Силы, действующие в реальной жидкости

Лекция №2

Тема: Общие сведения по гидравлике.

Общие сведения по гидравлике

Силы, действующие в реальной жидкости.

Виды и режимы движения жидкостей

Общие сведения по гидравлике

Гидравлика - наука, изучающая законы равновесия и движения различных жидкостей (не только воды).

Гидравлику подразделяют на гидростатику (законы равновесия жидкостей в состоянии покоя) и гидродинамику (законы движения жидкостей). При этом принято объединять жидкости, газы и пары под единым наименованием -жидкости, поскольку при скоростях потоков, значительно меньших, чем скорость звука, законы дви­жения жидкостей без существенных поправок справедливы для газов и паров. Поэтому в дальнейшем под жидкостями будем понимать все вещества, обладающие текучестью.

В гидромеханике при выводе основных законов используют понятие так называемой идеальнойжидкости, под которой (в отличие от реальной) подразумевают жидкость, абсолютно несжимае­мую, не изменяющую своей плотности под действием температуры и давления и не обладающую вязкостью.

Реальные жидкости подразделяют на капельные и упругие (газы иди пары). Капельные жидкости можно считать практически несжи­маемыми, они обладают относительно малым коэффициентом объемного расширения.

Силы, действующие в реальной жидкости

Жидкость в состоянии покоя или движения находится под дейст­вием различных сил, которые можно разделить на объемные, по­верхностные и линейные.

Объемные силы. Эти силы действуют на каждый элемент дан­ного объема жидкости и пропорциональны массе, заключенной в данном объеме. К ним относятся силы тяжести, силы инерции и центробежные силы.

Характеристикой интенсивности силы тяжести G, действующей на данный объем V, является удельный вес γ жидкости.

Поверхностные силы. К ним относятся силы давления и силы внутреннего трения (силы вязкости).

Параметром, отражающим действие сил давления жидкости на дно и стенки сосуда, в котором она находится, а также на поверх­ность любого погруженного в нее тела, является гидростатическое давление. Выделим внутри жидкости, находящейся в покое, площад­ку ΔS. На эту площадку по нормали к ней внутрь жидкости будет действовать сила давления столба жидкости ΔР. Отношение ΔРΔS представляет собой среднее гидростатическое давление, а предел этого отношения при ΔS→0 называют гидростатическим давле­нием в данной точке, или просто гидростатическим давлением Р.

В гидромеханике напряжения считают положительными, если они направлены вдоль нормали к поверхности S из объема V, поэтому нормальные напряжения, сжимающие данный объем, т.е. направленные внутрь объема, отрицательны. Вдальнейшембудемрассматривать только напряжения сжатия, так как растягивающи х напряжений реальные жидкости не выдерживают.

Гидростатическое давление. В системе единиц СИ гидростатическое давление выражают в Па (Н/м²), в технике же часто - в ат, кгс/см² или в единицах высоты (Н) столба манометрической или рабочей жидкости. Для пересчета давления, выраженного в одних единицах, в другие можно восполь­зоваться формулой Р=ρgН, а также соотношениями между раз­личными единицами давления:

1 ат = 1 ктс/см² = 10⁴ кг/м² = 10 мвод.ст. = 98 100 Па ≈ 0,1 МПа.

К поверхностным силам относятся также сила внутреннего трения (силы вязкости) F_s, направленные по касательной к поверх­ности, разграничивающей слои жидкости, перемещающиеся друг относительно друга. Касательные напряжения, создаваемые силами внутреннего трения, называют напряжениями сил внутреннего тре­ния, иди напряжениями сдвига.

Экспериментально установлено, что для многих жидкостей вели­чина, касательных напряжений сил трения т в данной точке элемента поверхности, разграничивающего два перемещающихся слоя жид­кости, пропорциональна градиенту скорости. В соответствии с этим в случае одномерного течения жидкости (см. рис.1.) напряжение внутреннего трения

(1)

где знак минус объясняется тем, что нормаль направлена в сторону уменьшения скорости.

Уравнение (1) выражает закон внутреннего трения Ньютона. Жидкости, в которых напряжения внутреннего трения подчиняются этому закону, называют ньютоновскими. Жидкости, при течении которых напряжения внутреннего трения не описываются уравнением (1), называют неньютоновскими. В технике обычно приходится иметь дело с ньютоновскими жидкостями, поэтому в дальнейшем основное внимание будет уделено именно этим жидкостям.

Коэффициент пропорциональности μ в уравнении (1) называют коэффициентом динамической вязкости, или динамической вязкостью; она имеет размерность

В практическихрасчетахчащевсегоиспользуюткоэффициент кинематической вязкости, равный отношению коэффициента динамической вязкости к плотности.

Линейные силы: поверностное натяжение.