Общие сведения о жидкости




Предисловие

Для сельско­го хо­зяйства ха­рак­терны вы­сокая энер­го­ем­кость и зна­чительные объемы во­допот­ребле­ния при про­из­водс­тве, хра­нении и пе­рера­бот­ке про­дук­ции.

Эф­фектив­ная ра­бота пред­при­ятий аг­ропро­мыш­ленно­го ком­плек­са тре­бу­ет гра­мот­ной экс­плу­ата­ции теп­ло­вого и гид­равли­чес­ко­го обо­рудо­вания, т.е., в пер­вую оче­редь, зна­ния тех­ни­чес­ких ос­нов про­цес­сов теп­ло- и во­дос­набже­ния.

В нас­то­ящее вре­мя поч­ти все ма­шины, при­меня­емые в сельском хо­зяйстве, ос­на­щены гид­равли­чес­ким обо­рудо­вани­ем, для ко­торо­го энер­го­носи­телем яв­ля­ет­ся жид­кость. Гид­равли­ка на­ходит ши­рокое при­мене­ние в большинс­тве от­раслей тех­ни­ки и для мно­гих из них яв­ля­ет­ся ба­зовой дис­ципли­ной.

Трак­то­ры, са­моход­ные зер­но­убо­роч­ные ком­байны, ком­байны для убор­ки тех­ни­чес­ких и си­лос­ных культур вы­пус­ка­ют­ся с гид­равли­чес­ким при­водом. Ши­роко­му рас­простра­нению гид­равли­чес­ко­го при­вода спо­собс­тву­ют его осо­бые свойства: мно­гок­ратное уве­личе­ние при­ложен­ных сил и пе­реда­ча их на зна­чительные рас­сто­яния, прос­то­та пре­об­ра­зова­ния од­ной фор­мы дви­жения в дру­гую (нап­ри­мер, вра­щательно­го в воз­врат­но-пос­ту­пательное, и на­обо­рот), бес­сту­пен­ча­тое ре­гули­рова­ние ско­рос­ти и воз­можность быс­тро­го из­ме­нения нап­равле­ния дви­жения ра­боче­го ор­га­на, за­щита де­талей ма­шины от пе­рег­ру­зок и по­ломок. С при­мене­ни­ем гид­ропри­вода уменьша­ет­ся мас­са ма­шин, уп­ро­ща­ет­ся их ус­тройство, по­выша­ют­ся эф­фектив­ность, на­деж­ность и бе­зопас­ность их ра­боты, об­легча­ет­ся труд ме­хани­зато­ров.

В учеб­ни­ке рас­смот­ре­ны ос­новные спо­собы и ко­личес­твен­ные ха­рак­те­рис­ти­ки про­цес­сов пе­реда­чи теп­ла. Рас­смот­ре­ны при­меры при­мене­ния теп­ло­ты и ис­пользо­вания нет­ра­дици­он­ных и во­зоб­новля­емых ис­точни­ков энер­гии в аг­ропро­мыш­ленном ком­плек­се.

Из­ло­жение ма­тери­ала со­от­ветс­тву­ет прог­рамме дис­ципли­ны, пре­дус­мотрен­ной учеб­ным пла­ном в учеб­ных за­веде­ни­ях сред­не­го про­фес­си­онально­го об­ра­зова­ния.

Гла­вы 1—4 на­писа­ны с ис­пользо­вани­ем ра­нее опуб­ли­кован­ной ав­то­рами учеб­ной ли­тера­туры: «Гид­равли­ка и гид­ропнев­мопри­вод»: учеб­ник для студ. уч­режде­ний выс­ше­го об­ра­зова­ния / [Т.В.Ар­темьева, Т.М.Лы­сен­ко, А.Н.Ру­мян­це­ва, С.П.Сте­син]; под ред. С.П.Сте­сина. — 5-е изд., пе­рераб. — М.: Из­да­тельский центр «Ака­демия», 2014. — 352 с. и «Гид­равли­ка, гид­ро­маши­ны и гид­ропри­воды в при­мерах ре­шения за­дач»: учеб. по­собие для студ. уч­режде­ний выс­ше­го об­ра­зова­ния / [Т.В.Ар­темьева, Т.М.Лы­сен­ко, А.Н.Ру­мян­це­ва и др.]; под ред. С.П.Сте­сина. — 2-е изд., стер. — М.: Из­да­тельский центр «Ака­демия», 2013. — 208 с.

 

 

Условные обозначения

Глава 1

r — плот­ность жид­кости, кг/м3

M — мас­са жид­кости, кг

V — объем жид­кости, м3

g — удельный вес, вес еди­ницы объема жид­кости, Н/м3

G — вес жид­кости в объеме V, Н

d — от­но­сительная плот­ность

b р — ко­эф­фи­ци­ент объем­но­го сжа­тия, 1/Па

Е ж — мо­дуль уп­ру­гос­ти жид­кости, Па

m — ди­нами­чес­кий ко­эф­фи­ци­ент вяз­кости, Па ∙ с

T — си­ла внут­ренне­го тре­ния, Н

n — ки­нема­тичес­кий ко­эф­фи­ци­ент вяз­кости, м2

Глава 2

D R — из­ме­нение рав­но­действу­ющей всех по­вер­хностных сил, Н

D Т — из­ме­нение си­лы внут­ренне­го тре­ния, Н

D Р — из­ме­нение си­лы дав­ле­ния, Н

D S — эле­мен­тарная пло­щад­ка, м2

p — гид­роста­тичес­кое дав­ле­ние, Н/м2 = Па

g — ус­ко­рение сво­бод­но­го па­дения, м/с2

r — плот­ность жид­кости, кг/м3

h — глу­бина пог­ру­жения точ­ки от­но­сительно сво­бод­ной по­вер­хнос­ти, м

— пьезо­мет­ри­чес­кая вы­сота, м

hр — вы­сота жид­кости в пьезо­мет­ре, м

D m — мас­са жид­кости в ок­рес­тнос­ти точ­ки, кг

Hp — пьезо­мет­ри­чес­кий на­пор, м

S — пло­щадь пор­шня, м

L — ход (пе­реме­щение) пор­шня, м

А — ме­хани­чес­кая ра­бота, со­вер­ша­емая при пе­реме­щении пор­шня, Н · м

Глава 3

t — вре­мя, с

dt — бес­ко­неч­но ма­лый про­межу­ток вре­мени, с

dS — из­ме­нение пло­щади жи­вого се­чения за вре­мя dt, м2

u — ско­рость дви­жения час­ти­цы жид­кости, м/с

S — пло­щадь жи­вого се­чения по­тока, м2

c — смо­чен­ный пе­риметр, м

R — гид­равли­чес­кий ра­ди­ус, м

Q — объем­ный рас­ход, м3

Нd — гид­ро­дина­мичес­кий на­пор, м

z — ге­омет­ри­чес­кая вы­сота, м

— пьезо­мет­ри­чес­кая вы­сота, м

— ско­рос­тная вы­сота или ско­рос­тной на­пор, м

v — сред­няя (рас­ходная) ско­рость, м/с

a — ко­эф­фи­ци­ент Ко­ри­оли­са

hf — по­тери на­пора при дви­жении вяз­кой жид­кости, м

hl — по­тери на­пора по дли­не по­тока, м

h м — по­тери на­пора на мес­тные соп­ро­тив­ле­ния, м

Re — чис­ло Рейнольдса

Reк — кри­тичес­кое чис­ло Рейнольдса

l — ко­эф­фи­ци­ент гид­равли­чес­ко­го тре­ния, или ко­эф­фи­ци­ент Дар­си

zм — ко­эф­фи­ци­ент мес­тно­го соп­ро­тив­ле­ния

t — нап­ря­жение сил тре­ния, Па

e — ко­эф­фи­ци­ент сжа­тия

j — ко­эф­фи­ци­ент ско­рос­ти

m — ко­эф­фи­ци­ент рас­хо­да

Глава 4

H н — на­пор на­соса, м

Hd — гид­ро­дина­мичес­кий на­пор, м

z — ге­омет­ри­чес­кая вы­сота, м

р н — дав­ле­ние, соз­да­ва­емое на­сосом, Па

Q н — по­дача на­соса, м3/с, л/с

n — час­то­та вра­щения ва­ла на­соса, об/с или с1

w — уг­ло­вая ско­рость, рад/с

N — мощ­ность на­соса, кВт

N п — по­лез­ная мощ­ность, кВт

M н — мо­мент на ва­лу на­соса, Н × м

H гд — на­пор, пот­ребля­емый гид­родви­гате­лем, м

D р — пе­репад дав­ле­ния, Па

Q гд — объем жид­кости, пот­ребля­емой гид­родви­гате­лем в еди­ницу вре­мени, м3/с, л/с

M гд — мо­мент, ре­али­зу­емый на вы­ход­ном ва­лу гид­родви­гате­лем, Н × м

hн — КПД на­соса

hгд — КПД гид­родви­гате­ля

hг — гид­равли­чес­кий КПД

hм — ме­хани­чес­кий КПД

H т — те­оре­тичес­кий на­пор на­соса, м

hf — гид­равли­чес­кие по­тери внут­ри на­соса, м

N г — гид­равли­чес­кая мощ­ность, кВт

D N тр — мощ­ность на пре­одо­ление сил тре­ния в под­шипни­ках и уп­лотне­ни­ях на­соса, кВт

Q т — те­оре­тичес­кая по­дача на­соса, м3/с, л/с

q ут — утеч­ки ра­бочей жид­кости внут­ри на­соса, м3/с, л/с

Q и — иде­альная по­дача объем­но­го на­соса, м3/с, л/с

V o — ра­бочий объем объем­но­го на­соса, см3/об, л/об, м3/об

V к — ге­омет­ри­чес­кий объем ра­бочей ка­меры объем­но­го на­соса, см3, л, м3

Z — чис­ло ра­бочих ка­мер объем­но­го на­соса

k — крат­ность действия объем­но­го на­соса

q сж — рас­ход за счет сжа­тия ра­бочей жид­кости объем­но­го на­соса, м3/с, л/с

e — ко­эф­фи­ци­ент по­дачи объем­но­го на­соса

Q кл — рас­ход кла­пана, м3/с, л/с

H вак — ва­ку­ум­метри­чес­кая вы­сота вса­сыва­ния, м

р а — ат­мосфер­ное дав­ле­ние, Па

р вс — аб­со­лют­ное дав­ле­ние во вса­сыва­ющей ка­мере объем­но­го на­соса или во вход­ном пат­рубке цен­тро­беж­но­го на­соса, Па

h вс — вы­сота вса­сыва­ния, м

h вс.кр — кри­тичес­кая вы­сота вса­сыва­ния, м

H доп.вак — до­пус­ти­мая ва­ку­ум­метри­чес­кая вы­сота вса­сыва­ния, м

D h доп — до­пус­ти­мый ка­вита­ци­он­ный за­пас, м

р н.п — дав­ле­ние на­сыщен­ных па­ров, Па

р вс — сред­нее аб­со­лют­ное дав­ле­ние в ра­бочей ка­мере пор­шне­вого на­соса, Па

р вак — сред­нее раз­ре­жение в ра­бочей ка­мере пор­шне­вого на­соса, Па

р наг — сред­нее из­бы­точ­ное (наг­не­тательное) дав­ле­ние в ра­бочей ка­мере пор­шне­вого на­соса, Па

рi — ин­ди­катор­ное дав­ле­ние пор­шне­вого на­соса, Па

S 0 — ход пор­шня пор­шне­вого на­соса, см, м

r — ра­ди­ус кри­воши­па, см, м

R — ра­ди­ус ша­туна, см, м

s п — пло­щадь пор­шня, см2, м2

Q и.т — иде­альная те­кущая по­дача пор­шне­вого на­соса, м3/с, л/с

s — ко­эф­фи­ци­ент не­рав­но­мер­ности по­дачи пор­шне­вого на­соса

e — эк­сцентри­ситет, мм, см

L — рас­сто­яние, мм, см

r г — ра­ди­ус го­лов­ки зу­ба шес­терни, мм

r в — ра­ди­ус впа­дины шес­терни, мм

h — глу­бина впа­дины шес­терни, мм

D — ди­аметр пор­шня гид­ро­цилин­дра, мм

s шт — пло­щадь што­ка гид­ро­цилин­дра, мм2

d — ди­аметр што­ка гид­ро­цилин­дра, мм

v п — ско­рость дви­жения пор­шня гид­ро­цилин­дра, м/с

F п — уси­лие на пор­шень в пор­шне­вой по­лос­ти гид­ро­цилин­дра, Н

F шт — уси­лие на пор­шень в што­ковой по­лос­ти гид­ро­цилин­дра, Н

F — уси­лие, раз­ви­ва­емое гид­ро­цилин­дром, Н

F тр — си­ла тре­ния, Н

D р — пе­репад дав­ле­ния, Па

s — пло­щадь про­ход­но­го се­чения дрос­се­ля, мм2

m — ко­эф­фи­ци­ент рас­хо­да дрос­се­ля

Q р.к — рас­ход ра­боче­го ко­леса цен­тро­беж­но­го на­соса, м3/с, л/с

c — аб­со­лют­ная ско­рость дви­жения час­ти­цы жид­кости в меж­ло­пас­тном ка­нале ра­боче­го ко­леса цен­тро­беж­но­го на­соса, м/с

u — ок­ружная ско­рость дви­жения час­ти­цы жид­кости в меж­ло­пас­тном ка­нале ра­боче­го ко­леса цен­тро­беж­но­го на­соса, м/с

w — от­но­сительная ско­рость дви­жения час­ти­цы жид­кости в меж­ло­пас­тном ка­нале ра­боче­го ко­леса цен­тро­беж­но­го на­соса, м/с

cu — ок­ружная сос­тавля­ющая аб­со­лют­ной ско­рос­ти дви­жения час­ти­цы жид­кости в меж­ло­пас­тном ка­нале цен­тро­беж­но­го на­соса, м/с

a — угол меж­ду аб­со­лют­ной ско­ростью и пе­ренос­ной, град.

r — ра­ди­ус, м

M кр — кру­тящий мо­мент ра­боче­го ко­леса, Н × м

dM кд — при­раще­ние мо­мен­та ко­личес­тва дви­жения жид­кости в ра­бочем ко­лесе цен­тро­беж­но­го на­соса, кг × м2

m — мас­са жид­кости, кг

Глава 5

m — мас­са ра­боче­го те­ла, кг

W — объем ра­боче­го те­ла, м3

w — удельный объем ра­боче­го те­ла, м3/кг

Т — тем­пе­рату­ра, К

t — тем­пе­рату­ра, °С

N — си­ла дав­ле­ния, пер­пенди­куляр­ная плос­кой по­вер­хнос­ти, Н

f — пло­щадь по­вер­хнос­ти, м2

р — аб­со­лют­ное дав­ле­ние иде­ально­го га­за, Па

R — уни­вер­сальная га­зовая пос­то­ян­ная, R = 8314 Дж/(кг × К)

m — мо­ляр­ная мас­са га­за, мас­са од­но­го мо­ля га­за, кг/моль (ча­ще г/моль)

U — внут­ренняя энер­гия сис­те­мы, Дж

u = U / m — удельная внут­ренняя энер­гия сис­те­мы, Дж/кг

L — ме­хани­чес­кая ра­бота, Дж

Q — теп­ло­та, Дж

l = L / m — удельная ра­бота, Дж/кг

q = Q / m — удельная теп­ло­та, Дж/кг

F — си­ла воз­действия пру­жины на шток пор­шня, Н

p — из­бы­точ­ное дав­ле­ние ра­боче­го те­ла в ци­лин­дре, Па

S — эн­тро­пия, Дж/К

s = S / m — удельная эн­тро­пия, Дж/(кг × К)

H — эн­тальпия, Дж; H = U + pW

h = H / m — удельная эн­тальпия, Дж/кг

D Q — ко­личес­тво теп­ло­ты, под­ве­ден­ной к ра­боче­му те­лу, Дж

с — удельная мас­со­вая теп­ло­ем­кость, Дж/(кг × К)

cp — удельная теп­ло­ем­кость при пос­то­ян­ном дав­ле­нии (изо­бар­ная), Дж/(кг × К)

cv — удельная теп­ло­ем­кость при пос­то­ян­ном объеме (изо­хор­ная), Дж/(кг × К)

h t — тер­ми­чес­кий КПД

e — хо­лодильный ко­эф­фи­ци­ент

z — ко­эф­фи­ци­ент сжи­ма­емос­ти

d — вла­госо­дер­жа­ние

С п — аб­со­лют­ная влаж­ность воз­ду­ха, кг/м3

M п — мас­са па­ра, ко­торая со­дер­жится в 1 м3 влаж­но­го воз­ду­ха, кг

j — от­но­сительная влаж­ность воз­ду­ха, %

Глава 6

q — плот­ность теп­ло­вого по­тока, Вт/м2

F — теп­ло­вой по­ток, Вт

А — пло­щадь по­вер­хнос­ти, м2

l — ко­эф­фи­ци­ент теп­лопро­вод­ности, Вт/(м × К)

d — тол­щи­на плос­кой стен­ки, м

a — ко­эф­фи­ци­ент теп­ло­от­да­чи, Вт/(м2 × К)

D t — теп­ло­вой на­пор (раз­ность тем­пе­ратур меж­ду по­вер­хностью теп­ло­об­ме­на, в ка­чес­тве ко­торой час­то рас­смат­ри­ва­ют стен­ку, и жид­костью), °С

g — ус­ко­рение сво­бод­но­го па­дения, м/с2

a — ко­эф­фи­ци­ент тем­пе­рату­роп­ро­вод­ности, м2

Fизл — по­ток из­лу­чения (или лу­чис­тый по­ток), т.е. ко­личес­тво из­лу­ча­емой энер­гии, пе­рено­симой в еди­ницу вре­мени че­рез по­вер­хность те­ла, Вт

 

 

Общие сведения о жидкости

 

Основные понятия и определения

Гид­равли­ка (тех­ни­чес­кая ме­хани­ка жид­кости, гид­ро­меха­ника) — при­клад­ная на­ука о за­конах рав­но­весия и дви­жения жид­костей, спо­собах при­ложе­ния этих за­конов к ре­шению раз­личных ин­же­нер­ных за­дач.

Гид­равли­ка яв­ля­ет­ся те­оре­тичес­кой ос­но­вой для изу­чения гид­ропри­вода стро­ительных и до­рож­ных ма­шин, ис­пользу­емых в сельском хо­зяйстве.

Пред­ме­том изу­чения в гид­равли­ке яв­ля­ет­ся жид­кость. Тер­ми­ну «жид­кость» в гид­ро­меха­нике при­да­ют бо­лее ши­рокий смысл. В это по­нятие вхо­дят все те­ла, для ко­торых свойствен­на те­кучесть, т.е. спо­соб­ность из­ме­нять свою фор­му под действи­ем сколь угод­но ма­лых сил. Это по­нятие вклю­ча­ет в се­бя как жид­кости обыч­ные, на­зыва­емые ка­пельны­ми, так и га­зы.

Ка­пельные жид­кости от­ли­ча­ют­ся тем, что в ма­лом ко­личес­тве под действи­ем по­вер­хностно­го на­тяже­ния при­нима­ют сфе­ричес­кую фор­му, а в большом объеме обыч­но об­ра­зу­ют сво­бод­ную по­вер­хность раз­де­ла с га­зом. Важ­ной осо­бен­ностью ка­пельных жид­костей яв­ля­ет­ся то, что они нич­тожно ма­ло из­ме­ня­ют объем при из­ме­нении дав­ле­ния, по­это­му их обыч­но на­зыва­ют нес­жи­ма­емы­ми.

Га­зы, на­обо­рот, мо­гут зна­чительно уменьшаться в объеме под действи­ем дав­ле­ния и не­ог­ра­ничен­но рас­ши­ряться при его от­сутс­твии, т.е. они об­ла­да­ют большой сжи­ма­емостью.

Нес­мотря на это раз­ли­чие, за­коны дви­жения ка­пельных жид­костей и га­зов при оп­ре­делен­ных ус­ло­ви­ях мож­но счи­тать оди­нако­выми, ес­ли ско­рость те­чения га­за меньше ско­рос­ти рас­простра­нения в нем зву­ка.

Гид­равли­ка изу­ча­ет глав­ным об­ра­зом дви­жение ка­пельных жид­костей, ко­торые в большинс­тве слу­ча­ев рас­смат­ри­ва­ют­ся как нес­жи­ма­емые. В дальнейшем из­ло­жении под тер­ми­ном «жид­кость» бу­дем по­нимать ка­пельную жид­кость.

В гид­равли­ке для уп­ро­щения рас­смат­ри­ва­емых яв­ле­ний и вы­вода ря­да за­коно­мер­ностей вво­дят ряд до­пуще­ний и ги­потез, т.е. при­бега­ют к так на­зыва­емым мо­делям жид­кости.

Од­на из них — ги­поте­за сплош­ной сре­ды, где жид­кость рас­смат­ри­ва­ет­ся как неп­ре­рыв­ная сплош­ная сре­да, пол­ностью за­нима­ющая все прос­транс­тво без об­ра­зова­ния раз­ры­вов и пус­тот. Дан­ная ги­поте­за поз­во­ля­ет рас­смат­ри­вать все ме­хани­чес­кие ха­рак­те­рис­ти­ки жид­кости (плот­ность, ско­рость, дав­ле­ние и т.д.) как функ­ции ко­ор­ди­нат точ­ки в прос­транс­тве и во вре­мени.

В гид­равли­ке под тер­ми­ном «жид­кая час­ти­ца» по­нима­ет­ся ма­лый объем сплош­ной сре­ды, де­фор­ми­ру­емый при дви­жении, мас­са ко­торо­го не сме­шива­ет­ся с ок­ру­жа­ющей сре­дой и к ко­торо­му при­мени­мы все за­коны ме­хани­ки. При этом рас­смат­ри­ва­емая мас­са жид­кости пред­став­ля­ет со­бой со­вокуп­ность неп­ре­рыв­но рас­пре­делен­ных по объему жид­ких час­тиц.

 

 

Основные физические свойства жидкости

Ра­бочая жид­кость в гид­ро­сис­те­ме яв­ля­ет­ся преж­де все­го энер­го­носи­телем, т.е. обес­пе­чива­ет пе­реда­чу ме­хани­чес­кой энер­гии от на­соса к гид­родви­гате­лю и, кро­ме то­го, дол­жна обес­пе­чить ус­тойчи­вую ра­боту гид­ропри­вода, сох­ра­нять сма­зыва­ющие свойства и кор­ро­зи­он­ную за­щиту де­талей сис­те­мы. Ра­бочая жид­кость не дол­жна раз­ру­шать и ока­зывать вред­ное воз­действие на обо­рудо­вание, всту­пать в хи­мичес­кое вза­имо­действие с элас­тичны­ми средс­тва­ми гер­ме­тиза­ции и гиб­ки­ми ру­кава­ми.

Пра­вильная экс­плу­ата­ция ра­бочей жид­кости при­водит к уве­личе­нию сро­ка служ­бы как са­мого ра­боче­го те­ла (жид­кости), так и гид­ропри­вода в це­лом.

Рас­смот­рим свойства жид­костей, ко­торые ока­зыва­ют на­ибо­лее су­щес­твен­ное вли­яние на про­ис­хо­дящие в них про­цес­сы.

Плот­ность. Од­ним из ос­новных свойств жид­кости яв­ля­ет­ся ее плот­ность. Сог­ласно ги­поте­зе сплош­ной сре­ды мас­са жид­кости рас­пре­деля­ет­ся по все­му объему вы­делен­но­го прос­транс­тва, по­это­му плот­ностью r (кг/м3) на­зыва­ют мас­су од­но­род­но­го ве­щес­тва, зак­лю­чен­ную в еди­нице объема:

(1.1)

где M — мас­са жид­кости в объеме V.

Удельный вес для од­но­род­ной жид­кости g (Н/м3) — вес еди­ницы объема жид­кости:

(1.2)

где G — вес жид­кости в объеме V.

Связь меж­ду удельным ве­сом и плот­ностью вы­ража­ет­ся за­виси­мостью

(1.3)

где g — ус­ко­рение си­лы тя­жес­ти.

Ес­ли жид­кость не­од­но­род­на, то фор­му­лы (1.1) и (1.2) оп­ре­деля­ют лишь сред­нее зна­чение удельно­го ве­са и плот­ности в дан­ном объеме.

Иног­да в спра­воч­ни­ках вмес­то плот­ности при­водит­ся от­но­сительная плот­ность ве­щес­тва.

От­но­сительная плот­ность — без­размер­ная ве­личи­на, пред­став­ля­ющая со­бой от­но­шение плот­ности рас­смат­ри­ва­емо­го ве­щес­тва к плот­ности стан­дар­тно­го ве­щес­тва в оп­ре­делен­ных фи­зичес­ких ус­ло­ви­ях:

(1.4)

где rст — плот­ность стан­дар­тно­го ве­щес­тва.

В ка­чес­тве стан­дар­тно­го ве­щес­тва при­нима­ют дис­тилли­рован­ную во­ду плот­ностью 1000 кг/м3 при тем­пе­рату­ре 277 K (4°С) и дав­ле­нии 101,3 кПа.

Сжи­ма­емость. Сжи­ма­емость жид­кости — свойство из­ме­нять объем при из­ме­нении дав­ле­ния.

Сжи­ма­емость ха­рак­те­ризу­ет­ся ко­эф­фи­ци­ен­том объем­но­го сжа­тия b р (Па-1), ко­торый пред­став­ля­ет со­бой от­но­сительное из­ме­нение объема жид­кости на еди­ницу из­ме­нения дав­ле­ния:

(1.5)

где V — пер­во­начальный объем жид­кости; dV — из­ме­нение это­го объема при уве­личе­нии дав­ле­ния на ве­личи­ну dp.

Знак «−» в фор­му­ле (1.5) обус­ловлен тем, что по­ложи­тельно­му при­раще­нию дав­ле­ния со­от­ветс­тву­ет от­ри­цательное при­раще­ние (т.е. уменьше­ние) объема.

Ко­эф­фи­ци­ент объем­но­го сжа­тия ка­пельных жид­костей ме­ня­ет­ся нез­на­чительно при из­ме­нении тем­пе­рату­ры и дав­ле­ния. По­это­му сжи­ма­емость ка­пельных жид­костей сле­ду­ет учи­тывать только при очень вы­соких дав­ле­ни­ях и в большинс­тве слу­ча­ев сжи­ма­емостью ка­пельных жид­костей мож­но пре­неб­речь и счи­тать их плот­ность не за­вися­щей от дав­ле­ния.

Ве­личи­на, об­ратная ко­эф­фи­ци­ен­ту объем­но­го сжа­тия, на­зыва­ет­ся мо­дулем уп­ру­гос­ти жид­кости:

Мо­дули уп­ру­гос­ти большинс­тва жид­костей нас­только ве­лики, что их мож­но при­нять пос­то­ян­ны­ми, т.е. при­нимать их плот­ность не за­вися­щей от дав­ле­ния. Это до­пуще­ние ис­пользу­ет­ся при вы­воде большинс­тва за­виси­мос­тей в гид­равли­ке. Сред­нее зна­чение мо­дуля уп­ру­гос­ти для во­ды рав­но 2050 МПа, а для ми­неральных ма­сел — 1670 МПа.

Од­на­ко при ре­шении за­дач о гид­равли­чес­ком уда­ре, а так­же об ус­тойчи­вос­ти и ко­леба­нии гид­ро­сис­тем сжи­ма­емость не­об­хо­димо учи­тывать.

Тем­пе­ратур­ное рас­ши­рение. При уве­личе­нии тем­пе­рату­ры про­ис­хо­дит уве­личе­ние объема жид­кости, по­это­му с по­выше­ни­ем тем­пе­рату­ры плот­ность жид­костей уменьша­ет­ся (кро­ме во­ды, ко­торая име­ет на­ибольшую плот­ность при 4°С). Тем­пе­ратур­ное рас­ши­рение ха­рак­те­ризу­ет­ся ко­эф­фи­ци­ен­том b t (1/град.), вы­ража­ющим от­но­сительное уве­личе­ние объема жид­кости при уве­личе­нии тем­пе­рату­ры на 1°:

где V — пер­во­начальный объем жид­кости; dV — из­ме­нение это­го объема при по­выше­нии тем­пе­рату­ры на ве­личи­ну dT.

В обыч­ных гид­равли­чес­ких рас­че­тах тем­пе­ратур­ное рас­ши­рение не учи­тыва­ет­ся. Од­на­ко на прак­ти­ке при­нято не­доли­вать го­рючее в ба­ки и ре­зер­ву­ары приб­ли­зительно на 5%, а низ­ко­замер­за­ющую жид­кость в сис­те­му ох­лажде­ния — на 5…8%.

Те­кучесть и вяз­кость. Те­кучесть — это свойство, об­щее для всех жид­костей, оз­на­ча­ющее спо­соб­ность течь под вли­яни­ем нез­на­чительных сдви­га­ющих уси­лий. Этим, в час­тнос­ти, объяс­ня­ет­ся дви­жение жид­кости в тру­бе при на­личии нез­на­чительной раз­ности дав­ле­ний. С дру­гой сто­роны, са­мое нез­на­чительное от­но­сительное дви­жение сло­ев (час­тиц) жид­кости по­рож­да­ет эф­фект соп­ро­тив­ле­ния, на­зыва­емый вяз­костью. По­нятие вяз­кости об­ратно по­нятию те­кучес­ти и ха­рак­те­ризу­ет сте­пень те­кучес­ти жид­кости.

Вяз­кость — свойство жид­кости ока­зывать соп­ро­тив­ле­ние сдви­гу или от­но­сительно­му сме­щению ее сло­ев.

Это свойство про­яв­ля­ет­ся в том, что в жид­кости при оп­ре­делен­ных ус­ло­ви­ях воз­ни­ка­ют ка­сательные нап­ря­жения.

Сог­ласно ги­поте­зе, выс­ка­зан­ной впер­вые Ньюто­ном в 1686 г., а за­тем эк­спе­римен­тально обос­но­ван­ной проф. Н.П.Пет­ро­вым (ос­но­вопо­лож­ни­ком гид­ро­дина­мичес­кой те­ории смаз­ки) в 1883 г., ка­сательные нап­ря­жения в жид­кости за­висят от ее при­роды и ха­рак­те­ра те­чения. При сло­ис­том те­чении ка­сательные нап­ря­жения ха­рак­те­ризу­ют­ся за­виси­мостью

где Т — си­ла соп­ро­тив­ле­ния сдви­га; S — пло­щадь тру­щих­ся сло­ев; m — ко­эф­фи­ци­ент про­пор­ци­ональнос­ти, по­лучив­ший наз­ва­ние ди­нами­чес­кий ко­эф­фи­ци­ент вяз­кости; du — ско­рость сме­щения сло­ев жид­кости от­но­сительно друг дру­га; dy — рас­сто­яние меж­ду ося­ми со­сед­них сло­ев жид­кости; — гра­ди­ент ско­рос­ти, ха­рак­те­ризу­ющий ин­тенсив­ность сдви­га жид­кости в дан­ной точ­ке.

Си­ла соп­ро­тив­ле­ния сдви­гу на­зыва­ет­ся си­лой внут­ренне­го тре­ния. При пря­моли­нейном сло­ис­том дви­жении жид­кости си­ла внут­ренне­го тре­ния T (H) меж­ду сло­ями вы­ража­ет­ся, сог­ласно ги­поте­зе Ньюто­на, за­виси­мостью

(1.6)

Знак «+» или «−» вы­бира­ет­ся в за­виси­мос­ти от зна­ка гра­ди­ен­та ско­рос­ти, что­бы ве­личи­на нап­ря­жения и си­лы тре­ния бы­ла по­ложи­тельной.

Си­лы тре­ния в жид­кости от­ли­ча­ют­ся от тре­ния твер­дых тел: в жид­кости эф­фект тре­ния за­висит от гра­ди­ен­та ско­рос­ти, а в твер­дых те­лах он яв­ля­ет­ся фун­кци­ей нор­мально­го дав­ле­ния.

При вы­пол­не­нии тех­ни­чес­ких рас­че­тов в гид­равли­ке пользу­ют­ся ки­нема­тичес­ким ко­эф­фи­ци­ен­том вяз­кости n, пред­став­ля­ющим со­бой от­но­шение ко­эф­фи­ци­ен­та ди­нами­чес­кой вяз­кости жид­кости к ее плот­ности:

Раз­мерность ди­нами­чес­ко­го ко­эф­фи­ци­ен­та вяз­кости (m) в сис­те­ме СИ — пас­каль-се­кун­да (Па ⋅ с), раз­мерность ки­нема­тичес­ко­го ко­эф­фи­ци­ен­та вяз­кости (n) в сис­те­ме СИ — метр квад­ратный в се­кун­ду (м2/с).

Вяз­кость жид­кости уве­личи­ва­ет­ся с по­выше­ни­ем дав­ле­ния, это учи­тыва­ет­ся в гид­ро­сис­те­мах вы­соких дав­ле­ний, так как при из­ме­нении дав­ле­ния от 0 до 40 МПа вяз­кость мно­гих ми­неральных ма­сел при нор­мальной тем­пе­рату­ре уве­личи­ва­ет­ся приб­ли­зительно в три ра­за.

Вяз­кость жид­костей за­висит от тем­пе­рату­ры и при уве­личе­нии тем­пе­рату­ры уменьша­ет­ся, по­это­му вяз­кость ра­бочей жид­кости име­ет важ­нейшее зна­чение для обес­пе­чения на­деж­ной ра­боты тру­щих­ся пар в гид­равли­чес­ких ма­шинах и эле­мен­тах гид­ро­сис­тем. При низ­ких тем­пе­рату­рах ок­ру­жа­ющей сре­ды вяз­кость ра­бочей жид­кости мо­жет дос­ти­гать та­ких больших зна­чений, что те­ря­ет­ся ее те­кучесть и на­руша­ет­ся нор­мальная ра­бота на­сосов. При вы­соких тем­пе­рату­рах вяз­кость ра­бочей жид­кости мо­жет нас­только уменьшиться, что рез­ко ухуд­ша­ют­ся ус­ло­вия ра­боты тру­щих­ся пар и воз­мо­жен пе­реход от жид­кос­тно­го тре­ния к су­хому.

Для уп­ро­щения те­оре­тичес­ких рас­че­тов и ис­сле­дова­ний в гид­равли­ке ис­пользу­ет­ся мо­дель иде­альной жид­кости, ко­торая в от­ли­чие от ре­альной не име­ет сил внут­ренне­го тре­ния, аб­со­лют­но нес­жи­ма­ема и ха­рак­те­ризу­ет­ся только плот­ностью. Те­чение иде­альной жид­кости не соп­ро­вож­да­ет­ся по­терей энер­гии.

Обыч­но в гид­равли­ке в большинс­тве слу­ча­ев при вы­воде урав­не­ний и фор­мул, опи­сыва­ющих за­коно­мер­ности дви­жения жид­кости, при­бега­ют к мо­дели иде­альной жид­кости, а за­тем в вы­воды вво­дят не­об­хо­димые поп­равки, по­лучен­ные опыт­ным пу­тем. Только пос­ле это­го дан­ные за­коно­мер­ности мо­гут быть ис­пользо­ваны для опи­сания те­чения ре­альных жид­костей.

Все жид­кости в оп­ре­делен­ной ме­ре пог­ло­ща­ют и рас­тво­ря­ют га­зы. Рас­тво­рение в жид­кости га­зов пред­став­ля­ет со­бой про­цесс про­ник­но­вения мо­лекул га­за из ок­ру­жа­ющей сре­ды че­рез сво­бод­ную по­вер­хность внутрь жид­кости. Ес­ли дав­ле­ние в ка­кой-ли­бо час­ти объема жид­кости уменьша­ет­ся (или тем­пе­рату­ра по­выша­ет­ся), на­ходя­щийся в ней газ нач­нет вы­деляться в ви­де пу­зырьков, на­руша­ет­ся од­но­род­ность жид­кости, ухуд­ша­ют­ся ее свойства.

В слу­чае по­яв­ле­ния в жид­кости пу­зырьков па­ра раз­ли­ча­ют два яв­ле­ния: ки­пение и ка­вита­цию жид­кости.

Ки­пение жид­кости — про­цесс об­ра­зова­ния пу­зырьков па­ра внут­ри жид­кости и вы­деле­ние их че­рез сво­бод­ную по­вер­хность в ок­ру­жа­ющую сре­ду.

Ка­вита­ция жид­кости — яв­ле­ние, ког­да пу­зырьки па­ра, или па­ровоз­душные пу­зырьки, по­яв­ля­ют­ся в дви­жущейся жид­кости, ког­да дав­ле­ние в ней ста­новит­ся ни­же дав­ле­ния на­сыщен­но­го па­ра этой жид­кости.

Ес­ли жид­кость на­ходит­ся в зам­кну­том прос­транс­тве, то пу­зырьки ос­та­ют­ся в ней и, по­падая в об­ласть по­вышен­но­го дав­ле­ния, с большой си­лой смы­ка­ют­ся (па­ровые пу­зырьки кон­денси­ру­ют­ся, а га­зовые сжи­ма­ют­ся). Раз­ру­шение пу­зырьков соп­ро­вож­да­ет­ся шу­мом, виб­ра­ци­ей и мес­тны­ми гид­равли­чес­ки­ми уда­рами, при­водя­щими к пос­те­пен­но­му эро­зийно­му раз­ру­шению ог­ра­ничи­ва­ющих по­ток твер­дых сте­нок.

Яв­ле­ние ка­вита­ции мо­жет воз­никнуть в лю­бой гид­равли­чес­кой сис­те­ме, ра­бота­ющей при дав­ле­нии ни­же ат­мосфер­но­го. Как пра­вило, ка­вита­ция яв­ля­ет­ся не­жела­тельным яв­ле­ни­ем и ее не сле­ду­ет до­пус­кать в гид­ро­сис­те­мах, так как она при­водит к сни­жению ко­эф­фи­ци­ен­та по­лез­но­го действия (КПД) гид­ро­машин.

Об­ли­тера­ция. За­ращи­вание уз­ких ще­лей и за­зоров вследс­твие ад­сор­бции (от­ло­жения) по­ляр­но-ак­тивных мо­лекул жид­кости на стен­ках на­зыва­ет­ся об­ли­тера­ци­ей. Об­ра­зу­ющийся у сте­нок слой жид­кости при­об­ре­та­ет свойства ква­зит­вердо­го те­ла, вяз­кость ко­торо­го от­ли­ча­ет­ся по ве­личи­не от вяз­кости жид­кости. В ре­зульта­те часть гра­нич­но­го слоя при­липа­ет к по­вер­хнос­ти ще­ли. Тол­щи­на это­го слоя для ма­сел рав­на 4…5 мкм, что мо­жет су­щес­твен­но уменьшить по­переч­ное се­чение ще­левых ка­налов и за­зоров или да­же пол­ностью их за­рас­тить.

 

 

Силы, действующие в жидкости

Вви­ду то­го что жид­кие час­ти­цы сво­бод­но пе­реме­ща­ют­ся от­но­сительно друг дру­га, в жид­кости не мо­гут действо­вать сос­ре­дото­чен­ные си­лы. Действу­ют только неп­ре­рыв­но рас­пре­делен­ные си­лы.

Си­лы, неп­ре­рыв­но рас­пре­деля­емые по мас­се (объему) жид­кости, на­зыва­ют­ся мас­со­выми си­лами. При­мера­ми мас­со­вых сил яв­ля­ют­ся си­лы тя­жес­ти, си­лы инер­ции и т.д. Мас­со­вые си­лы в со­от­ветс­твии со вто­рым за­коном Ньюто­на про­пор­ци­ональны мас­се жид­кости (или для од­но­род­ной жид­кости — ее объему).

Си­лы, неп­ре­рыв­но рас­пре­деля­емые по по­вер­хнос­ти, ог­ра­ничи­ва­ющей объем жид­кости, на­зыва­ют­ся по­вер­хностны­ми си­лами. Это си­лы, действу­ющие на жид­кость со сто­роны со­сед­них объемов сре­ды, твер­дых тел или га­зовой сре­ды, си­лы тре­ния, воз­ни­ка­ющие в дви­жущейся жид­кости. По­вер­хностные си­лы про­пор­ци­ональны пло­щади, ог­ра­ничи­ва­ющей этот объем жид­кости.

Мас­со­вые и по­вер­хностные си­лы в гид­равли­ке рас­смат­ри­ва­ют­ся обыч­но в ви­де еди­нич­ных, т.е. от­не­сен­ных к со­от­ветс­тву­ющим еди­ницам.

Мас­со­вые си­лы от­но­сят­ся к еди­нице мас­сы, а по­вер­хностные к еди­нице пло­щади. Так как мас­со­вая си­ла рав­на про­из­ве­дению мас­сы на ус­ко­рение, то еди­нич­ная мас­со­вая си­ла бу­дет рав­на со­от­ветс­тву­юще­му ус­ко­рению.

Еди­нич­ная по­вер­хностная си­ла чис­ленно рав­на со­от­ветс­тву­юще­му нап­ря­жению.

При­мер 1.1. Ре­зер­ву­ар, на­пол­ненный нефтью, на­ходит­ся под дав­ле­ни­ем 490 кПа. Пос­ле вы­пус­ка из не­го 40 л неф­ти дав­ле­ние в ре­зер­ву­аре упа­ло до 100 кПа. Оп­ре­делить вмес­ти­мость ре­зер­ву­ара, ес­ли ко­эф­фи­ци­ент объем­но­го сжа­тия неф­ти

Ре­шение. Ко­эф­фи­ци­ент объем­но­го сжа­тия оп­ре­деля­ет­ся по фор­му­ле (1.5), из ко­торой сле­ду­ет, что объем

где сос­та­вит

По­лучен­ный объем пред­став­ля­ет со­бой ис­ко­мую вмес­ти­мость ре­зер­ву­ара.

 



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: 2021-01-23 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: