ČVUT v Praze, fakulta stavební katedra hydrauliky a hydrologie (K141) Přednáškové slidy předmětu 1141 HYA (Hydraulika) verze: 09/2008 K141 FSv ČVUT Tato webová stránka nabízí k nahlédnutí/stažení řadu pdf souborů složených z přednáškových slidů předmětu 1141HYA (Hydraulika) vyučovaného na fakultě stavební ČVUT v Praze studentům bakalářského směru Stavební inženýrství. Nabízené slidy jsou dílem kolektivu autorů, zaměstnanců katedry hydrauliky a hydrologie (K141) FSv ČVUT v Praze. Soubor slidů je základní učební pomůckou předmětu 1141HYA a je volně přístupný pro učební potřeby studentů předmětu. Jiné použití slidů nebo jejich částí bez přesné citace online zdroje (nejlépe dle ČSN ISO 690-2) považuje autorský kolektiv za plagiátorství. K141 HYA Copyright
Úvod
FYZIKA MECHANIKA MECH. TEKUTIN HYDRAULIKA HYDROSTATIKA HYDRODYNAMIKA mechanika tekutin - technické úlohy rovnováhy a pohybu tekutin, vzájemný účinek tekutin a tuhých těles Stavebnictví a vodohospodářské aplikace - především VODA Hydraulika řeší za jakých vnějších podmínek, s jakými ztrátami (odpory), při jakém průtoku, při jaké hladině a tlaku, jakou formou, s jakým silovým účinkem proteče voda potrubím, trubní soustavou, korytem toku, objektem, vodním dílem nebo zemním prostředím. K141 HYA Úvod 2
TEKUTINA téměř nevzdoruje tečným (smykovým) napětím TEKUTINY KAPALINY VZDUŠINY (PLYNY, PÁRY) KAPALINA vyplňuje spojitě otevřenou nádobu, nemění samovolně svůj objem, na rozdíl od vzdušin: mění jen nepatrně svůj objem se změnami tlaku a teploty, vytváří volnou hladinu, ohraničené paprsky, blány a kapky K141 HYA Úvod 3
VNITŘNÍ molekulární elektromagnetické jevy, tepelný pohyb molekul V běžných případech se v hydraulice při řešení neuvažují, neboť hmotnému elementu lze přisoudit rozměr o několik řádu větší než je rozměr molekuly vody 10-6 mm. Výjimkou jsou jevy spojené s povrchovým napětím a kapilaritou VNĚJŠÍ projev silového pole SÍLY V KAPALINĚ POVRCHOVÉ - např. přetlakem plynů na hladinu, pístem ve válci s kapalinou OBJEMOVÉ, HMOTNOSTNÍ např. síla tíže, síla setrvačná SILOVÉ POLE NAPĚTÍ V KAPALINĚ DEFORMACE, POHYB, PROUDĚNÍ K141 HYA Úvod 4
STANDARDY V HYDRAULICE Gravitační zrychlení g = 9,80665 m s -2 9,81m s -2 Kinematická viskozita vody pro T = 12 C ν = 1,24 10 6 m 2 s -1 Měrná hmotnost vody -3 ρ 1000 kg m Atmosférický tlak = tlak na volnou hladinu p p a a = 1,013.10 10 5 Pa 5 Pa Pa = N m -2 = kg m s 2 m 2 = kg m 1 s 2 K141 HYA Úvod 5
VLASTNOSTI KAPALIN - VODY 1. Měrná hmotnost 2. Objemová roztažnost 3. Objemová stlačitelnost 4. Povrchové napětí kapilarita 5. Vazkost 6. Tokové charakteristiky kapaliny Rozpouštění látek (solí, škodlivin), suspenze, emulze, disperze, unášení splavenin (splaveninový režim vodního toku), provzdušení vodního proudu, chemické a biologické procesy (vodní toky, ČOV), Model ideální kapaliny: nevazká, objemově stálá, homogenní matematické řešení Reálná kapalina: (voda) vazká odpory experimenty součinitele K141 HYA Úvod 6
MĚRNÁ HMOTNOST dm ρ = =... = dv m ρ = V -3 [ kg m ] Δm ΔV OBJEMOVÁ ROZTAŽNOST -změna objemu vody s teplotou V = V(T ) ΔV 1 -součinitel tepelné roztažnosti β = K V0ΔT β konst β = β(t ) fyzikální tabulky (voda 18 C β= 1,8.10-4 99 C 7,2.10-4 [ K]) -počáteční objem V 0 se vztahuje zpravidla k teplotě T 0 = 0 C = 273 K - objem se vyčíslí V=V 0 +ΔV= V 0 (1+ βδt) - vztah mezi objemy V 1 a V 2 při teplotách T 1 a T V 2 2 1+β2ΔT = 2 V 1+β ΔT 1 1 1 K141 HYA Úvod 7
OBJEMOVÁ STLAČITELNOST dv V = 1 K dp ΔV - = V Δp K K = ρ C rychlost šíření tlakového rozruchu (zvuku) pro čistou vodu C=a o = 1435 ms -1 modul objem. pružnosti vody K 2.10 9 [Pa] (voda 10x stlačitelnější než beton, 100x než stavební ocel) běžně se voda uvažuje jako nestlačitelná (výjimka: hydraulický ráz stlačitelnost vody) K141 HYA Úvod 8
POVRCHOVÉ NAPĚTÍ σ hladina kapaliny či rozhraní 2 kapalin napjatost hladiny (povrchu) kapilární tlak p k df... elementární kohezní síla df σ = [N m 1 ] (koheze = působení přitažlivých sil mezi dl molekulami látek soudržnost látek), dl... element oblouku hranice kapaliny σ = f(druh kapaliny, plynu, T ) pro vodu 20 C na styku se vzduchem σ = 0,0755 Nm -1 hladinové blány, kapky, bubliny, (a) povrchové napětí + adheze (přitažlivé síly mezi povrchovými molekulami vzájemná přilnavost různých látek): kapilární elevace a vydutý meniskus u lpících kapalin (b) kapilární deprese a vypuklý meniskus u nelpící kapalin (c) význam u úzkých trubic (a) (např. půdní kapiláry) a úzkých štěrbin (d) (trhlinách ve zdivu nebo těsnění spár) K141 HYA Úvod 9
(a) kulový tvar v beztížném stavu kapka vody na skle padající kapka vody kulové vzduchové bubliny σ σ σ čočka mastnoty na hladině pro > + (např. ropná skvrna) 12 13 23 hladinová vrstva (b) voda sklo (podzemní voda - půdní kapilára); čistá voda ϕ 0 meniskus je polokoule 5 4σ cosϕ 3.10 e k = [m] ρgd D (c) rtuť - sklo (d) sací efekt zužující se štěrbiny (trhliny) K141 HYA Úvod 10
VAZKOST -vnitřní tření, odpor proti pohybu Newtonův zákon viskozity F du τ = = (-) μ [Pa] S dy du... gradient rychlosti dy dynamická viskozita kinematická viskozita ν [m 2 s -1 ] 1.79E-06 1.57E-06 1.24E-06 1.01E-06 [ Pas] μ μ ν = ρ ν = ν( T ) [ 1 m 2 s ] 5.20E-07 3.70E-07 2.90E-07 0 20 40 60 80 100 T[ C] K141 HYA Úvod 11
TOKOVÉ KŘIVKY - REOGRAMY NEWTONSKÉ KAPALINY NENEWTONSKÉ KAPALINY (neplatí Newtonův zákon viskozity) Ř: polymery, latexy, lepidla, barvy, H: rozpouštědla, škroby, malty, betony, s mezí toku: čokoláda, pasty (např. zubní), vrtné a odpadní kaly,... K141 HYA Úvod 12