Зачет по контрольной работе является обязательным для допуска к экзамену по учебной дисциплине.

ЗАДАНИЯ ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ.

Таблица 1.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ.

1. Основные физические свойства жидкости. Поясните смысл коэффициентов объемного сжатия и температурного расширения. Приведите их размерность.

2. В чем отличие капельных жидкостей от твердых тел и газов? Какова взаимосвязь между плотностью и удельным весом жидкости и каковы их размерности?

3. Объясните силы, действующие в покоящейся жидкости. Что такое гидростатическое давление и каковы его свойства?

4. Основное уравнение гидростатики. Пьезометрический и гидростатический напоры. Вакуум.

5. Давление жидкости на плоские стенки (эпюры гидростатического давления, явление гидростатического парадокса). Простейшие гидравлические машины.

6. Основные понятия гидродинамики и виды движения жидкости (виды потоков, характеристики потоков).

7. Чем установившееся движение отличается от неустановившегося, установившееся равномерное от неравномерного, напорное от безнапорного? Понятие гидравлического радиуса.

8. Уравнение неразрывности потока. Ламинарный и турбулентный режимы движения жидкости.

9. Уравнение Бернулли. Практическое применение уравнения Бернулли.

10. Что вызывает потери напора в потоках реальной жидкости? Какие виды потерь вам известны и как они рассчитываются?

11. Объясните понятия «гладкие» и «шероховатые» трубы. Может ли одна и та же труба быть «гидравлически гладкой» и «гидравлически шероховатой» и в каких случаях? Какими двумя безразмерными параметрами определяется коэффициент гидравлического трения? Как он рассчитывается в области «гладких» и «шероховатых труб»?

12. Каковы причины возникновения гидравлического удара? Как рассчитать величину давления в трубопроводе при этом явлении? Приведите примеры возникновения гидравлического удара при эксплуатации пожарной техники. Как можно уменьшить или предотвратить повышение давления?

13. Истечение жидкости из круглого отверстия в тонкой стенке. Как связаны между собой коэффициенты сопротивления, сжатия, скорости и расхода?

14. Истечение жидкости из насадков (типы насадков, насадки для пожарных стволов, успокоители).

15. В каком случае сжатие струи называется неполным, несовершенным? Почему пропускная способность насадка больше пропускной способности отверстия, равного с ним сечения? Объясните причину образования вакуума при истечении жидкости через цилиндрический насадок.

16. Гидравлические струи и их расчет (расчет сплошных струй; вертикальные и наклонные струи; реакция струи).

17. Способы получения распыленных струй.

18. Дайте классификацию насосов по принципу действия. Классификация, устройство и принцип действия центробежных насосов.

19. Основные рабочие параметры насосов. Характеристики насосов. Работа насосов на сеть.

20. Как изменяются подача, напор и мощность при изменении частоты вращения колеса насоса? Чем определяется допустимая вакуумметрическая высота всасывания? Объясните сущность процесса кавитации в насосах и укажите, какие способы борьбы с кавитацией вам известны.

21. Как определяется рабочая точка насоса, в каком случае она является оптимальной?

22. Расчет насосно-рукавных систем.

23. Перекачка воды автонасосами.

24. Параллельная работа насосов на лафетные стволы.

25. Методика определения напора пожарного насоса для подачи требуемого расхода воды по заданной рукавной схеме.

26. Как определяется количество автонасосов, необходимое для подачи воды и расстояние между ними?

27. Классификация систем водоснабжения. Схемы водоснабжения населенных пунктов и промышленных предприятий.

28. Нормы водопотребления на хозяйственно-питьевые, производственные и сельскохозяйственные нужды.

29. Нормы расхода воды для пожаротушения.

30. Режим водопотребления. Свободные напоры в системах водоснабжения.

31. Источники водоснабжения. Сооружения для забора подземных вод. Что называется статическим, динамическим уровнем, дебитом колодца?

32. Источники водоснабжения. Сооружения для забора воды из поверхностных источников.

33. Противопожарные требования к водозаборным сооружениям.

34. Регулирующие и запасные емкости. Резервуары чистой воды.

35. Водонапорные башни и гидроколонны. Определение высоты.

36. Насосные станции.

37. Наружная водопроводная сеть. Устройство водоводов и водопроводной сети. Противопожарные требования к наружной водопроводной сети.

38. Арматура водопроводной сети. Особенности устройства водопроводной сети в районах вечной мерзлоты и в сейсмических районах.

39. Назначение, классификация и основные элементы внутреннего водопровода. Схемы внутренних водопроводов.

40. Противопожарные требования к устройству внутренних водопроводов (вводы, водомерные узлы, насосные установки, водонапорные баки). Размещение пожарных кранов.

41. Особенности устройства внутреннего противопожарного водопровода в зданиях повышенной этажности и в зданиях с массовым пребыванием людей.

42. Безводопроводное противопожарное водоснабжение (водоемы-копани, водоемы-резервуары, водохранилища-пруды).

43. Безводопроводное противопожарное водоснабжение (противопожарные требования, эксплуатация водоемов, водозаборные устройства).

ЗАДАЧИ

1. При гидравлическом испытании технологического трубопровода длиной 200 м и диаметром 250 мм, заполненного керосином, давление было поднято до 1, 5 Мпа, через 1 час давление упало до 1 Мпа. Определить объем вытекшего через неплотность керосина. Коэффициент объемного сжатия керосина β _v = 80 х 10^-11 1/Па. Деформацией трубопровода пренебречь.

2. Манометр на технологической емкости, полностью заполненной нефтью, показывает 0, 5 Мпа. При выпуске 40 л нефти показания манометра упали до 0, 1 Мпа. Определить объем емкости, если коэффициент объемного сжатия нефти β _v = 80 х 10^-11 1/Па.

3. В вертикальном цилиндрическом резервуаре диаметром 5 м находится 1, 2 х 10⁵ кг нефти, плотность которой при 0^оС составляет 800 кг/м³. Определить колебания уровня нефти в резервуаре при изменении температуры от 0^о до 30^оС. Коэффициент температурного расширения принять равным β _t = 9, 2 х 10^-4 1/К.

4. Определить колебания уровня воды в баке водонапорной башни при изменении температуры от 10^о до 35^оС. В водонапорном баке диаметром 3 м находится 20 м³ воды. Коэффициент температурного расширения принять равным β _t = 2 х 10^-4 1/К.

5. Предельная высота уровня бензола в вертикальном цилиндрическом резервуаре диаметром 12 м равна 10 м при температуре 10^оС. Определить, до какого уровня возможно налить бензол при температуре 30^оС. Расширением резервуара пренебречь. Коэффициент температурного расширения принять равным β _t = 10, 6 х10^-4 1/К.

6. Определить абсолютное и избыточное давление на дно пожарного водоема глубиной 3, 5 м. Атмосферное давление 735 мм рт. ст.

7. Определить абсолютное и избыточное давление на дно водонапорного бака диаметром 3 м, в котором находится 15 м³ воды. Атмосферное давление 750 мм рт. ст.

8. Определить абсолютное и избыточное давление в резервуаре по показанию ртутного манометра (рис.1), в правом колене которого над ртутью находится столб масла высотой h_м = 15 см с плотностью 850 кг/м³. Высота столба ртути h_р = 40 см. Атмосферное давление 730 мм рт. ст.

Рис. 1. Ртутный манометр

9. Определить абсолютное и вакуумметрическое давление во всасывающей линии ацетиленового компрессора по показанию ртутного вакуумметра (рис.2). Ртуть в левом колене поднялась на высоту h_р = 50 см, над ртутью налито масло плотность 800 кг/м³. Высота столба масла h_м = 20 см. Атмосферное давление 750 мм рт.ст.

Рис. 2. Ртутный вакуумметр

10. Определить силу избыточного гидростатического давления на вертикальную стенку водонапорного. В баке, размеры которого в плане составляют 4 х 5 м, находится 35 м³ воды. Построить эпюру избыточного гидростатического давления на эту стенку.

11. Определить силу избыточного гидростатического давления на заслонку размерами а = 15 см, b = 20 см (рис.3), закрывающую отверстие в стенке резервуара с бензином плотностью 700 кг/м³. Высота слоя бензина до начала заслонки 7 м. Построить эпюру избыточного гидростатического давления.

Рис. 3. Заслонка

12. Определить расход воды по пожарному рукаву диаметром 66 мм, если средняя скорость течения составляет 2, 1 м/с.

13. Определить расход воды через насадок пожарного ствола диаметром 16 мм, если средняя скорость на срезе насадка составляет 25 м/с.

14.Определить среднюю скорость выхода воды из насадка пожарного ствола диаметром 22 мм, если расход воды составляет 10 л/с.

15. Определить расход и среднюю скорость выхода воды из насадка пожарного ствола диаметром 13 мм, если скорость движения воды по рукаву диаметром 51 мм составляет 2, 2 м/с.

16. Определить минимальный диаметр трубы для участка наружной сети пожарного водопровода, если расход по нему составляет 35 л/с. Скорость движения воды по участку не должна превышать 2 м/с.

17. Определить необходимый диаметр трубы для участка наружной сети объединенного водопровода, чтобы при подаче 28 л/с скорость движения воды по участку не превышала 0, 9 м/с.

18. Определить расход воды, проходящий по пожарному рукаву диаметром 66 мм, при числе Рейнольдса 76540 и время наполнения пожарного водоема объемом 50 м³. Коэффициент кинематической вязкости воды принять равным ν = 1, 306 х 10^-6 м²/с.

19. Определить режим движения нефти по нефтепроводу диаметром 100 мм при расходе 12 л/с, Коэффициент кинематической вязкости нефти принять равным ν = 0, 42 х 10^-4 м²/с.

20. Определить режим движения воды в пожарном рукаве диаметром 51 мм. Расход воды составляет 4 л/с. Коэффициент кинематической вязкости принять равным ν = 1, 306 х 10^-6 м²/с.

21 – 26. По данным табл.2 определить напор Н₆ в конце стального трубопровода (рис. 4 сечение 6-6), по которому движется вода с расходом Q л/с. Построить пьезометрическую напорную линию. Участок 2-3 – постепенное сужение, ζ = 0, 3. Участок 4-5 – вентиль, ζ = 7. Диаметры d₂ = d₃.

Таблица 2.

Рис. 4. Трубопровод

27. Определить вакуумметрическое давление, которое должен создать центробежный насос во всасывающей трубе диаметром 100 мм, при расходе 20 л/с. Возвышение насоса над поверхностью воды составляет 5 м, потери напора во всасывающей линии 0, 85 м. (рис.5).

28. Определить, с какой максимальной высоты может забрать воду центробежный насос пожарного автомобиля, если подача насоса 35 л/с, диаметр всасывающего рукава 150 мм, потери напора во всасывающем рукаве 1, 3 м. Вакуумметрическое давление во всасывающем патрубке 8 х 10⁴ Па (рис.5).

29. Определить скорость движения воды во всасывающем рукаве при расположении оси насоса над уровнем воды в водоисточнике 5, 47 м. Насос забирает воду в количестве 30 л/с, диаметр всасывающего рукава 150 мм, вакуумметрическое давление, создаваемое во всасывающем патрубке, составляет 6, 5 х 10⁴ Па, потери напора во всасывающей линии 1 м (рис.5).

Рис. 5. Насос

30 – 35. По данным табл. 3 и 4 определить требуемый напор на насосе по расчетному расходу воды на тушение пожара (пожарные струи рабочие, R_к = 17 м); сделать вывод о работоспособности данной системы; начертить схему подачи воды.

Таблица 3.

Таблица 4.

36 – 41. По данным табл. 4 определить предельную длину магистральной рукавной лини по расчетному расходу воды на тушение пожара и напору насоса (пожарные струи рабочие, R_к = 17 м); начертить схему подачи воды.

42. Определить количество пожарных автонасосов АНР–40(130)127А (с учетом головного автомобиля) при подаче воды к месту пожара по одной рукавной линии диаметром 66 мм (рукава прорезиненные) на расстояние 2600 м, если на пожаре работают три ствола с диаметрами насадков 13, 19 и 13 мм. Начертить схему перекачки.

43. Определить количество пожарных насосов (с учетом головного автомобиля) при подаче воды к месту пожара по двум параллельным прорезиненным рукавным линиям диаметром 77 мм на расстояние 1800 м. Расход воды на тушение пожара составляет 14 л/с. Начертить схему перекачки.

44. Определить требуемый напор на насосе при подаче воды к лафетному стволу с диаметром насадка 38 мм по двум параллельным прорезиненным рукавным линиям длиной 160 м и диаметром 77 мм для получения рабочей струи длиной 32 м от АЦ-40(131)137; сделать вывод о работоспособности данной системы; начертить схему подачи воды.

45 – 47. По данным табл. 5 определить расчетный расход воды на случай пожара объединенного водопровода промышленного предприятия, если максимальный хозяйственно-питьевой расход составляет Q_max л/с, а производственный Q_пр л/с.

Предприятие занимает территорию 20 га. Характеристики наиболее пожароопасного здания табл. 5.

Таблица 5.

48 – 50. По данным табл. 6 определить неприкосновенный пожарный запас воды в резервуаре, обеспечивающем работу объединенного водопровода промышленного предприятия площадью S га. Максимальный хозяйственно-питьевой расход составляет Q_х-п л/с, производственный Q_пр л/с.

Характеристики наиболее пожароопасного здания табл. 6.

Таблица 6.

51 – 53. По данным табл. 7 определить, на какой высоте следует расположить водонапорный бак, обеспечивающий работу пожарного водопровода промышленного предприятия. Наружная водопроводная сеть длиной L м проложена из чугунных труб. Потери напора на один метр наружной сети составляют h_l м, общие потери напора во внутренней сети составляют h_вн м. Внутренние пожарные краны, расположенные на высоте z м, оборудованы прорезиненными рукавами длиной 20 м и диаметром 51 мм и стволами с насадками диаметром 16 мм. Расход воды на одну струю Q л/с. Местность ровная.

Таблица 7.

Методические указания по выполнению контрольной работы

При выполнении контрольной работы слушатель должен ответить на 9 теоретических вопросов и решить 9 задач. Ответы на теоретические вопросы должны быть конкретными. Основной материал необходимо подкреплять рисунками, графиками, схемами. При решении задач, где возникает необходимость перевода ранее применявшихся единиц измерения давления в СИ, необходимо пользоваться соотношениями:

1 ат = 1 кг/см² = 10 м вод. ст. = 980665 Па = 98, 1 кПа

1 мм рт. ст. = 133, 3 Па

Решение задач 1 – 11.

Для решения данных задач слушателю необходимы знания по основам гидростатики.

В гидростатике изучаются основные физические свойства жидкости; гидростатическое давление и его свойства.

Основными физическими свойствами жидкости являются:

Плотность r = m/V (1)

Сжимаемость. Характеризуется коэффициентом объемного сжатия, выражающим относительное изменение объема жидкости при увеличении давления на единицу измерения.

b_v = _DV/ _DP × V₁ (2)

Температурное расширение. Характеризуется коэффициентом температурного расширения, который определяет относительное изменение объема жидкости при изменении ее температуры.

b_t = _DV/_Dt × V₁ (3)

Различают следующие виды давления: атмосферное (барометрическое), абсолютное (полное), избыточное (манометрическое), вакуумметрическое.

Атмосферное давление Р_ат зависит от высоты места над уровнем моря. За нормальное атмосферное давление принимают давление, создаваемое столбом ртути высотой 760 мм рт.ст., что соответствует приблизительно 10 м вод.ст., или 0, 1 Мпа.

Абсолютное гидростатическое давление Р_абс определяется по основному уравнению гидростатики

Р_абс = Р_ат + rgh, (4)

и состоит из внешнего давления на свободную поверхность (Р_ат) и избыточного давления, которое создает слой жидкости высотой h (Р_изб = pgh).

Если абсолютное давление в жидкости меньше атмосферного, то говорят, что имеет место разряжение, или вакуум, который выражает разность между значением атмосферного и абсолютного давления.

Р_в = Р_ат – Р_абс. (5)

Эпюры давления дают графическое изображение закона распределения гидростатического давления в жидкости. При построении эпюр учитывают, что давление нормально к стенке. На рис. 6 показаны эпюры избыточного и абсолютного давления, действующего на вертикальную и наклонную плоские стенки. Для их построения достаточно отложить в выбранном масштабе по нормали к стенке величины гидростатического давления на поверхности жидкости и у дна, соединив их прямой линией.

Рис. 6. Эпюры избыточного и абсолютного гидростатического давления; а – на вертикальную стенку; в – на наклонную стенку.

Из рисунка следует, что эпюра избыточного давления на плоскую стенку изображается в виде треугольника. Эпюра абсолютного гидростатического давления в виде трапеции.

Эпюра гидростатического давления на горизонтальное дно резервуара представляет собой прямоугольник.

Для определения силы гидростатического давления необходимо площадь эпюры умножить на ширину стенки.

Сила избыточного давления на плоское дно сосуда определяется выражением: Р = pghw, где w – площадь дна сосуда.

Пример решения и оформления задачи.

Задача. Определить абсолютное и избыточное давление на дно пожарного водоема глубиной 4 м. Атмосферное давление 730 мм рт.ст.

Задача №___

Дано: Решение:

h = 4 м 1. Найдем значение избыточного давления

Р_ат = 730 мм рт.ст. = 97309 Па__ Р_изб = rgh = 1000 × 9, 8 × 4 = 39200 Па

2. По основному уравнению гидростатики оп-

Р_абс -? Р_изб -? ределим величину абсолютного давления:

Р_абс = Р_ат + rgh = 97309 + 39200 = 13650 Па

r - плотность воды

r = 1000 кг/м³

Ответ: избыточное давление 39200 Па; абсолютное давление 13650 Па.

Решение задач 12 –20.

Для решения данных задач слушателю необходимы знания по основам гидродинамики.

В гидродинамике изучаются виды и формы движения жидкости, а также силы, которые вызывают ее движение.

При равномерном установившемся движении жидкости расход Q для всех живых сечений потока одинаков. Следовательно,

Q₁ = Q₂ = const. (6)

Это уравнение называют уравнением постоянства расхода. Так как Q = vw, то данное уравнение можно записать в виде:

v₁w₁ = v₂w₂ = const, (7)

где v – средняя скорость потока, м/с;

w - площадь живого сечения, м².

Уравнение (2) называют уравнением неразрывности потока.

Критерием режима движения жидкости является безразмерный параметр.

Этот критерий называется числом Рейнольдса (Re)

Re = vd/n, (8)

где v – средняя скорость потока м/с;

d – диаметр трубы, м²;

n - коэффициент кинематической вязкости, м²/с.

При Re < 2320 будет иметь место ламинарный режим движения жидкости, а при Re > 2330 – турбулентный режим.

Пример решения и оформления задачи.

Задача. При испытании на водоотдачу объемным способом внутреннего пожарного крана диаметром 50 мм в мерном баке за 1 минуту оказалось 170 л воды. Определить расход воды и скорость движения воды, проходящей по пожарному крану.

Задача № ____

Дано: Решение:

Пожарный кран 1. Найдем значение расхода из его определения:

d_кр = 50 мм = 0, 05 м. Q = V/t = 170/60 = 2, 83 л/с.

V_б = 170 л 2. Из уравнения неразрывности потока выразим

t = 1 мин. = 60 с _____ скорость движения воды и определим ее

значение

Q -?, v -? V = Q/w, где w = pd²/4. Тогда

V = 4Q/pd² = 4 × 2, 83 × 10^-3/ 3, 14 × 0, 05² =

= 1, 44 м/с.

Ответ: расход воды из пожарного крана 2, 83 л/с; скорость движения воды 1, 44 м/с.

Решение задач 21 – 29.

Уравнение Бернулли является одним из основных уравнений гидродинамики, физический смысл которого заключается в том, что оно выражает закон сохранения энергии и определяет зависимость между положением, давлением и скоростью движения жидкости.

Для потока реальной жидкости уравнение Бернулли имеет вид:

z₁ + P₁/rg + v²₁/2g = z₂ + P₂/rg + v²₂/2g +h_1-2, (9)

где r - плотность жидкости;

g – ускорение свободного падения;

z – геометрический напор (удельная потенциальная энергия положения);

P/rg – пьезометрический напор (удельная потенциальная энергия давления);

v²/2g – скоростной напор (удельная кинетическая энергия);

h_1-2 - потери напора на преодоление гидравлических сопротивлений между сечениями I-I и II-II.

Все члены уравнения (9) имеют размерность длины и поэтому его можно изобразить графически (рис.7).

Рис. 6. Графическое изображение уравнения Бернулли.

Потери напора на преодоление гидравлических сопротивлений определяются как сумма всех потерь напора по длине отдельных последовательных участков трубопровода (h_l) и всех местных потерь напора (h_м):

h = å h_l + å h_м (10)

Потери напора по длине трубопровода (h_l) при равномерном установившемся движении жидкости могут быть определены по формуле Дарси-Вейсбаха:

h_l = l × l/d × v²/2g (11)

где l - коэффициент гидравлического трения;

l – длина трубопровода, м;

d – диаметр трубы, м.

При установившемся равномерном движении жидкости в трубах, пожарных рукавах коэффициент гидравлического трения в большинстве случаев не зависит от числа Рейнольдса. В этих случаях линейные потери напора можно определить как:

h_l = AlQ² (12)

где A – удельное сопротивление (потери напора на 1 м длины).

Учитывая, что Al = S формулу (12) можно записать

h_l = SQ² (13)

где S – сопротивление участка длиной l.

Значения удельных сопротивлений (А) для чугунных и стальных труб приведены в приложении 1.

Потери напора в пожарных рукавах h_р удобнее определять через сопротивление одного стандартного пожарного рукава:

h_р = nS_рQ² (14)

где n – количество рукавов в линии;

S_р – сопротивление одного стандартного рукава длиной 20 м (значения S_р приведены в приложении 2).

Местные потери напора можно определить по формуле Вейсбаха:

h_м = z × v²/2g (15)

где z - коэффициент местного сопротивления.

В некоторых случаях потери напора на местные сопротивления (h_м) определяют как

h_м = S_aQ² (16)

где S_a - сопротивление арматуры (пожарного гидранта, колонки и т.п.).

Отношение потерь напора (h_1-2) на участке I – II к длине этого участка (l_1-2), измеренного по оси потока, называется гидравлическим уклоном:

i = h_1-2 / l_1-2 (17)

При решении задач 21 – 26 для определения напора в конце трубопровода необходимо составить уравнение Бернулли для начального (сечение 1-1) и конечного (сечение 6-6) сечений трубопровода. Линейные потери напора на участках

1-2, 3-4, 5-6, определяются по формуле (12). Местные потери напора на участках

2-3, 4-5, определяются по формуле (15). Скорость определяется после деформации потока. Скорости v₁ = v₂, v₃ = v₄ = v₅ = v₆. Для удобства построения пьезометрической линии найденные значения пьезометрических напоров в сечениях рекомендуется свести в таблицу:

Таблица.

Найденные значения пьезометрических напоров следует отложить в сечениях 1-1, 2-2 и т.д. от оси трубы вверх в определенном масштабе, соединив их прямой линией, которая называется пьезометрической напорной линией, показывающей изменение напора по длине трубопровода. Выбранный масштаб следует указать в контрольной работе.

Решение задач 27 –29 рекомендуется проводить в следующей последовательности:

1. Необходимо выбрать два сечения, которые будут соединяться уравнением Бернулли, для которого известно возможно большее число гидродинамических параметров, а также сечение, для которого требуется определить искомый гидродинамический параметр.

2. Выбрать горизонтальную плоскость сравнения таким образом, чтобы z₁ или z₂, входящие в уравнение Бернулли, обратились в нуль.

3. Записать уравнение Бернулли для выбранных сечений и установить значение величин, входящих в уравнение.

4. Подставить найденные значения слагаемых в уравнение Бернулли и определить искомую величину.