Лекция 1. ВВЕДЕНИЕ. СВОЙСТВА ЖИДКОСТИ





Учебные вопросы лекции

1. Краткая история развития дисциплины «Механика жидкости и газа».

2. Сплошная среда как модель жидкости.

3. Жидкость и силы, действующие на нее. Основные физические свойства жидкостей и газов. «Идеальная жидкость».

1. Краткая история развития дисциплины «Механика жидкости и газа»

Механика жидкости и газа (МЖГ) — наука, изучающая закономерности покоя и движения жидкостей и газов.

Гидравлика — наука, изучающая законы покоя и движения жидкостей и разрабатывающая методы применения этих законов в практической деятельности.

Понятие «гидравлика» произошло от сочетания греческих слов «хюдор» (вода) и «аулос» (труба), что означало вначале учение о движении воды по трубам.

Решение различных технических проблем, связанных с вопросами движения жидкостей в открытых и закрытых руслах, а также с вопросами силового воздействия жидкости на стенки сосудов или обтекаемые жидкостью твердые тела привело к созданию обширной науки называемой гидромеханикой, которая делится на два раздела: техническая гидромеханика и теоретическая механика жидкости и газа (рис.1).

 

Рис. 1. Разделы гидромеханики

 

Исторически дисциплины «Механика жидкости и газа» и «Гидравлика» являются одними из самых древних наук в мире. Археологические исследования показывают, что еще за 5000 лет до нашей эры в Китае, а затем в других странах древнего мира найдены описания устройства различных гидравлических сооружений. Никаких расчетов этих сооружений не производилось, и все они были построены на основании практических навыков и правил.

Первые указания о научном подходе к решению гидравлических задач относятся к 250 году до н.э., когда Архимедом (287—212 гг. до н.э.) был открыт закон о равновесии тела, погруженного в жидкость. Потом на протяжении 1500 лет особых изменений гидравлика не получала. Наука в то время почти совсем не развивалась.

И только в XVI-XVII веках нашей эры, в эпоху Возрождения («Ренессанса»), появились работы Галилея, Леонардо да Винчи, Паскаля, Ньютона, положившие серьезные основания для дальнейшего совершенствования «механики жидкости и газа» как науки.

Старинные летописи и другие источники содержат много сведений о строительстве в России различных сооружений на реках, о развитии водных путей, о попытках создания механизмов, использующих энергию водного потока, и других конструкциях. Еще в 1115 г. был построен наплавной мост через реку Днепр у г. Киева. Подъем в развитии дисциплины начался лишь через 17 веков после Архимеда.

В XV—XVI вв. знаменитый итальянец Леонардо да Винчи (1452 — 1519 г.г.) написал работу «О движении и измерении воды», которая была опубликована лишь через 400 с лишним лет после ее создания. Симон Стевин (1548-1620) – фламандский математик-универсал, инженер - написал книгу «Начало гидростатики», Галилео Галилей (1564—1642) рассмотрел основные законы плавания, Торичелли (1608—1647) открыл законы истечения жидкости из отверстий, Блез Паскаль (1623—1662) открыл закон о передаче давления в жидкости, Исаак Ньютон (1642—1727) в 1686 г. сформулировал гипотезу о внутреннем трении в жидкости.

Однако перечисленные работы затрагивали только отдельные разделы «Механики жидкости и газа». Формирование дисциплины как науки на прочной теоретической основе стало возможным только после работ, созданных академиками Петербургской Академии наук М.В. Ломоносовым (1711—1765), Д. Бернулли (1700—1782) и Л. Эйлером (1707—1783).

М.В. Ломоносов в диссертации «Рассуждения о твердости и жидкости тела» сформулировал открытый им закон сохранения вещества и энергии.

Д. Бернулли в изданном в 1738 г. труде «Гидродинамика» вывел важнейшее уравнение, названное его именем. Это уравнение является основой теоретических выводов и гидравлических расчетов в очень многих случаях.

Л. Эйлер в 1755 г. втруде «Общие принципы движения жидкости» вывел систему дифференциальных уравнений равновесия и движения жидкостей.

Эти работы положили начало бурного развития гидравлики и механики жидкости и газа.

Велики заслуги ученых: А. Шези (1718 - 1798), работавшего в области равномерного движения жидкости; Вентури (1746 -1822), исследовавшего истечение через отверстия и насадки; Вейсбаха (1806 - 1871), в основном известного работами в области сопротивлений движению жидкости; Базена (1829 -1897), изучавшего равномерное движение и истечение жидкости через водосливы; Рейнольдса (1842 -1912), внесшего большой вклад в изучение ламинарного и турбулентного режимов движения.

Во второй половине XIX в. в России появляются работы, оказавшие большое влияние на последующее развитие механики жидкости и газа и гидравлики. И.С. Громека (1851 - 1889) создал основы теории винтовых потоков и потоков с поперечной циркуляцией. Д.И. Менделеев (1834 - 1907) в своей работе «О сопротивления жидкостей и воздухоплавания» привел важные выводы о наличии двух режимов движения жидкости (ламинарного и турбулентного). Н.П. Петров (1836-1920) сформулировал закон внутреннего трения в жидкости. Н. Е. Жуковский (1847-1921) создал теорию гидравлического удара в водопроводных трубах, теорию движения наносов в реках и ряд основополагающих работ в области фильтрации.

Труды академика Н. Н. Павловского (1884 - 1937) в области равномерного и неравномерного движения, фильтрации через земляные плотины и под гидротехническими сооружениями явились весьма большим вкладом в развитие гидравлики и послужили основой наряду с другими работами учеников и последователей Н.Н. Павловского в СССР для создания инженерной гидравлики, широко используемой при расчетах в гидротехнике.

Роль «гидравлики» и «механики жидкости и газа» в современном машиностроении трудно переоценить. Любой автомобиль, летательный аппарат, морское судно не обходятся без применения гидравлических систем. Добавим сюда строительство плотин, дамб, трубопроводов, каналов, водосливов. На производстве – повсюду гидравлические прессы, способные развивать колоссальные усилия.

 

Второй вопрос необходимо законспектировать на лекции.

3. Жидкость и силы действующие на нее. Основные физические свойства жидкостей и газов. Идеальная жидкость

Жидкостью называют физическое тело способное изменять свою форму при воздействии на нее сколь угодно малых сил. Различают два вида жидкостей: жидкости капельные и жидкости газообразные (рис. 2). Капельные жидкости представляют собой жидкости в обычном, общепринятом понимании этого слова (вода, нефть, керосин, масло и.т.д.). Газообразные жидкости - газы, в обычных условиях представляют собой газообразные вещества (воздух, кислород, азот, пропан и т.д.).

Рис. 2. Виды жидкостей

Основной отличительной особенностью капельных и газообразных жидкостей является способность сжиматься (изменять объем) под воздействием внешних сил. Капельные жидкости (в дальнейшем просто жидкости) трудно поддаются сжатию, а газообразные жидкости (газы) сжимаются довольно легко, т.е. при воздействии небольших усилий способны изменить свой объем в несколько раз (рис. 3).

В механике «жидкости и газа» рассматриваются реальная и идеальная жидкости. Идеальная жидкость не обладает внутренним трением, а также трением о стенки сосудов и трубопроводов, по которым она движется. Идеальная жидкость также обладает абсолютной несжимаемостью. Такая жидкость не существует в действительности, и была придумана для облегчения и упрощения ряда теоретических выводов и исследований.

 

Рис. 3. Сжатие жидкостей и газов

 

На жидкость постоянно воздействуют внешние силы, которые разделяют на массовые и поверхностные.

 

Рис. 4. Поверхностные силы  

 

 
 
Массовые: силы тяжести и инерции. Сила тяжести в земных условиях действует на жидкость постоянно, а сила инерции только при сообщении объёму жидкости ускорений (положительных или отрицательных). Поверхностные: обусловлены воздействием соседних объемов жидкости на данный объём или воздействием других тел.  

 

 


Рассмотрим сосуд, наполненный жидкостью. Если выделить в нем бесконечно малый объём жидкости, то на этот объем будут действовать силы со стороны соседних таких же бесконечно малых объемов (рис. 4). Кроме этого на свободную поверхность жидкости действует сила атмосферного давления Pатм и силы со стороны стенок сосуда.

Если на жидкость действует какая-то внешняя сила, то говорят, что жидкость находится под давлением. Обычно для определения давления жидкости, вызванного воздействием на нее поверхностных сил, применяется формула: (Н/м2) или (Па),

 

где F - сила, действующая на жидость,

S - площадь, на которую действует эта сила, м².

 

Если давление Р отсчитывают от абсолютного нуля, то его называют абсолютным давлением Рабс. Если давление отсчитывают от атмосферного, то оно называется избыточным Ризб. Атмосферное давление постоянно Ра = 105 Па (рис. 5).

 

Рис. 5. Схема к определению давлений

 

 

За единицу давления в Международной системе единиц (СИ) принят паскаль – давление, вызываемое силой 1 Н, равномерно распределенной по нормальной к ней поверхности площадью 1 м²:

1 Па = 1 н/м² = 10-3 кПа = 10-6 МПа

Размерность давления обозначается как "Па" (паскаль), "кПа" (килопаскаль), "МПа" (мегапаскаль).

1 атм = 1,013·105н/м2 = 1,013·105 Па =760 мм рт.ст.; 1 ат (техн.атм.)=9,81*104 н/м2= 1 бар

 

Основные физические свойства жидкостей

1. Сжимаемость - свойство жидкости изменять свой объем под действием давления. Сжимаемость жидкости характеризуется коэффициентом объемного сжатия, который определяется по формуле:

где V - первоначальный объем жидкости.

 

При гидравлических расчетах сжимаемостью жидкости обычно пренебрегают и считают жидкости практически несжимаемыми. Сжатие жидкостей в основном обусловлено сжатием растворенного в них газа.

Сжимаемость понижает жесткость гидропривода, т.к., на сжатие затрачивается энергия. Сжимаемость может явиться причиной возникновения автоколебаний в гидросистеме, создаёт запаздывание в срабатывании гидроаппаратуры и исполнительных механизмах.

Иногда сжимаемость жидкостей полезна - ее используют в гидравлических амортизаторах и пружинах.

2. Температурное расширение - относительное изменение объёма жидкости при увеличении температуры на 1°С при Р = const. Характеризуется коэффициентом температурного расширения:

Поскольку для капельных жидкостей коэффициент температурного расширения ничтожно мал, то при практических расчетах его не учитывают.

3. Сопротивление растяжению. Особыми физическими опытами было показано, что покоящаяся жидкость (в частности вода, ртуть) иногда способна сопротивляться очень большим растягивающим усилиям. Но в обычных условиях этого не происходит, и поэтому считают, что жидкость не способна сопротивляться растягивающим усилиям.

Рис. 6. Силы поверхностного натяжения

 

4. Силы поверхностного натяжения - эти силы стремятся придать сферическую форму жидкости. Силы поверхностного натяжения обусловлены поверхностными силами и направлены всегда внутрь рассматриваемого объема перпендикулярно свободной поверхности жидкости. Рассмотрим бесконечно малый объем жидкости на свободной поверхности. На него будут действовать силы со стороны соседних объемов. В результате, если сложить вектора всех сил, действующих на рассматриваемый объём, то суммарная составляющая сила будет направлена перпендикулярно внутрь рассматриваемого объёма.

5. Вязкость жидкости - свойство жидкости сопротивляться скольжению или сдвигу ее слоёв. Суть её заключается в возникновении внутренней силы трения между движущимися слоями жидкости, которая определяется по формуле Ньютона:

где S - площадь слоев жидкости или стенки, соприкасающейся с жидкостью [м2],
μ - динамический коэффициент вязкости, или сила вязкостного трения,
- градиент скорости, перпендикулярный к поверхности сдвига.

Отсюда динамическая вязкость равна:

где τ - касательные напряжения жидкости, τ = T/S.

 

При течении вязкой жидкости вдоль твердой стенки происходит торможение потока, обусловленное вязкостью (рис. 7). Скорость уменьшается по мере уменьшения расстояния y от стенки. При этом при y = 0, скорость падает до нуля, а между слоями происходит проскальзывание, сопровождающееся возникновением касательных напряжений τ.

Рис. 7. Профиль скоростей при течении вязкой жидкости вдоль стенки

 

Величина, обратная динамическому коэффициенту вязкости (1/μ) называется текучестью жидкости.

 

 

Отношение динамического коэффициента вязкости к плотности жидкости называется кинематическим коэффициентом вязкости:

 

Величина ν, равная 1см²/с называется стоксом (Ст), а 0,01 Ст - 1 сантистоксом (сСт).

Таблица 1. Коэффициент кинематической вязкости воды

Температура воды, °С vt, м2   Температура воды, °С vt, м2
  0,73 · 10-6   0,47 · 10-6
  0,66 · 10-6   0,43 · 10-6
  0,6 · 10-6   0,41 · 10-6
  0,55 · 10-6   0,36 · 10-6
  0,51 · 10-6   0,32 · 10-6

 

Процесс определения вязкости называется вискозиметрией, а приборы, которыми она определяется, вискозиметрами.

Помимо оценки вязкости с помощью динамического и кинематического коэффициентов пользуются условной вязкостью - градусы Энглера (Е). Вязкостью, выраженной в градусах Энглера, называется отношение времени истечения 200 см³ испытуемой жидкости через капилляр d = 2,8 мм к времени истечения такого же объема воды при t = 200 С:

Такой прибор называется вискозиметром Энглера. Для пересчета градусов Энглера в стоксы для минеральных масел применяется формула:

 

Таким образом, для оценки вязкости жидкости можно использовать три величины, которые связаны между собой.

Рис. 8. Способы оценки вязкости жидкости

 

Вязкость жидкости зависит от температуры и от давления. При повышении температуры вязкость жидкости уменьшается и наоборот. У газов наблюдается обратное явление: с повышением температуры вязкость увеличивается, с понижением температуры - уменьшается.

6. Пенообразование. Выделение воздуха из рабочей жидкости при падении давления может вызвать пенообразование. На интенсивность пенообразования оказывает влияние содержащаяся в рабочей жидкости вода: даже при ничтожном количестве воды (менее 0,1% по массе рабочей жидкости) возникает устойчивая пена. Образование и стойкость пены зависят от типа рабочей жидкости, от ее температуры и размеров пузырьков, от материалов и покрытий гидроаппаратуры. Особенно пенообразование происходит интенсивно в загрязненных жидкостях и бывших в эксплуатации. При температуре жидкости свыше 700 С происходит быстрый спад пены.

7. Химическая и механическая стойкость. Характеризует способность жидкости сохранять свои первоначальные физические свойства при эксплуатации и хранении.

Окисление жидкости сопровождается выпадением из нее смол и шлаков, которые откладываются на поверхности элементов гидропривода в виде твердого налета. Снижается вязкость и изменяется цвет жидкости. Продукты окисления вызывают коррозию металлов и уменьшают надежность работы гидроаппаратуры. Налет вызывает заклинивание подвижных соединений, плунжерных пар, дросселирующих отверстий, разрушение уплотнений и разгерметизацию гидросистемы.

8. Совместимость. Совместимость рабочих жидкостей с конструкционными материалами и, особенно с материалами уплотнений, имеет очень большое значение. Рабочие жидкости на нефтяной основе совместимы со всеми металлами, применяемыми в гидромашиностроении, и плохо совместимы с уплотнениями, изготовленными из синтетической резины и из кожи. Синтетические рабочие жидкости плохо совмещаются с некоторыми конструкционными материалами и не совместимы с уплотнениями из маслостойкой резины.

9. Испаряемость жидкости. Испаряемость свойственна всем капельным жидкостям, однако интенсивность испарения неодинакова у различных жидкостей и зависит от условий, в которых она находится: от температуры, от площади испарения, от давления, и от скорости движения газообразной среды над свободной поверхностью жидкости (от ветра).

10. Растворимость газов в жидкостях характеризуется объемом растворенного газа в единице объема жидкости и определяется по закону Генри:

 

где VГ - объем растворенного газа;

VЖ - объем жидкости;

k - коэффициент растворимости;

Р - давление;

Ра - атмосферное давление.

 

Коэффициент k=0,016 (при 200С) для воды, керосина 0,13; минеральных масел 0,08; жидкости АМГ-10 - 0,1. При понижении давления выделяется растворимый в жидкости газ. Это явление может отрицательно сказываться на работе гидросистем.

 

 



Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2017-08-26 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: