Гидравлика (Механика жидкости) Физические свойства жидкости icon

Гидравлика (Механика жидкости) Физические свойства жидкости



НазваниеГидравлика (Механика жидкости) Физические свойства жидкости
страница3/5
Дата конвертации26.01.2013
Размер0.61 Mb.
ТипРеферат
1   2   3   4   5

Теория фильтрации


^ Определения, термины и закономерности


Фильтрацией называется движение жидкости или газа в пористой среде. Под средой подразумевается твёрдая фаза.

Большинство сред являются пуристыми: грунты, бетон, кирпич и т.д. Но не в каждой пористой среде происходит фильтрация. Движение жид­кости или газа происходит только по сообщающимся между собой порам (не замкнутым). Кроме того, размер пор должен быть достаточным для пропуска жидкости или газа. Среды с такими порами называются фильт­рующими или про­ницаемыми. Примерами фильтрующих сред могут служить неко­то­рые грунты (пески, сэпеси, суглънки), строительные мате­риалы (щебень, пористый бетон, кирпичная кладка). Проницаемость пори­стой среды определяется опытным путём.

Водоупором называют грунт, практически не пропускающий воду. Глины часто являются водоупорными, так как поры в них замкнутые и малого размера. Непроницаемый же строительный материал приня­то име­новать гидроизо­ля­ционным (а не водоупорным). Так, в каче­стве гид­роизоляции ис­пользу­ют цементный рас­твор, различ­ные битум­ные мас­тики, толь, рубе­роид.

Теория фильтрации применительно к водоснабжению и строи­те­льству рассматривает закономерности фильтрации воды с целью прове­дения количественных расчётов:

— притока подземных вод к водозаборным сооружениям (скважинам, колодцам и т.д.);

— работы фильтров на станции водоподготовки при приготовлении питьевой воды;

— при прогнозах подтопления подземными водами территорий застройки;

— при выборе систем строительного водопонижения для котлованов, траншей или подземных проходок в водонасыщенных грунтах;

— при проектировании дренажных систем (дренажйй), понижающих уровень грунтовых вод (УГВ) для защиты подземных сооружений и помещений зданий от подтопления.

Термины теории фильтрации во многом совпадают с гидравли­ческими. Движение жидкости при фильтрации принято рассматривать как сплошной поток, будто бы твёрдых частиц пористой среды нет. Поэтому фильтрационные потоки формально имеют сходство с потоками в трубах и каналах.

Перечислим элементы фильтрационных потоков (термины).

Свободная поверхность это граница раздела между полностью водонасыщенной пористой средой и осушенной её частью (рис. 17). На этой границе давление равно атмосферному pатм . Осо­бенностью является то, что над свободной поверхностью в пористой среде имеется капиллярная зона высотой hк , которая не полностью водонасыщена, но где часть влаги удерживается капиллярными силами пор.



Все фильтрационные потоки делятся на:

— напорные (без свободной поверхности);

— безнапорные (со свободной поверхостью).

Примерами напорных фильтрационных потоков могут служить артезианские подземные воды, которые при бурении скважин дают фонтан. Примером безнапорных потоков является грунтовые воды, просачиваю­щиеся в котлованы и траншеи, что рассмотрено ниже.

Определения линии тока, площади живого сечения потока (м2) и фильтрационного расхода Q (м3/сут) можно использовать гидравлические (см. гидродинамику, с. 13). Но в отношении нужно учитывать, что это площадь вся — и пор, и твёрдой фазы, так как в теории фильтрации принято считать поток сплошным (условие сплош­ности).

Движение потока при фильтрации всегда происходит под влиянием разности напоров H (м), от большего напора к меньшему.

Фильтрационный напор H (м) находится формально как гидро­ста­тиче­ский:


,


так как в нём обычно не учитывается скоростная составляющая напора hv (см. гидродинамический напор, с. 15) из-за малых скоростей движения жидкости по порам. В грунтовых водах напор в метрах по высоте может отсчитываться от водоупора, если поверхность последнего можно принять за горизонтальную плоскость (рис. 18), но может также приниматься как абсолютная геодезическая отметка свободной поверхности потока (см. с. 12).



Фильтрационный поток по ходу движения всегда теряет напор из-за вну­треннего трения жидкости. Отношение потерь напора H (м) к длине пути фильтрации l (м) называется пьезометрическим ук­лоном или градиентом на­пора (величина безразмерная).

I = H / l .


Скоростью фильтрации vф (м/сут) называется отношение филь­т­ра­ци­онного расхода Q (м3/сут) к площади живого сечения потока (м2):

vф = Q/.

Теперь, имея вышеперечисленные термины теории фильтрации, приве­дём её основной закон.

Закон Дарсъ (основной закон фильтрации) связывает скорость филь­тра­ции vф (м/сут) с коэффициентом фильтрации пористой среды kф (м/сут), разностью напоров (потерями напора) H (м) и длиной пути фильтрации l так:


.


Фильтрационные характеристики пористых сред определяются опыт­ным путём. Некоторые из них приведены в таблице.

Коэффициент фильтрации kф характеризует проницаемость пористой среды. Коэффициент водоотдачи в (величина безразмерная) показывает, сколько воды может отдать при осушении грунт в долях едини­цы его объёма.





Пористая среда


Коэффициент

фильтрации

kф, м/сут



Коэффициент

водоотдачи

в

Водоупорные глины, пло­т­ный бетон


Менее 0,01


Менее 0,05

Суглънки

0,01 — 0,5

0,05 — 0,1

Сэпеси

0,5 — 2

0,1 — 0,2

Пески

2 — 50

0,2 — 0,25



^ Фильтрационные расчёты


В строительной практике большинство фильтрационных расчётов связано с определением водопритока грунтовых вод Q (м3/сут) в тран­шеи и котлованы, с целью заблаговременного подбора насосов для водоотлива так, чтобы их производительность была не менее величины Q.

Грунтовые воды (см. рис. 18) — это подземный водоносный гори­зонт, име­ющий свободную поверхность (т.е. уровень грунтовых вод — УГВ) и залегающий на первом от поверхности земли водоупоре. Таким образом, грунтовые воды являются безнапорными. Они залегают в проницаемых грунтах (песках, сэпесях, суглънках), имеющих некоторый коэффициент фильтрации kф. Они имеют некоторую естественную мощность He , в пределах которой грунт полностью во­донасыщен. УГВ регист­рируется скважинами, открытыми в атмосферу (скважи­нами-пьезометрами).

Закон Дарсъ служит основой для получения расчётных формул при раз­личных случаях фильтрации, которые могут наблюдаться на практике.

В качестве примера покажем, как можно вывести формулу для опреде­ления притока грунтовых вод в траншею при использовании закона Дарси и гидравлических принципов.

На рис. 19 изображена траншея длиной ^ В. В нашем примере своим дном она доходит до водоупора. Прибывающая в траншею грунтовая вода постоянно откачивается насосом с расходом Q. Этот расход складывается из правого Qп и левого Qл водопритоков грунтовых вод. Движение грунтовых вод к траншее про­исходит из-за разности напоров в водоносном пласте и траншее H=He–Hт. Напоры отсчитываем от по­верхности водоупора. Длина пути фильтрации Lt (см. рис. 19,б) называется зоной влияния откачки. В пределах этой зоны естественный УГВ постепенно понижается в сторону траншеи и носит название кривой депрес­сии. Зона влияния откачки Lt с течением времени увеличивается. Это происходит из-за осушения грунта вблизи траншеи, кривая депрессии становится более поло­гой и длинной . Величину Lt (м) можно определить так:



,


где t — время от начала откачки, сут.

Распишем водоприток грунтовых вод в траншею:

Q = Qп+ Qл = vф + vф.

Скорость фильтрации по закону Дарсъ выражается так:


.

Среднюю величину площади живого сечения фильтрационного потока пе­ременной высоты в пределах кривой депрессии (см. рис. 19,б) можно записать так:


.

Подставляя vф и в выражение для Q , после элементарных выкла­док по­лу­чим формулу для определения притока грунтовых вод в траншею:

.

Приток грунтовых вод, фильтрующихся в котлован (рис. 20), колодец или скважину, можно определить по формуле (приводится без вывода)




где Hе —естественный напор в грунтовых водах (их мощность);

Hк — напор в котловане (слой воды в котловане);

Rt — радиус влияния откачки;

rк — радиус котлована;

= 3,14 ;

ln — натуральный логарифм.

Величину Rt можно найти так:

,

где t — время от начала откачки, сут.

Котлован с реальной плановой конфигурацией площадью F приводи­тся к равновеликому условно круглому котловану радиусом


.


Водоприток ^ Q в траншеи и котлованы максимален в начале откачки и уменьшается с течением времени одновременно с увеличением Lt или Rt. Это объяснимо постепенной сработкой водоносного горизонта (осушением грунта) вблизи строительной выем­ки.


^ Аэродинамика (механика газа)


Аэродинамикой называется раздел механики жидкости и газа, изу­чаю­щий закономерности покоя и движения газов.

В области строительства аэродинамические расчёты связаны главным образом с воздухом, на который в основном и будем ориентироваться в данной книге.

Многие гидравлические принципы сохраняются и для газов, так как последние часто считают условно несжимаемыми, как и жидкости. Поэтому в аэродинамике много ссылок на закономерности гидравлики.

Положения аэродинамики используются для расчёта систем вентиляции и газоснабжения зданий, при определении ветровых нагрузок на строи­тельные конструкции, в расчётах продуваемости жилых микрорайонов, для оценки воздухопроницаемости стен и оконных проёмов зданий.


^ Физические свойства газов


Определения плотности , удельного веса , вязкости динамической и кинематической , приведённые для жидкости в гидравлике (см. с. 6—7), остаются в силе и для газа.


Плотность


Плотность газа  ( кг/м3)в зависимости от давления и темпе­ра­туры можно определить по формуле Клапейруна


,

где pст — статическое давление в газе, Па (аналогично гидроста­ти­ческому — см. с. 8);

Rг газовая постоянная, Дж/(кг· K);

T — абсолютная температура газа в градусах Кйльвина (К), вычис­ляемая через температуру в градусах Цельсия (°C) по формуле

T = t°+273°.

Например, плотность воздуха при t°=+20 °C, нормальном атмос­ферном давлении pст = pатм = 101325 Па и соответствующей газовой по­стоянной Rг=287 Дж/(кгK) составит по формуле Клапейрона

 = 101325/287(20+273) = 1,2 кг/м3 .

В практических расчётах воздухообмена в зданиях, в частности при самоудалении нагретого воздуха из помещений по каналам естественной вытяжной вентиляции наружу плотность воздуха определяется упрощённо при условии постоянства давления (изобарный процесс): pст= pатм=101325 Па. Это означает, что плотность воздуха считается зависящей только от его температуры Т. В дальнейшем будем иметь ввиду только такую простейшую зависимость.


^ Удельный вес


Удельный вес газа (Н/м3) находится по формуле:

g.


Вязкость


Динамическая вязкость воздуха (Па·с) может быть опре­делена по экспериментальной формуле Р.Э. Мълликена

,

где — температура, °C. Например, при =+20 °C вычисляем дина­ми­ческую =1,85·10-5 Па·с и кинематическую вязкость воздуха = / =1,85·10-5/1,2 = 1,54·10-5 м2.

Обратите внимание, что с увеличением температуры вязкость газа увеличивается, в отличие от жидкостей, которые при нагревании становятся менее вязкими.


^ Статика газа


Статика газа — это раздел аэродинамики (механики газа), изучающий законы равновесия покоящегося газа и распределения в нём давления.


^ Статическое давление


Статическое давление pст (Па), действующее в покоящемся га­зе, складывается из внешнего давления на газ po на некотором го­ри­зонтальном уровне (например, замеренное барометром атмосферное дав­ление) и давления собственного веса газа (весового давления) pг = h (рис. 21):


pст = po +  h = po + g h ,


где h — высота слоя газа над точкой, в которой определяется статическое давление. Приведённое уравнение аналогично основному уравнению гид­ро­ста­тики (см. с. 8). Оно показывает, что давление в газе, как и в жидкости, с изменением высоты меняется по линейной зависимости.




^ Приборы для измерения давления


Для измерения величины статического давления pст могут применяться следующие приборы:

—барометры (измеряют атмосферное давление);

—манометры (измеряют избыточное давление);

—вакуумметры (измеряют вакуум — см. с. 9).

Давление в газе в системе СИ измеряется в паскалях (Па=Н/м2), кото­рые связаны с миллиметрами водяного столба и кгс/см2 так:

1 Па = 0,1 мм вод.ст. = 10-5 кгс/см2 .

В атмосферном воздухе статическое давление pст равно атмо­сферно­му pатм на уровне, где оно измеряется барометром. Для других уровней дела­ется поправка gh c плюсом или минусом. Например, в атмосфере при t° = +20 °C давление при подъёме на каждые восемь метров уменьшается примерно на 100 Па — это можно проверить по формуле для pст.

При измерении pст в резервуарах (рис. 22) различают два слу­чая:

1. Когда внутри давление больше атмосферного (pст pатм), то ис­пользуют­ся барометр и манометр и тогда

pст = pатм + pман ,

где pман — давление манометрическое (избыточное).

2. Когда внутри давление меньше атмосферного (pст pатм), то ис­пользуют­ся барометр и вакуумметр и тогда

pст = pатм – pв ,

где pв — давление вакуумметрическое (см. с. 9).



^ Эпюры давления


Для расчёта на прочность замкнутых конструкций, ограждающих газ (тру­бопроводов, баллонов, резервуаров, газгольдеров и т.д.), на их поверхно­стях стро­ят эпюры давления:

— избыточного pман = pст – pатм (рис. 23,а);

— вакуумметрического pв = pатм – pст (рис. 23,б).

Эти давления являются результирующими, то есть фактически действую­щими на конструкцию. Эпюры давления на рис. 23 построены с прене­бреже­ни­ем изменения давления по высоте резервуара, поэтому на верти­кальных стенках они пря­мо­угольные, а не треугольные как для жид­кости (см. рис. 3). Такой приём допуска­ется для газа при небольших высо­тах из-за малости его удельного веса. Эпюры давления служат исходными данными для расчёта конструкций на прочность методами сопромата.



^ Приведённое статическое давление


Статическое давление pст не выражает условия равновесия (покоя) газа. На­пример, газ покоится, но по высоте в разных его точках величина pст разная, так как h является переменной. В гидравлике применяется понятие гидростатического напора H (см. с. 11), который для всех точек покоящейся жидкости одинаков. Од­нако для газа напор не удобно вводить из-за переменной плотности , зависящей от температуры. Поэтому в газе для энергетического сравнения его точек удобно использовать понятие приведённого статического давления (рис. 24):

pпр.ст = g z + pст ,

где gz — давление положения точки газа, отстоящей на высоту z от нулевой горизонтальной плоскости отсчёта O-O; — плотность газа, соответствующая температуре в рассматриваемой точке. Другими словами, pпр.ст приводит давления в различных точках к одному уровню О-О.



Условие равновесия газа можно сформулировать так: если приве­дённые ста­ти­ческие давления pпр.ст в различных его точках одинаковы, то газ покоится.




Рассмотрим пример для точек А и В покоящегося газа (рис. 25):

в точке А

pпр.стА = gzA + pстА = gzA + pатм + ghA = pатм + g(zA + hA);


в точке В

pпр.стB = gzB + pстB = gzB + pатм + ghB = pатм + g(zB + hB);


Так как zA + hA = zB + hB , тo pпр.стА = pпр.стВ .

Значит, энергетическое состояние газа в обеих точках одинаковое, что указывает на равновесное состояние покоя, отсутствие движения.

1   2   3   4   5



Похожие:

Гидравлика (Механика жидкости) Физические свойства жидкости iconКонтрольная работа 7 класс
В одной цистерне в 4 раза меньше жидкости, чем во второй. После того как в первую цистерну добавили 20 т жидкости, а из второй израсходовали...
Гидравлика (Механика жидкости) Физические свойства жидкости iconТема урока: Расчет давления жидкости на дно
Цель: отработка навыков решения задач на нахождение давления жидкости на любом уровне, выяснить от чего зависит давление жидкости...
Гидравлика (Механика жидкости) Физические свойства жидкости iconЖидкости и твердые тела
Испарение – парообразование, происходящие при любой температуре со свободной поверхности жидкости
Гидравлика (Механика жидкости) Физические свойства жидкости iconЗакон Паскаля Давление жидкости
Жидкости и газы передают оказываемое на них давление по всем направлениям без изменения
Гидравлика (Механика жидкости) Физические свойства жидкости iconУрок в 7-м классе по теме "Архимедова сила"
Сформировать понятие силы, выталкивающей тело из жидкости, ее направление. Установить качественную зависимость выталкивающей силы...
Гидравлика (Механика жидкости) Физические свойства жидкости iconИспарение испарение – это парообразование, происходящее с поверхности жидкости
Если число молекул, вылетающих из жидкости, равно числу молекул, возвращающих обратно в жидкость, то наступает динамическое равновесие...
Гидравлика (Механика жидкости) Физические свойства жидкости iconДиффузия на кухне вода в жидком состоянии
В жидкости расстояние между молекулами гораздо меньше чем в паре, и в соответствии с этим межмолекулярные силы сцепления в жидкости...
Гидравлика (Механика жидкости) Физические свойства жидкости iconУрок физики в 7-м классе по теме "Расчет давления жидкости на дно и стенки сосуда"
Цель: получить выражение для расчета давления жидкости на дно и стенки сосуда. Уметь применять его при решения задач
Гидравлика (Механика жидкости) Физические свойства жидкости iconЛабораторная работа №26 определение коэффициента вязкости жидкости методом стокса цель работы : определение коэффициента вязкости жидкости методом Стокса
Приборы и принадлежности: стеклянный цилиндр, наполненный глицерином, металлический шарик, секундомер, линейка, штангенциркуль
Гидравлика (Механика жидкости) Физические свойства жидкости iconЛабораторная работа №27 определение зависимости коэффициента поверхностного натяжения жидкости цель работы
Цель работы: определить значение коэффициента поверхностного натяжения исследуемой жидкости
Разместите кнопку на своём сайте:
Документы


База данных защищена авторским правом ©lib.podelise.ru 2000-2014
При копировании материала обязательно указание активной ссылки открытой для индексации.
обратиться к администрации
Документы