Физика /1.Теоретическая физика

К.п.н. Мищик С.А.

Государственный морской университет имени адмирала Ф.Ф.Ушакова ,

Россия

Системные гидравлические задачи прикладной физики

морского флота

Системные гидравлические задачи прикладной физики морского флота отражают целостно-системное моделирование основных элементов транспортных объектов. При этом возникает ориентация на единство базисных характеристик предметных и исполнительных условий относительно предмета содержания и способа его реализации. Рассматриваются: физические свойства жидкости и газа, основы гидростатики, кинематика и динамика жидкости, гидравлический расчет истечения, гидравлический удар в трубах, гидравлический расчет трубопроводов гидросистем, основы теории подобия и моделирования на морском флоте.

В процессе решения системных задач динамической прикладной физики морского флота необходимо применять основные положения теории деятельности, системного анализа и теории формирования интеллекта.

Системный анализ предполагает выполнение последовательности системных аналитических действий: выделить объект анализа – гидравлическую задачу прикладной физики морского флота (ГЗПФМФ) как систему; установить порождающую среду ГЗПФМФ; определить уровни анализа ГЗПФМФ; представить целостные свойства ГЗПФМФ относительно пространственных, и временных характеристик и их комбинаций; выделить структуру уровня анализа ГЗПФМФ; установить структурные элементы уровня анализа ГЗПФМФ; определить системообразующие связи данного уровня анализа ГЗПФМФ; представить межуровневые связи анализа ГЗПФМФ; выделить форму организации ГЗПФМФ; установить системные свойства и поведение ГЗПФМФ.

Задача 1

При гидравлическом испытании участка судового трубопровода диаметром d = 200 мм и длиной 250 м давление в трубе было повышено до 3 МПа. Через час давление снизилось до 2 МПа. Сколько воды вытекло через неплотности системы?

Ответ: 3,93 л

Задача 2

Сколько кубометров воды будет выходить из судового отопительного котла, если за час в отопительный котел поступило 50 м³ воды при температуре 70 °С, а затем температура воды повысилась до 90 °С

Ответ: 50,64 м³/ч.

Задача 3

Определить усилие, которое развивает судовой гидравлический пресс, имеющий d₂ = 250 мм, d₁ = 25 мм, a = 1м и b = 0,1м, если усилие, приложенное к рукоятке рычага рабочим, N = 200 H, а КПД равен 0,8.

Ответ: 176 кН

Задача 4

Определить плотность батискафа r, плавающего в жидкостях, при полном погружении, если центр тяжести батискафа лежит в плоскости раздела жидкостей r₁ = 1000 кг/м³ и r₂ = 1200 кг/м³ .

Ответ: кг/м³.

Задача 5

Судовой гидромультипликатор служит для повышения давления р₁, передаваемого насосом или аккумулятором давления. Определить давление р₂ при следующих данных: G = 3 кН, D = 125 мм, р₁ = 100 Н/см², d = 50 мм. Силами трения в уплотнениях пренебречь.

Ответ: 472,2 Н/см²

Задача 6

Определить h_вак и построить эпюры вакууметрического и абсолютного давлений на стенку судового водяного вакууметра, если р_абс = 0,85×10⁵ Па, а в нижнем резервуаре вода.

Ответ:1,34 м

Задача 7

Определить показания жидкостного манометра, присоединенного к резервуару с водой, на глубине h = 1 м, если по показаниям пружинного манометра давление р_м = 0,25×10⁵ Па

Рис

Ответ: 3,54 м

Задача 8

Определить силу, точку приложения и направление ее действия, если вода действует на гидрозатвор диаметром D = 2 м, шириной В = 3 м

Ответ: 1. Cила, действующая на вертикальную проекцию, =58.86 кН

2. Вертикальная составляющая силы: кН.

3. Полная сила гидростатического давления:кН.

4. Угол наклона результирующей силы с горизонтальной осью: .

Сила Р проходит через центр окружности и приложена в точке D.

Задача 9

Определить минимально необходимый диаметр шарового поплавка, обеспечивающего автоматическое закрытие судового клапана при наполнении резервуара, если вода под давлением  Па заполняет резервуар через трубу диаметром d = 15 мм, при а = 15 мм и b = 500 мм. Cобственной массой рычага, клапана и поплавка пренебречь.

Ответ: .

Задача 10

При анализе судовых систем применяется водомер Вентури, который представляет собой короткий отрезок трубы с сужением посредине. В широкой части и горловине устанавливаются пьезометры или дифференциальный манометр. По данным рисунка определить действительный расход водомера

Ответ:

Задача 11

Карбюратор судовых поршневых двигателей внутреннего сгорания служит для осуществления подачи бензина и смешения его с потоком воздуха. Поток воздуха, засасываемый в двигатель, сужается там, где установлен распылитель бензина. Скорость воздуха в этом сечении возрастает, а давление по уравнению Бернулли падает. Найти соотношение между весовым расходом бензина G_б и воздуха G_в при заданных размерах D и d и коэффициентах сопротивления воздушного канала (до сечения 2-2) x_в и жиклера xж .

Ответ: .

Задача 12

Трубка Пито в судовых системах применяется для измерения скорости воды и газа. Определить скорость потока в данных условиях чертежа.

Ответ: .

Задача 13

Определить режим движения жидкости в судовом канале прямоугольной формы высотой 0,2 м и шириной 0,5 м при уровне воды 0,15 м и скорости = 1,2 м/c.

Ответ: Re = 450000.

Так как Re > Re_кр = 580, то режим движения потока будет турбулентным.

Задача 14

Определить режим движения и потери напора по длине судового трубопровода, если длина судового трубопровода 100 м, диаметр d = 100 мм, Q = 10 л/c, _ж = 0,726 см²/с.

Ответ: Re = 1750.

Так как число Рейнольдса меньше 2320, то режим движения ламинарный.

Потери напора h_v = 3 м.

Задача 15

Определить потери давления при внезапном расширении судовых трубопроводов, применяемых в качестве нагревательных приборов системы судового отопления. Стояк, подводящий нагретую воду, и соединительные судовые трубы выполнены диаметром d = 0,025 м и приварены к торцу труб d₁ =100мм. Скорость воды в подводящих трубах =0,3 м/с, а температура воды t=80⁰С.

Ответ: ΔР = 41,8 Па.

Задача 16

Вода попадает в трюм из малой пробоины в вертикальном корпусе судна при постоянном напоре Н. Высота положения отверстия над дном трюма = 1,0 м и достигает поверхности дна трюма на расстоянии = 1,2 м. Диаметр отверстия d = 50 мм, j = 0,97. Определить скорость затопления трюма.

Ответ: м³/с.

Задача 17

Давление жидкости в первом трюме р₁ = 2×10⁵ Па, а во втором трюме р₂ = 1,7×10⁵ Па, m = 0,62. Определить скорость затопления второго трюма относительно первого, если диаметр пробоины в вертикальной переборке d = 0,2 мм, высота Н₁ = 7м, Н₂ = 6 м.

Ответ:

Задача 18

Определить скорость затопления трюма забортной водой и её скорость через круглую пробоину диаметром d = 0,2 м, если Н = 4 м, m = 0,62, j = 0,97. Скоростным напором пренебречь.

Ответ: м/с. м³/с.

Задача 19

Определить расход и скорость истечения воды из круглого отверстия диаметром d = 0,01 м в боковой стенке судового накопителя пресной воды. Напор воды над центром отверстия Н = 1 м, температура воды t = 20 °С (n = 10^-6 м²/с).

Ответ: м/с.

Расход воды м³/с.

Задача 20

Определить диаметры: в начале и в конце судового водовыпуска, имеющего форму конически расходящегося насадка, работающего в затопленном режиме, если Q = 0,5 м³/с,: m = 0,5, z = 0,25 м, длина насадка = 4 м.

Ответ: м.

Задача 21

В судовом трубопроводе по стальной трубе диаметром d=500 мм и толщиной стенок d=10 мм подается вода со скоростью 2,5 м/с. Пьезометрический напор перед открытой задвижкой равен 4 Ом. Определить повышение давление при быстром закрытии задвижки и полный напор H.

Ответ: повышение давления равно:

МПа

напор равен: м.

Задача 22

Определить расход в напорном судовом трубопроводе гидротарана, если рабочий расход Q = 30л/с, напор Н = 3м, высота подачи h = 21 м, КПД = 0,6.

Ответ: расход равен: л/с.

перелив через клапан равен:

л/с.

Задача 23

Для получения технической воды в морском порту применяется земляная плотина. Определить точку высачивания Z и фильтрационный расход через однородную земляную плотину Н = 27 м; b = 14,5 м; т₁ = 3 м; т₂=2,5 м, если = 25 м, = 4 м. Коэффициент фильтрации плотины =0,0002 м/с. Плотина построена на водонепроницаемом основании.

Ответ: точка высачивания =5,3м;

фильтрационный расход через плотину равен:

Задача 24

В районе морского порта фильтрационный поток движется равномерно на глубине =3,5м. Уклон дна подстилающего слоя i=0,0015, а коэффициент фильтрации k=0,008м/с. Определить расход воды на одном метре фильтрующего потока.

Ответ: расход воды на одном метре фильтрующего потока:

Задача 25

Определить коэффициент фильтрации грунта в районе морского порта при равномерном движении грунтового потока, при уклоне подстилающего водонепроницаемого слоя i=0,05, удельном расходе =0,025×10^-3 м³/с и глубине потока h= 3 м.

Ответ: коэффициента фильтрации равен:

Задача 26

Определить коэффициент фильтрации , если в районе морского порта в полевых условиях были получены следующие данные:

1) время появления воды в шурфе 2 от начала исследования составило 45 часов;

2) разность отметок в рабочем шурфе 1 и наблюдаемом шурфе 2 Н=4 м;

3) расстояние между стенками наблюдаемого и рабочего шурфа L=5м;

4) пористость грунта т=0,45

Ответ: коэффициента фильтрации равен:

Задача 27

Земснаряд вынимает 500 м³ грунта в час. Объем пульпы (грунт, смешанный с водой) в 10 раз больше объема грунта. Какова скорость движения пульпы в трубе диаметром 0,6 м?

Ответ: 4,9 м/с.

Задача 28

Определить диаметр сливного отверстия судового цилиндрического танка, чтобы из него вытекало 77000 кг/час лёгкой нефти плотностью 865 кг/м³. Напор Н нефти постоянен и равен 12 метров.

Ответ: 50 мм

Задача 29

Батискаф всплывает с постоянной скоростью v в море. Плотность морской воды, в момент всплытия, в 4 раза больше плотности материала батискафа. Во сколько раз сила трения F_Tp, действующая на всплывающий батискаф, больше силы тяжести mg, действующей на этот батискаф?

Ответ: в 3 раза

Задача 30

В районе морского порта в водопроводной трубе образовалось отверстие сечением 4 мм², из второго бьет вертикально вверх струя воды, поднимаясь на высоту 80 см. Какова утечка воды за сутки?

Ответ: 1380 л.

Литература

М.Я. Кордон, В.И. Симакин, И.Д. Горешник. Гидравлика. Пенза: 2005. – С.188