкости. Жидкость закипает, если давление в ней равно давлению насыщенных паров pн.п при данной температуре (приложение 5).

Примеры расчетов

1. Определить количество воды, которое необходимо подать насосом в абсолютно жесткий трубопровод диаметром d = 300 мм и длиной l = 100 м, полностью заполненного при атмосферном давлении, чтобы давление в нем поднялось до 5 МПа.

Порядок расчета.

А) Определяем вместимость трубопровода при атмосферном давлении:

Б) Находим дополнительный объем воды, который необходимо подать в трубопровод, используя закон Гука (1.3), для чего предварительно находится по приложению 2 модуль упругости воды Ев = 2 060 МПа.

2.Сосуд размерами d = 1 м, Hо = 120 см считается абсолютно жестким

изаполнен бензином на высоту Н = 1 м, при температуре t1 = 20 °C. Определить на какую высоту h поднимется поршень, если сосуд нагреть до температуры t2 = 50 °C. Весом поршня пренебречь.

Порядок расчета.

6

1. Определяем объем жидкости при температуре t1 = 20 °С.

V0 = πd4 2 H = 3,144×12 ×1 = 0,785м3

2.Определяем изменение объема жидкости после нагревания, предва-

рительно приняв βt = 0,0008 К-1 , приложение 3.

∆V =V0вt∆t = 0,785×8×10−4 ×30 = 0,01884м3. 3. Высота поднятия поршня определяется из выражения:

1.2 Практическое занятие «Измерение гидравлических параметров и их обработка»

Основные сведения

При выполнении лабораторных работ необходимо измерять гидравлические параметры физических величин скорости, давления, напора, расхода жидкости и т. д. Измерение параметров физических величин необходимо при определении коэффициента гидравлического трения, местных сопротивлений, фильтрации, к.п.д. насоса, а также на производстве для контроля за техническими процессами, наладке систем водоснабжения и канализации.

Основные единицы физических величин представлены в приложение 6.

Прямые и косвенные измерения

Измерением называется совокупность действий, выполняемых при помощи средств измерения с целью нахождения числового значения измеряемой величины в принятых единицах физических величин.

Например, масса в месте измерения составляет 1 000 кг. Это означает, что измеренная масса в 1 000 раз больше по сравнению с единицей физиче-

7

ской величины, равной 1 кг. В соответствии с ГОСТ 8.417–81 единицы физических величин следует писать после числовых значений физических величин и помещать в строку с ними (без переноса на следующую строку).

Для безразмерных величин результаты расчетов характеризуются одними числовыми величинами. Безразмерные относительные величины часто выражаются в процентах (%) и промиллях (‰). Промилле — тысячная доля относительной безразмерной физической величины.

По способу получения числового значения измеряемой физической величины различают прямые и косвенные измерения.

Прямые измерения называются такие, при которых измеряемая величина отсчитывается в соответствующих единицах непосредственно по шкале. Таким обрезом выполняются измерения температуры термометром, давления механическим манометром, времени — секундомером и т. д.

Косвенными называются такие измерения, при которых искомое числовое значение определяется на основании известной функциональной зависимости между измеряемой величиной и величинами, числовые значения которых могут быть получены с помощью прямых измерений. Косвенные измерения — это, например, измерения площади прямоугольника по его сторонам, плотности тела по его массе и геометрическим размерам, расхода жидкости по перепаду давления и геометрическим размерам сужающего устройства и т. д.

Погрешности измерений

Измерение любой физической величины, как бы тщательно оно не производилось, не позволяет получить ее истинное значение. Отклонения результатов измерения от истинного значения объясняются несовершенством применяемых методов и средств, изменениями измеряемой величины и условий измерения, индивидуальными особенностями экспериментатора.

В зависимости от источников возникновения отклонений различают:

8

а) инструментальные погрешности, обусловленные применяемыми средствами измерения;

б) методические погрешности, характеризующие используемый метод измерения;

в) субъективные погрешности, вносимые экспериментатором (например, при отсчете по шале прибора).

При измерении определяется не истинное (точное) значение, а лишь приближенное. При любом уровне развития техники измерений всегда присутствуют неустранимые, неизбежные отклонения от истинного значения измеряемой величины.

Истинным А называется такое значение физической величины, которое идеально отражает в количественном и качественном отношениях соответствующее свойство физического объекта.

Истинное значение физической величины найти невозможно, поэтому вместо него используется приближающее к истинному действительное значение, которое находится экспериментальным путем.

За действительное значение измеряемой величины принимаются: при однократном измерении — результат этого измерения X, а при многократных измерениях — среднеарифметическое Х из результатов — n отдельных измерений — Хi (наблюдений).

Таким образом, соответственно

Погрешностью называется отклонение измеренного значения величины от ее истинного значения. Для количественной оценки используются абсолютные и относительные погрешности.

Абсолютной погрешностью называется разность между измеренным и истинным значениями намеряемой величины:

где ∆хi — абсолютная погрешность данного измерения;

9

Xi — результат этого измерения.

Абсолютная погрешность имеет такую же единицу физической величины, как и измеряемая величина.

Относительной погрешностью называется отношение абсолютной погрешности к истинному значению измеряемой величины:

Относительная погрешность является безразмерной величиной, часто ее выражают в процентах.

Правила округления чисел при измерении физических величин

Числовые значения величин, полученные в результате измерений и используемые в дальнейших расчетах, всегда являются приближенными.

Вобщем случае в начале приближенного числа записываются нули, показывающие его порядок, далее следуют разряды, в которых занесены верные цифры, и в младших разрядах содержатся сомнительные (запасные) цифры.

Верными называются цифры, если абсолютная погрешность числа не превышает половины единицы разряда, в котором записана рассматриваемая цифра. Цифры, для которых данное условие не выполняется, то есть соизмеримые с погрешностью, называются сомнительными.

Внекоторых источниках верными считают цифры, для которых абсолютная погрешность числа не превышает единицы разряда, где записывается рассматриваемая цифра.

Вданной работе для выделения верных цифр будет использоваться первое определение.

Примеры:

10