Часть 2. Гидродинамика

1. Дайте определение для понятий: «живое сечение потока», «средняя скорость потока», «расход жидкости».

2. Какова взаимосвязь между средней скоростью потока и площадью его живого сечения?

3. В чём заключаются особенности способов описания движения жидкости по Лагранжу и по Эйлеру?

4. Что такое линия тока, поверхность тока, трубка тока, элементарная струйка, поток жидкости?

5. Какими свойствами обладает элементарная струйка? Чем отличается живое сечение элементарной струйки от живого сечения потока?

6. Укажите виды движения жидкости?

7. Что такое равномерное и неравномерное движение?

8. Что такое гидравлический радиус и эквивалентный диаметр живого сечения? Для чего эти понятия используются в гидравлике?

9. Какое движение называется установившимся? Примеры.

10. Напишите уравнение неразрывности для установившегося движения несжимаемой жидкости. Какой физический закон отражает уравнение неразрывности?

11. Чем отличается уравнение Бернулли при установившемся движении элементарной струйки идеальной жидкости от соответствующих уравнений для элементарной струйки вязкой жидкости и для потока вязкой жидкости?

12. Каков геометрический смысл уравнения Бернулли?

13. Каков энергетический смысл уравнения Бернулли?

14. Что такое нивелировочный, пьезометрический и гидравлический уклоны? Могут ли они быть равными друг другу и в каких случаях?

15. Что такое гидравлический уклон? Когда он совпадает с пьезометрическим уклоном?

16. Могут ли нивелировочные, пьезометрические и гидравлические уклоны принимать отрицательные или нулевые значения?

17. Каков физический смысл коэффициента Кориолиса? Может ли он быть меньше единицы, равен единице?

18. Какие режимы движения жидкости существуют? Чем определяется существование того или иного режима?

19. В каких случаях ламинарный режим наблюдается на практике?

20. Каковы особенности ламинарного и турбулентного режимов движения жидкости?

21. Как определяются потери напора на трение при ламинарном режиме движения жидкости?

22. От каких факторов зависит коэффициент гидравлического трения в переходной зоне турбулентного режима движения?

23. Каков физический смысл критерия Рейнольдса? Что такое критическое число Рейнольдса? Где этот критерий применяется?

24. Как соотносятся друг другу критические скорости потоков одной и той же жидкости, текущей по каналам с одинаковой площадью живого сечения круглой и квадратной формы?

25. Во сколько раз изменится и в какую сторону число Рейнольдса жидкости, текущей по круглой трубе переменного сечения при постоянном расходе, если диаметр трубы увеличится вдвое?

26. Чем вызывается неравномерность распределения скоростей по сечению потока реальной жидкости и как она учитывается?

27. В чём состоит принцип работы водомера Вентури?

28. При каких условиях в узком сечении трубы Вентури может образоваться вакуум?

29. Как соотносятся между собой критические скорости одной и той же жидкости, текущей по трубам разных диаметров при постоянной температуре?

30. Какой вид имеют формулы Вейсбаха и Дарси-Вейсбаха?

31. Какие параметры жидкости, трубопровода, потока влияют на потери напора?

32. Запишите зависимость, связывающую среднюю и максимальную скорости в потоке при ламинарном и турбулентном движении?

33. Что такое ядро потока?

34. Как распределяются касательные напряжения по сечению цилиндрической трубы при равномерном движении?

35. Одинаковы ли значения коэффициента Кориолиса при ламинарном и турбулентном режимах движениях в цилиндрической трубе?

36. От каких величин зависит коэффициент Дарси в цилиндрической трубе с круглым поперечным сечением?

37. Что такое абсолютная, относительная, эквивалентная шероховатость и гидравлически гладкие трубы?

38. Какие трубы называются вполне шероховатыми?

39. Поясните понятия «гидравлически гладкая» и «гидравлически шероховатая» труба?

40. Может ли быть одна и та же труба и «гидравлически гладкой» и «вполне шероховатой»? При каких условиях?

41. В чём состоит физическая причина потерь напора на трение?

42. В чём состоит физическая причина потерь напора на местные сопротивления?

43. От чего зависит коэффициент гидравлического трения в квадратичной зоне сопротивления? Приведите формулу.

44. Что такое квадратичная зона сопротивления?

45. Как соотносятся между собой коэффициенты Дарси в ламинарной и квадратичной областях и от каких факторов зависит это соотношение?

46. Какие зоны сопротивления при равномерном турбулентном режиме движения в трубах можно указать?

47. Как определить границы области сопротивления по числам Рейнольдса?

48. Каковы показатели степени при средней скорости в формуле для определения потерь напора по длине в различных областях сопротивления?

49. Каков механизм потерь энергии в потоке? Какие переходы механической энергии в другие виды происходят при этом?

50. От каких факторов зависит коэффициент Дарси в различных областях сопротивления?

51. Укажите основные виды местных сопротивлений.

52. От каких факторов зависит в общем случае значения коэффициентов местного сопротивления?

53. Можно ли выразить потери напора в местных сопротивлениях, используя скоростной напор перед местным сопротивлением и за ним? Как отражается это на значении потерь напора?

54. В каком случае потери напора будут больше: при внезапном расширении или сужении труб при одинаковом соотношении диаметров и одинаковом расходе?

55. Какие явления происходят в потоке при прохождении жидкости через местные сопротивления?

56. Как можно измерить расход жидкости с помощью дроссельной шайбы?

57. Что такое входной участок трубопровода?

58. Что такое длина влияния местных сопротивлений?

59. Что такое гидравлический удар? Напишите формулу Н. Е. Жуковского и объясните физический смысл параметров, входящих в формулу?

60. Чем отличается прямой гидравлический удар от непрямого?

61. Какие основные причины могут привести к возникновению гидравлического удара?

62. Начертите графики изменения давления при гидроударе в начале, середине и конце трубы, если задвижка закрывается мгновенно?

63. От каких факторов зависит повышение давления при гидравлическом ударе?

64. Как влияет время закрытия затвора трубопровода на процессы, происходящие при гидравлическом ударе? Будет ли повышение давления при постепенном закрытии затвора таким же, как при мгновенном?

65. Каковы меры борьбы с гидравлическим ударом?

66. Что такое простой трубопровод? В чём различие между гидравлически длинным и коротким трубопроводами?

67. Чем отличаются друг от друга простой и сложный трубопроводы?

68. Какие основные задачи решаются при установившимся движении в простых трубопроводах?

69. На основе каких уравнений решаются задачи простых трубопроводов?

70. Какие основные задачи могут встретиться при расчёте простого трубопровода?

71. Что такое гидродинамическое подобие?

72. Что такое критерии подобия? Каков физический смысл критерия Рейнольдса и критерия Фруда?

73. Запишите основное уравнение установившегося равномерного движения жидкости?

74. Что такое пульсация скорости?

75. В чём состоит отличие графиков Никурадзе и Мурина для труб с искусственной и естественной шероховатостью?

76. Напишите формулу Шези. Какова размерность коэффициента Шези?

77. В чём состоит отличие формулы Блазиуса от формулы Шифринсона?

78. Запишите формулу Альтшуля для коэффициента Дарси и объясните физический смысл параметров, входящих в формулу?

79. В каких случаях величину коэффициента местных сопротивлений можно находить аналитическим путём?

80. Отчего зависит коэффициент местных сопротивлений при внезапном сужении потока? Каково его предельное значение?

81. Почему коэффициенты местных сопротивлений при внезапном сужении и расширении потока при прочих равных условиях неодинаковы? Каково предельное значение коэффициента при внезапном расширении потока?

82. От чего зависит коэффициент местных сопротивлений при повороте потока?

83. Как зависят коэффициенты местных сопротивлений от числа Рейнольдса?

84. Какими признаками характеризуется малое отверстие в тонкой стенке?

85. Что такое коэффициент сжатия струи и какова физическая причина сжатия струи?

86. Что такое коэффициент скорости и как он связан с коэффициентом сопротивления отверстия?

87. Что учитывает коэффициент расхода при истечении из отверстия?

88. Как взаимосвязаны между собой коэффициенты расхода, скорости и сжатия струи?

89. Как влияет на величины скорости и расхода применение внешнего цилиндрического насадка и почему?

90. Как влияет величина напора на коэффициент расхода при истечении из внешнего цилиндрического насадка?

91. Что такое свободная струя и чем она отличается от затопленной?

92. Как влияет на расход степень затопления отверстия?

93. Какие факторы влияют на высоту и дальность полёта вытекающей из насадка струи?

94. Какие типы струй используются при расчётах вентиляции?

95. Чему равна общая потеря напора на трение при последовательном соединении труб?

96. Какими гидравлическими особенностями характеризуется параллельное соединение труб?

97. Дайте определение непрерывного (путевого) и транзитного расходов?

98. Как рассчитываются трубопроводы, работающие в неквадратичной области сопротивления?

99. Чему равны потери напора в трубах при непрерывной раздаче расхода по пути?

100. В чём состоит гидравлический расчёт сифона?

101. Что такое коэффициент расхода системы?

102. Как можно оценить изменения пропускной способности труб в процессе их эксплуатации?

103. Как найти повышение давления в трубе при гидравлическом ударе?

104. От чего зависит сопротивление тел, находящихся в потоке?

105. Что такое сопротивление давления?

106. Что такое автомодельность в отношении числа Рейнольдса?

107. Что такое коэффициент сопротивления давления?

108. От каких факторов зависит коэффициент сопротивления давления?

109. Чему равна сила сопротивления при ламинарном обтекании шара?

110. Для какой формы тела коэффициент сопротивления минимален?

111. Что называется фильтрацией?

112. Что такое коэффициент фильтрации и от каких факторов он зависит?

113. Как определить коэффициент фильтрации лабораторным способом?

114. В каких грунтах проявляются ламинарная и турбулентная фильтрации? Укажите границы ламинарной фильтрации.

115. Приток грунтовой воды к круглому совершенно безнапорному колодцу.

116. Безнапорное и напорное движение грунтовых вод.

117. Приток грунтовой воды к артезианской скважине.

118. Приток грунтовой воды к водосборной галерее.

Приложение – III. Справочные данные

Основные единицы, используемые в международной системе единиц измерения (СИ), применяемые в гидравлических расчетах:

- длина – единица измерения метр (м);

- масса – единица измерения килограмм (кг);

- время – единица измерения секунда (с).

Дополнительная единица измерения углов – радиан (рад).

Производные единицы СИ в гидравлических расчетах используются следующие:

Таблица П-1

Соотношения для перевода единицы измерения из системы МК ГСС в СИ:

Удельный вес жидкости в системе СИ имеет размерность Н/м³ и для пресной воды при температуре 4º С равен 9 810, 0 Н/м³. Плотность жидкости в системе СИ – кг /м³ и для воды при температуре 4º С равна 1 000 кг /м³. В системе МК ГСС (метр-килограмм-сила-секунда) сила имеет размерность кг. Причем для перевода единицу измерения из одной системы в другую нужно помнить, что:

1 кг = 9, 80665 Н 9, 81∙ 10³ Н; 1т = 9, 81∙ 10³ Н;

1 кг/см² = 10⁴ кг/м² = 9, 81∙ 10⁴ Н/м²;

1 кг/см² = 735, 6 мм рт.ст. = 10⁴ мм вод.ст. = 10 м вод.ст.;

1 кг/м² = 1 мм вод.ст.;

1 физ. атм. = 101324 Н/м² = 1, 033 кг/см² = 760 мм рт.ст.;

1 техн. атм. (1 кг/см²)= 9, 81∙ 10⁴ Па;

1 кг∙ м = 9, 81 Н∙ м = 9, 81 Дж;

1 кг∙ м/с = 9, 81 Н∙ м/с = 9, 81 Дж/с = 9, 81 Вт.

1 мм рт. ст. = 133, 32 Н/м²;

1 мм вод. ст. = 9, 81 Н/м²;

Соотношения для перевода единиц измерения длины и объёма из английских, американских и старых русских мер в СИ:

Единицы длины:

1 дюйм = 2, 54 см = 2, 54∙ 10^-2 м; 1 фут = 0, 3048 м;

1 ярд = 3 фута = 0, 9144 м; 1 саж. = 2, 1336 м;

1 англ. миля = 5 000 фут. = 1, 5240 км = 1, 524 м;

1 верста = 1, 0668 км = 1 066, 8 м;

1 уставная миля = 1 760 ярд = 1, 6093 км = 1 609, 3 м;

1 географ. миля = 7, 4205 км = 7420, 5 м;

1 морская миля = 1, 8532 км = 1 853, 2 м.

Единицы объёмов:

1 л = 0, 264 ам. галлона = 0, 220 англ. галлона = 0, 0353 фут³ = 0, 001 м³;

1 ам. галлон = 0, 8333 анг. галлон = 0, 1336 фут³ = 3, 785 л = 3, 785∙ 10^-3 м³;

1 англ. галлон = 1, 2 ам. галлон = 0, 1603 фут³ = 4, 544 л = 4, 544∙ 10^-3 м ³;

1 фут³ = 6, 24 англ. галлона = 7, 49 ам. галлон = 28, 375 л = 28, 375∙ 10^-3 ;

1 куб. фут воды (при 4˚ С) = 69, 1432 фунта = 62, 42 англ. фунт

1 куб. фут воды (при 4˚ С) = 1, 728 пуд = 2, 302 ведра;

1 куб. саж. воды (при 4˚ С) = 23 716, 13 фунт = 592, 903 пуд = 789, 6 ведра;

1 ведро = 30, 034 фунта = 0, 4345 фут³ = 12, 2993 л = 12, 2993∙ 10^-3 м ³;

При проведении расчетов некоторые величины представляют очень большие или очень малые числа, поэтому их иногда удобно выражать в кратных или дольных единицах (табл. П-2).

Таблица П-2

Приставки для образования кратных и дольных единиц

Наиболее часто применяемые для обозначений физических (гидравлических) величин буквы греческого алфавита и их названия:

α = альфа Θ, θ = тэта Σ, σ = сигма

β = бэта Λ, λ = ламбда τ = тау

Г, γ = гамма μ = мю (ми) Φ, φ = фи

∆, δ = дельта ν = ню (ни) χ = хи

ε = эпсилон ξ = кси Ψ, ψ = пси

ζ = дзета π = пи = каппа

η = эта ρ = ро

ω, Ω = омега

Таблица П-3

Плотность и кинематическая вязкость некоторых жидкостей (при температуре 20°С)

Таблица П-4

Зависимость плотности пресной воды от температуры

t, º С
, кг /м 3	999, 87	1 000, 0	999, 73	998, 23	995, 67	992, 24	990, 25	988, 07	985, 73
t, º С
, кг /м 3	983, 24	980, 59	977, 81	974, 89	971, 83	968, 65	965, 34	961, 32	959, 09

Таблица П-5

Физические характеристики некоторых масел

Таблица П-6

Зависимость коэффициента температурного расширения воды

от температуры

t, º С	, º С-1, при Р, Па ∙ 105
1, 0	2, 0	5, 0	9, 0
1…10
10…20
40…50
60…70
90…100

Таблица П-7

Зависимость коэффициента объемного сжатия воды β _w от температуры

t, º С	, Па-1, при Р, Па ∙ 105
0, 5	1, 0	2, 0	3, 0
	5, 40	5, 37	5, 31	5, 23
	5, 29	5, 23	5, 18	5, 08
	5, 23	5, 18	5, 08	4, 98
	5, 18	5, 10	5, 03	4, 88
	5, 15	5, 05	4, 95	4, 81

Таблица П-8

Плотность и кинематический коэффициент вязкости воздуха ν

при давлении Р = 98, 0 кПа

t, º С
, кг /м3	1, 280	1, 230	1, 185	1, 150	1, 110	1, 080
ν ∙ 106, м2/с	13, 70	14, 70	15, 70	16, 60	17, 60	18, 60
t, º С
, кг /м3	1, 045	1, 020	0, 990	0, 960	0, 935	0, 740
∙ 106, м2/с	19, 60	20, 45	21, 70	22, 90	23, 80	32, 82

Таблица П-9

Давление насыщенных паров воды в зависимости от температуры

Таблица П-10

Зависимость атмосферного давления от высотного

расположения местности

Таблица П-11

Моменты инерции (относительно горизонтальной оси, проходящей через центр тяжести С), координаты центра тяжести и площади плоских фигур

Вид фигуры, обозначение
		+

Продолжение табл. П-11

Продолжение табл. П-11

Таблица П-12

Зависимость кинематического коэффициента

вязкости воды от температуры

t, º С
∙ 106, м2/с	1, 79	1, 725	1, 660	1, 610	1, 560	1, 520	1, 310	1, 140	1, 010
t, º С
∙ 106, м2/с	0, 90	0, 81	0, 60	0, 56	0, 48	0, 42	0, 37	0, 33	0, 29

Таблица П-13

Плотность некоторых твердых тел

Материал	, кг /м3	Материал	, кг/м3
Дуб	0, 7 ∙ 103	Лед	0, 92 ∙ 103
Сосна	0, 5 ∙ 103	Медь	8, 9 ∙ 103
Сталь	7, 8 ∙ 103	Мрамор	2, 70 ∙ 103
Золото	19, 3 ∙ 103	Свинец	11, 3 ∙ 103
Латунь	8, 5 ∙ 103	Песок (мокрый)	2, 0 ∙ 103

Таблица П-14

Зависимость коэффициента сопротивления пробкового крана при различных углах открытия

Таблица П-15

Значение абсолютной эквивалентной шероховатости поверхностей

из различных материалов

Материал и вид труб	Состояние трубы	, мм
-бесшовные стальные	новые и чистые	0, 01…0, 02 (0, 014)
после нескольких лет эксплуатации	0, 15…0, 30 (0, 20)
-стальные сварные	новые и чистые	0, 03…0, 10 (0, 06)
старые заржавевшие	0, 8…1, 5 (1, 0)
умеренно заржавевшие	0, 3…0, 7 (0, 5)
-стальные клепанные	легко клепанные	0, 5…3, 0
сильно клепанные	до 9, 0
-оцинкованные и железные	новые и чистые	0, 1…0, 2 (0, 15)
после нескольких лет эксплуатации	0, 4…0, 7 (0, 50)
-деревянные (лотки)	из неструганых досок	1, 0…2, 5 (2, 0)

Таблица П-16

Значения расходных характеристик К для квадратичной области сопротивления

Таблица П-17

Значения коэффициента при внезапном расширении труб

n = ω 2/ω 1

Таблица П-18

Значения коэффициента внезапного сужения трубопровода

n=ω 2/ω 1	0, 01	0, 1	0, 2	0, 3	0, 4	0, 5	0, 6	0, 7	0, 8	0, 9	1, 0
	0, 41	0, 40	0, 38	0, 36	0, 34	0, 30	0.27	0, 20	0, 16	0, 10

Таблица П-19

Значения коэффициента диафрагмы в трубопроводе

n=ω 0/ω	0, 1	0, 2	0, 3	0, 4	0, 5	0, 6	0, 7
		60, 2	19, 9	9, 8	4, 4	2, 4	1, 22

Таблица П-20

Значение коэффициента при резком повороте круглой трубы на 90º

d, мм
	1, 7	1, 3	1, 1	1, 0	0, 83

Таблица П-21

Значения «а» в зависимости от центрального угла поворота трубы α

Таблица П-22

Зависимость коэффициента сжатия струи от степени сжатия потока n

n		0, 1	0, 2	0, 3	0, 4	0, 5	0, 6	0, 7	0, 8	0, 9	1, 0
	0, 609	0, 613	0, 618	0, 623	0, 631	0, 642	0, 656	0.678	0, 785	0, 718	1, 0

Таблица П-23

Значения параметра и для местных сопротивлений

при небольших числах

Устройство			Устройство
Пробочный кран	0, 4		Тройник	0, 3
Вентили:			Задвижка:
-обыкновенный	6, 0	3 000	-полностью открытая	0, 15
-угловой	0, 8		-n = 0, 75	0, 2
-шаровой клапан	45, 0	5 000	-n = 0, 5	2, 0	1 300
Угольник:			-n = 0, 25		3 000
90 º	1, 4		Диафрагма:
135 º	0, 4		-n = 0, 64	1, 0
Колено 90º	0, 2		-n =0, 4	7, 0
Выход из трубы в бак	1, 0		-n =0, 16
Вход из бака в трубу	0, 5		-n =0, 05		3 200

Примечание: Для арматуры полностью открытой и при отсутствии необходимых данных о значении можно принять .

Таблица П-24

Значение коэффициента формы А и эквивалентного диаметра d_э

	dэ	A
Круг диаметром “d”	d
Квадрат со стороной “a”	a
Равносторонний треугольник со стороной “a”	0, 58a
Кольцевой просвет шириной “a”	2a
Прямоугольник со сторонами “a” и “b”:
	2a
	1, 6a
	1, 3a

Таблица П-25

Зависимость коэффициента расхода водомера Вентури от числа Рейнольдаса (при d₂/d₁=1/2)

Таблица П-26