Основные физические свойства жидкости.

Сведения по обеспечению студентов учебной и методической литературой

По дисциплине «Гидравлика»

Шифр и наименование направления подготовки (специальности):

20.03.01 Техносферная безопасность; 20.05.01 Пожарная безопасность

№ п/п	Автор, название литературного источника, город, издательство, год издания, количество страниц	Кол-во экз., в фондах библиотеки
Печатн.	Электр.
	Абросимов Ю.Г,Иванов А.И, Качалов и др. Гидравлика и противопожарное водоснабжение:Учебник. - М.: Академия ГПС МЧС России, 2013. - 392 с.		+
	Исаев М.Ю., Коренев В.П. Гидравлика и гидропневмопривод. Учебник – 2009, - 175 с.	-	+
	Схиртладзе А.Г. и др. Гидравлические и пневматические системы. – 2006, - 534 с.		+
	Калицун В.И. и др. Основы гидравлики и аэродинамики. – Учебник. – М.: Сройиздат, 2002. – 296 с.	-	+
	Булгаков В.И. Гидродинамика. Расчёт трубопроводов. Учебное пособие. Новогорск: АГЗ, 2002, - 151 с.	-	+

Основы гидравлики

Введение

Определение гидравлики как науки. Связь с другими дисциплинами.

Гидравлика - наука, изучающая законы равновесия и механического движения жидкости и разрабатывающая методы применения этих законов для решения задач инженерной практики.

Гидравлика опирается на такие науки как высшая математика, физика, теоретическая механика и начертательная геометрия. Вместе с гидромеханикой она является теоретической и практической базой при проектировании, строительстве и эксплуатации различных гидротехнических сооружений, трубопроводов и машин судостроения, машиностроения. Кроме того, она находит широкое применение в метрологии и измерительной технике.

Гидравлика непосредственно связана с интенсивно развивающейся в настоящее время наукой – теплотехникой, основу которой составляют термодинамика и теория тепломассообмена.

Гидравлика, как механика жидкости, подразделяется на гидростатику, в которой изучаются законы равновесия жидкостей, кинематику жидкости, изучающую связи между геометрическими характеристиками движения жидкости и временем (скорости и ускорения), и гидродинамику, изучающую законы движения жидкости с учетом действующих сил.

Слово «гидравлика» греческого происхождения – hydro (вода) и autos (труба), что значит – течение воды по трубам. В настоящее время гидравлика изучает более широкий круг проблем: движение жидкости в открытых руслах (каналах и реках), в различных водопроводных, водоотводных и гидротехнических сооружениях, движение грунтовых вод, а также движения других жидкостей (нефть, масла, различные растворы и т.п.) в трубопроводах и сооружениях.

Рождение научной дисциплины гидравлики, а точнее гидростатики, связывают с именем древнегреческого ученoгo Архимеда (287 - 212 г.г. до н.э.); закон его имени, изложенный в трактате «О плавающих телах» (250 г. до н.э.), не претерпел практически никаких уточнений до сих пор. После долгого застоя средневековья второе рождение гидравлики как науки обязано гениальному ученому эпохи Возрождения Леонардо да Винчи (1452 - 1549 гг.), которого справедливо признают основоположником гидрогазодинамики, так как он заложил основы науки в трудах по изучению принципов работы гидравлического пресса, принципов полета, истечения жидкости через отверстие, вопросов течения воды в каналах, через водосливы и др. и изобрел центробежный насос, парашют, анемометр.

Гидравлика как наука возникла гораздо раньше, чем термодинамика и теплопередача, что связано с общественной деятельностью человека. Многие ее фундаментальные законы, помимо Леонардо да Винчи, были открыты еще в XV-XVI вв. известными учеными:

- Галилео Галилей (1564-1642 г.г.), показал связь гидравлического сопротивления со скоростью и плотностью среды;

- Энрике Торричелли (1608-1647 г.г.), предложил формулу скорости истечения жидкости, используемую до сих пор;

- Блез Паскаль (1623-1662 г.г.), сформулировал закон о передаче внешнего давления одинаковым по всем направлениям;

- Исаак Ньютон (1642-1727 г.г.), описал законы внутреннего трения, дал теоретический вывод квадратичного закона сопротивления и установил закон динамического подобия.

В XVIII в. механикой жидкости занимались Д. Бернулли, Л. Эйлер, Ж. д' Аламбер, которые разработали основные законы движения жидкостей. В XIX в. с развитием техники увеличивается число исследовании характера движения жидкостей, гидравлических сопротивлений. В этот период плодотворно работают А. Пито, А. Шези, Сен-Венан, Ж. Пуазейль, Дарси, Вейсбах, О. Рейнольдс, Л. Прандтль.

Большую роль в развитии гидравлики сыграли русские и советские ученые: Н.П. Петров, Н.Е. Жуковский, Н.Н. Павловский, Н.Д. Чертоусова, Р.Р. Чугаев, И.И. Леви, А.Н. Колмогopoв и многие другие.

Основные физические свойства жидкости.

Жидкостью называется сплошная среда (капельные жидкости, газы и пары), обладающая легкоподвижностью (способностью легко изменять свою форму под действием внешних усилий). Жидкость неспособна сохранять собственную форму, она принимает форму сосуда, в котором она находится.

В отличии от твердых тел жидкости могут течь, если для этого создаются условия. Текучесть – это легкоподвижность частиц жидкости, обусловленная неспособностью её воспринимать касательные напряжения в состоянии покоя.

Легкоподвижностьитекучестьжидкостей объясняется тем, что молекулы вещества располагаются на больших расстояниях, чем в твердых телах, и силы взаимодействия между ними невелики.

Жидкости состоят из дискретно расположенных и непрерывно движущихся молекул, но в гидравлике они рассматриваются как сплошныесреды(гипотеза Даламбера - Эйлера). Допущения сплошности (или непрерывности) жидкостей сохраняют свою справедливость для подавляющего большинства гидрогазодинамических явлений; однако, эти допущения несправедливы, если анализируется движение молекул, а также, если нарушается сплошность среды в системах, состоящих из нескольких фаз (например, капельная жидкость и газ при барботировании и пр.). Допущение сплошности неприемлемо также при рассмотрении движения разреженногогаза, когда длина свободного пробега молекулы l становится соизмеримой с характерным размером потока L. В качестве критерия сплошности принимают безразмерное число Кнудсена

при Kn<0,1 можно рассматривать жидкость как сплошную среду, при Kn>0,1 следует рассматривать жидкость как свободномолекулярный поток.

Плотность жидкости. Плотность r характеризируется распределением массы M жидкости по объему V. В произвольной точке жидкости плотность:

, (1.1)

где – масса в объеме , стягиваемом в точку.

Плотность однородной жидкости:

.

Единицы плотности в системе СИ: [кг/м³].

Удельный вес однородной жидкости определяется отношением веса G=mg к объему жидкости V:

.

Связь между плотностью и удельным весом:

.

Единица удельного веса [Н/м³].

Сжимаемость жидкости. Различают жидкости сжимаемые и несжимаемые. Сжимаемыми являются воздух и другие газы. К несжимаемым жидкостям (жидкостям, не изменяющим плотности при изменении давления) относят т.н. капельные жидкости (вода, нефть, масла и др.), они способны образовывать капли.

Сжимаемые жидкости существенно изменяют объем при изменении давления и температуры. Сжимаемость – свойство жидкости изменять объем при изменении давления – количественно оценивается коэффициентом объемного сжатия (сжимаемостью):

который представляет собой относительное изменение объема на единицу изменения давления. Т.к. , то .

Величина обратная - модуль упругости жидкости, согласно закона Гука для жидкостей:

.

В физике пользуются обратной величиной по отношению к сжимаемости:

,

где а - скорость звука в данной среде.

Для несжимаемых капельных жидкостей b_v лежит в пределах (3...7,4)10^-9Па^-1, т.е. величиной, позволяющей пренебрегать сжимаемостью в большинстве инженерных расчетов. Для газов коэффициент объемного сжатия в десятки тысяч раз больше, поэтому газы сжимаемы.

Сжимаемость жидкостей при изменении температуры количественно оценивается коэффициентом температурного расширения

который для газов в десятки и сотни раз больше, чем для капельных жидкостей (например, для воды b_t =15×10^-5, Т^-1, для воздуха b_t=3,66×10^-3Т^-3).

Вязкость – свойство жидкости оказывать сопротивление относительному сдвигу слоев. Это свойство проявляется в том, что в реальной жидкости при движении возникают касательные напряжения .

Вязкость капельных жидкостей уменьшается с ростом температуры, вязкость газов – наоборот увеличивается.

В гидравлике жидкости разделяются на идеальные и реальные. Идеальной, или невязкой, называют жидкость, при движении которой отсутствуют силы внутреннего трения (жидкость, лишенная вязкости). Для идеальнойжидкости характерны поля равных скоростей, такая жидкость не изменяет объем при изменении температуры и давления.

Для реальной, или вязкой жидкости характерно наличие сил внутреннего трения. Если поток жидкости направить вдоль пластины (рис. 1), то бывшее равномерным распределение скоростей (поле скоростей) изменится. У поверхности пластины скорость станет равной нулю (эффект «прилипания»), а по мере удаления от поверхности она будет увеличиваться. Между слоями жидкости, движущимися с разными скоростями (w) и (w+dw), возникнет сила внутреннего трения. Согласно гипотезе Ньютона эти напряжения зависят от рода жидкости и характера течения. Касательное напряжение этой силы t пропорционально градиенту скорости:

, Па (Н/м²). (1.2)

Рисунок 1. Течение вязкой жидкости

В уравнении (1.2), полученном И. Ньютоном, коэффициент пропорциональности h называется динамическим коэффициентом молекулярной вязкости (чаще: коэффициент динамической вязкости, имеющий размерность Па×с в СИ), - поперечный градиент скорости, определяющий изменение скорости w на единицу длины в направлении нормали n.

Зависимость h от температуры представлена формулой Сатерленда:

где µ₀ – динамический коэффициент вязкости при некоторой температуре T₀; T_S − постоянная Сатерленда. К примеру, для воздуха T_S = 122К.

Жидкости, подчиняющиеся уравнению Ньютона (т.е. с прямой пропорциональностью между касательным напряжением и градиентом скорости) называются ньютоновскими. Большинство жидкостей (вода, воздух, горючие газы, продукты сгорания и др.) являются ньютоновскими. Некоторые жидкости, такие, как мазуты вблизи температуры застывания, бетоны и др. начинают двигаться только после того, как касательные напряжения достигнут определенной величины t₀ (начальное напряжение сдвига). Эти жидкости называются неньютоновскими, а связь между касательным напряжением и градиентом скорости описывается выражением

.

В уравнениях гидравлики часто используется отношение n = h/r (м²/с), которое получило название кинематический коэффициент молекулярной вязкости (чаще: коэффициент кинематической вязкости), единица измерения м²/с (СИ) или Стокс, 1Ст= м²/с (СГС).

В зависимости от относительной значимости сил вязкости и сил инерции характер движения жидкости, ограниченной твердыми стенками, может сильно отличаться. Различают ламинарное итурбулентное движение. При ламинарном или слоистом движении соседние слои жидкости движутся, практически не перемешиваясь. Смежные слои могут быть и изогнутыми, однако макроскопического перемешивания не будет происходить. Для турбулентного движения характерно беспорядочное, бурное перемещение жидких частиц и интенсивное макроперемешивание как поперек, так и в направлении основного течения. В 1883 г. Осборн Рейнольдс наглядно показал существование двух режимов (опыт с тонкой струйкой краски, вводимой в воду, текущую по стеклянной трубке), а также предложил критерий для определения вида движения - критерий Рейнольдса:

(1.3)

Рисунок 2. Ламинарное (а) и турбулентное (б) движения жидкости

где w - скорость, l - характерный линейный размер.

При превышении определенных значений Re ламинарное течение нарушается. Например, для прямых закрытых каналов и труб Re_кр=2300; при значениях Re больше критического силы инерции преобладают над силами вязкости и возникает турбулентное течение. Для ламинарного движения характерно параболическое распределение скоростей по сечению потока у стенки до w_max на оси (в круглой трубе - параболоид вращения) (рис.2); для турбулентного потока характерно наличие пристенного пограничного слоя, в котором скорость меняется от 0 до w_мах и ядра потока, в котором скорость практически одинакова.

В гидравлике различают также течения: стационарные т.е. с неизменяемым во времени полем скоростей и других физических величин, и нестационарные; установившиеся (стабилизированные) и неустановившиеся (нестабилизированные, когда поля скоростей в двух соседних сечениях отличаются).

В гидрогазодинамике используется известное из курса физики соотношение между параметрами состояния идеального газа (p, v, T):

. (1.4)

Чаще приходится иметь дело с плотностью - величиной обратной удельному объему: . Тогда объединенное уравнение Бойля-Мариотта и Гей-Люссака (1.4) можно записать в виде .

Если в качестве одного из состояний принять так называемые нормальные физические условия (Н.Ф.У): р₀=101,3 кПа, Т₀=273 К, а плотность при этих условиях обозначить r₀, то плотность газа при любых других (действительных) условиях (Д.Ф.У) может быть рассчитана по формуле

. (1.5)

Если левую и правую часть уравнения состояния умножить на массу m (кг), то получим произведение v×m, равное объему массы V' (м³), а связь объема с температурой и давлением определится из выражения

.

Для расхода газа V= V'/t (м³/с) и для скорости w= V/F (м/с) соответственно

(1.6)

и

. (1.7)

Гидростатика изучает теорию равновесия жидкостей и газов.

Все силы, действующие в жидкости, по своей природе или по характеру действия разделяют на внутренние (например, сила внутреннего трения) и внешние. Последние разделяют также на объемные или массовые, приложенные к любой материальной точке (силы тяжести, электромагнитные, в т.ч. силы Лоренца и силы электростатического напряжения, и силы инерции - Кориолисова сила, центробежная сила и др.), и поверхностные, которые воздействуют на поверхности, ограничивающие объем жидкости (например, силы давления).

Массовые или объемные, силы пропорциональны массе выделенного объема. Поверхностные силы действуют лишь на поверхность выделенного объема. Они имеют две составляющие: нормальную и касательную.

В покоящейся жидкости поверхностные силы направлены по нормали к элементу поверхности выделенного объема. В движущейся вязкой жидкости имеют место и нормальные, и касательные составляющие поверхностных сил. Последние определяют силы трения.

Вектор плотности массовой силы равен:

, , (1.8)

где - масса элементарного объема ; - главный вектор массовых сил.

В отличие от объемных сил, вектор которых для частицы среды определяется однозначно, величина поверхностной силы в точке в общем случае зависит от выбора направления элементарной площадки.

Обычно рассматриваются не сами поверхностные силы, а их напряжения (давления):

, ,

где - главный вектор поверхностных сил, приложенный к некоторой площадке .

Единицы измерения давления:

- техническая атмосфера: ;

-

- В системе СИ: или .

Последняя единица очень мала, поэтому используют укрупненные: , и внесистемную единицу бар или мбар и мкбар.