Гидравлика что это основное понятие

Основные понятия и принципы гидравлики

Основные понятия и принципы.

Введение.

Данный цикл статей рассчитан на широкий круг эксплуатантов гидравлического оборудования с различным уровнем теоретической подготовки в области гидравлики. Данный цикл статей не является полным и исчерпывающим, а несет некоторые базовые сведения о физических принципах работы гидросистем и гидравлических агрегатах. Статьи содержат в себе обзорную информацию с акцентом на вопросы, наиболее часто вызывающие затруднения у наших клиентов.

Гидравлика в наши дни прочно укоренилась в различных машинах и механизмах. Гидросистемы нашли широкое распространение в станочной технике, манипуляторах, подъемных устройствах, дорожной технике, автотранспорте, в механизмах летательных аппаратов, водного транспорта и т.д. Повсеместное применение гидравлических систем взамен систем механических приводов обусловлено прежде всего простотой преобразования вращательного движения гидронасоса в поступательное (линейное) или вращательное движение исполнительного гидродвигателя. При правильном подборе гидронасоса и исполнительного гидродвигателя можно получить практически любое усилие. Также преимуществом гидропривода является его компактность, малые размеры гидроагрегатов – следствие высокой удельной мощности. На рис.1 представлен электрический генератор мощностью 50 кВт и приводящий его гидромотор той-же мощности. Наглядно видно что гидромотор имеет заметно меньшие размеры при равной мощности.

Рассмотрим основные понятия и принципы гидравлики.

Понятие давления.

Давление это величина численно равная значению действию силы на единицу площади см. рис.2

Упрощенно данную зависимость можно представить аналогично закону Ома в электротехнике:

Основная единица измерения давления – Паскаль [Па]

Таблица 1. Соотношения единиц измерения давления.

Гидростатическое давление – давление покоящегося столба жидкости.

Внутри столба жидкости под тяжестью массы жидкости, действующей на определенную площадь возникает давление, которое зависит от высоты столба жидкости (h), плотности жидкости (ρ) и ускорения свободного падения (g).

P= ρ ∙g∙h

Если рассматривать различные формы сосудов, наполненных одной и той-же жидкостью то давление в определенной точке будет зависеть только от высоты столба жидкости. Р1=P2=P3 см. рис. 3.

Закон Паскаля

Одним из основных законов гидравлики является закон Паскаля. Он гласит что давление в замкнутом сосуде вызванное действием внешней силы равномерно распределяется во всех направлениях и одинаково в любой точке. (в данном законе не учитывается гидростатическое давление т.к. оно ничтожно мало по сравнению с значениями давлений действующими в гидросистемах). См рис.4.

Закон Паскаля лежит в основе принципа передачи усилия посредством гидравлики. Рис.5.

Как следует из закона Паскаля давление во всех точках рабочей жидкости одинаково, следовательно:

В качестве простого примера применения данного принципа может служить обычный гидравлический домкрат.

Заключение

В данной статье описаны основные принципы используемые в системах гидростатического привода. На основе этих законов построены практически все гидросистемы станочных приводов и мобильных машин. Владея всего несколькими законами гидравлики, читатель сможет выполнить силовой расчет исполнительного гидроцилиндра и оценить преимущества применения гидропривода.

Внимание! Данная статья авторская. При копировании ее с сайта обязательно указывать источник!

Источник

Основы гидравлики

Учебные вопросы:

Основные физические свойства жидкости.

В отличие от твердого тела жидкость характеризуется малым сцеплением между частицами, вследствие чего она обладает текучестью и принимает форму сосуда, в который ее помещают.

Жидкости подразделяют на два вида:

Капельные жидкости обладают большим сопротивлением сжатию (практически несжимаемы) и малым сопротивлением касательным и растягивающим усилиям (из-за незначительного сцепления частиц и малых сил трения между частицами).

К капельным жидкостям относятся вода, бензин, керосин, нефть, ртуть и другие

Газообразные жидкости характеризуются почти полным отсутствием сопротивления сжатию.К газообразным жидкостям относятся все газы.

К основным физическим свойствам жидкости относятся:

Плотность — это отношение массы к объему, занимаемому этой массой. Плотность измеряют в системе СИ в килограммах на кубический метр (кг/м3). Плотность воды составляет 1000 кг/м3.

Используются также укрупненные показатели: – килопаскаль — 1 кПа= 103 Па; – мегапаскаль — 1 МПа = 106 Па.

Сжимаемость жидкости — это ее свойство изменять объем при изменении давления. Это свойство характеризуется коэффициентом объемного сжатия или сжимаемости, выражающим относительное уменьшение объема жидкости при увеличении давления на единицу площади. Для расчетов в области строительной гидравлики воду считают несжимаемой. В связи с этим при решении практических задач сжимаемостью жидкости обычно пренебрегают.

Величина, обратная коэффициенту объемного сжатия, называется модулем упругости. Модуль упругости измеряется в паскалях

Температурное расширение жидкости при ее нагревании характеризуется коэффициентом температурного расширения, который показывает относительное увеличение объема жидкости при изменении температуры на 1 С.

В отличие от других тел объем воды при ее нагревании от 0 до 4 °С уменьшается. При 4 °С вода имеет наибольшую плотность и наибольший удельный вес; при дальнейшем нагревании ее объем увеличивается. Однако в расчетах многих сооружений при незначительных изменениях температуры воды и давления изменением этого коэффициента можно пренебречь.

Вязкость жидкости — ее свойство оказывать сопротивление относительному движению (сдвигу) частиц жидкости. Силы, возникающие в результате скольжения слоев жидкости, называют силами внутреннего трения, или силами вязкости.

Силы вязкости проявляются при движении реальной жидкости. Если жидкость находится в покое, то вязкость ее может быть принята равной нулю. С увеличением температуры вязкость жидкости быстро уменьшается; остается почти постоянной при изменении давления.

Гидростатика

Гидростатикой называется раздел гидравлики, в котором рассматриваются законы равновесия жидкости и их практическое применение.

В покоящейся жидкости всегда присутствует сила давления, которая называется гидростатическим давлением.

Жидкость оказывает силовое воздействие на дно и стенки сосуда. Частицы жидкости, расположенные в верхних слоях водоема, испытывают меньшие силы сжатия, чем частицы жидкости, находящиеся у дна.

Гидростатическое давление обладает свойствами

Основное уравнение гидростатики

Рассмотрим распространенный случай равновесия жидкости, когда на нее действует только одна массовая сила – сила тяжести, и получим уравнение, позволяющее находить гидростатическое давление в любой точке рассматриваемого объема жидкости. Это уравнение называется основным уравнением гидростатики.

Запишем сумму сил, действующих на рассматриваемый объем в проекции на вертикальную ось:

Последний член уравнения представляет собой вес жидкости, заключенный в рассматриваемом вертикальном цилиндре объемом hdS. Силы давления по боковой поверхности цилиндра в уравнение не входят, т.к. они перпендикулярны к этой поверхности и их проекции на вертикальную ось равны нулю. Сократив выражение на dS и перегруппировав члены, найдем:

Полученное уравнение называют основным уравнением гидростатики. По нему можно посчитать давление в любой точке покоящейся жидкости. Это давление, как видно из уравнения, складывается из двух величин: давления P0 на внешней поверхности жидкости и давления, обусловленного весом вышележащих слоев жидкости.

Пьезометрический и гидростатический напоры

Рассмотрим закрытый сосуд с жидкостью, к которому в точках А и В на произвольной глубине присоединены пьезометры I и II (рис. 9).

Давление на свободной поверхности в сосуде больше атмосферного. Трубка I сверху открыта и давление на свободной поверхности в ней равно атмосферному. Трубка II сверху запаяна, из нее удален воздух, т.е. давление в ней равно нулю.

Для определения вертикальных координат точек А и В проведем на произвольной высоте горизонтальную плоскость 0-0. Эта плоскость называется плоскостью сравнения. Вертикальное расстояние от плоскости сравнения до рассматриваемой точки называется геометрической высотой точки по отношению к плоскости сравнения и обозначается буквой. За плоскость сравнения может быть принят уровень земли, пола.

Так как давление в сосуде на свободной поверхности жидкости больше атмосферного, то в пьезометрических трубках I и II жидкость поднимется на большую высоту, чем уровень жидкости в сосуде. Обозначим высоту поднятия жидкости в открытом пьезометре через – пьезометрическая высота, а высоту поднятия жидкости в закрытом пьезометре через – приведенная высота.

Сумма геометрической высоты и пьезометрической для любой точки жидкости будет величиной постоянной и называется пьезометрическим напором:

Подставив это выражение в формулу (1) получим:

это сумма приведенной высоты и геометрической высоты положения, называемая гидростатическим напором Hs.

В уравнении (5) Hs=const для любой точки жидкости, а не зависит от положения точки. Значит:

Поэтому, сколько бы мы пьезометров не подключили, во всех пьезометрах жидкость установится на одном уровне: плоскость, соответствующая уровню П–П, называется пьезометрической плоскостью, а уровню Н–Н – напорной плоскостью.

Удельная потенциальная энергия, т.е. энергия приходящаяся на единицу веса частицы будет соответственно равна:

Аналогично, гидростатический напор Hs является также мерой удельной потенциальной энергии жидкости, но большей по сравнению Hp на величину удельной потенциальной энергии атмосферного давления.

Вакуум. Закон Паскаля.

Вакуум — пространство, свободное от вещества. В технике и прикладной физике под вакуумом понимают среду, содержащую газ при давлении значительно ниже атмосферного. Вакуум характеризуется соотношением между длиной свободного падения молекул газа λ и характерным размером среды d. Под d может приниматься расстояние между стенками вакуумной камеры, диаметр вакуумного трубопровода и т. д. В зависимости от величины соотношения λ/d различают низкий, средний и высокий вакуум.

Насос для демонстрации вакуума

Законом Паскаля в гидростатике называется следующее утверждение,сформулированное французским учёным Блезом Паскалем: давление, производимое на жидкость или газ, передается в любую точку без изменений во всех направлениях.

На основе закона Паскаля работают различные гидравлические устройства: тормозные системы, гидравлические процессы и др.

В законе Паскаля речь идет не о давлениях в разных точках гидравлической системы, а о возмущениях давления в разных точках, поэтому закон справедлив и для жидкости в поле силы тяжести.

В случае движущейся несжимаемой жидкости можно условно говорить о справедливости закона Паскаля, ибо добавление произвольной постоянной величины к давлению не меняет вида уравнения движения жидкости, однако в этом случае термин закон Паскаля обычно не применяется. Для сжимаемых жидкостей (газов) закон Паскаля, вообще говоря, несправедлив.

Виды движения жидкости

Виды движения жидкости бывают:

Примерами неустановившегося движения являются опорожнение резервуаров, водохранилищ, движение воды в реках при переменном уровне (при паводках, сбросах воды через плотину) и т. д.

сброс воды через плотину

Установившимся – наз. движение жидкости неизменное во времени, при котором давление и скорость являются функциями только координат, но не зависит от времени. u = f1(x, y, z); p = f2(x, y, z).

Установившееся движение подразделяется на:

Равномерное движение характеризуется постоянством параметров по длине потока. Примерами такого движения являются движения в трубах постоянного сечения и в каналах правильной формы. Поле линий тока равномерного движения – семейство параллельных прямых.

В зависимости от причин, вызывающих движение, и условий, в которых оно происходит, различают:

Напорное движение происходит в потоке, со всех сторон ограниченном твердыми стенками. Давление во всех точках потока отлично от атмосферного и может быть как больше, так и меньше последнего. Движение происходит под действием разности давлений по длине потока, которая может быть создана водонапорной башней, питающим баком, насосной установкой.

Безнапорное движение происходит под действием силы тяжести при наличии свободной поверхности жидкости. Примерами безнапорного движения является движение в реках, каналах и трубах, когда сечение последних не полностью заполнено жидкостью.

Гидродинамика

Предметом изучения гидродинамики является движущаяся жидкость. Как было указано ранее, все без исключения физические и химические процессы, которые составляют основу промышленных технологических процессов, происходят в динамических условиях, в условиях движения текучих сред.

При движении жидкостей под воздействием внешних сил в потоках прежде всего формируются поля скоростей микро- и макрочастиц, которые определяют формирование температурных и полей концентраций веществ, что в конечном итоге обусловливает скорость протекания процессов.

На движущуюся жидкость, кроме сил, которые действовали на покоящуюся жидкость (поверхностные силы гидростатического давления и массовые силы: силы тяжести и внешние силы инерции), действуют дополнительные силы инерции и силы трения. В отличие от гидростатического давления, величина которого не зависит от ориентации поверхности, на которое оно действует, возникающее при движении гидродинамическое давление благодаря развитию напряжениям сдвига (касательным силам), различно в направлении осей X, Y и Z.

Наличие сил внутреннего трения между движущимися частицами жидкости (в соответствии с законом внутреннего трения Ньютона) является первопричиной различия скоростей движения в различных точках по поперечному сечению канала. Характер этого различия, который обусловливается характером связи между давлением и скоростью движения частиц в любой точке потока. Это и является основной задачей теории гидродинамики.

Уравнение неразрывности потока.

Уравнение неразрывности потока отражает закон сохранения массы: количество втекающей жидкости равно количеству вытекающей. Например, на рис. 15 расходы во входном и выходном сечениях напорной трубы равны: q1 = q2.

Схема к уравнению неразрывности потока.

С учётом, что q = Vw, получим уравнение неразрывности потока:

Если отсюда выразим скорость для выходного сечения:

то легко заметить, что она увеличивается обратно пропорционально площади живого сечения потока. Такая обратная зависимость между скоростью и площадью является важным следствием уравнения неразрывности и применяется в технике, например, при тушении пожара для получения сильной и дальнобойной струи воды.

Ламинарный и турбулентный режим движения жидкости.

Наблюдения показывают, что в природе существует два разных движения жидкости:

От чего зависит характер движения жидкости, установил Рейнольдс в 1883 году путем. Эксперименты показали, что переход от ламинарного к турбулентному движению происходит при определенной скорости (критическая скорость), которая для труб различных диаметров неодинакова: при увеличении диаметра она увеличивается, критическая скорость так же увеличивается при увеличении вязкости жидкости. Рейнольдс вывел общие условия существования ламинарного и турбулентных режимов движения жидкости. По Рейнольдсу режима движения жидкости зависят от безразмерного числа, которое учитывает основные, определяющие это движение: среднюю скорость, диаметр трубы, плотность жидкости и ее абсолютную вязкость.

Это число называется числом Рейнольдса:

При числе Рейнольдса наблюдается ламинарный режим движения, при числе Рейнольдса – турбулентный режим движения жидкости. Чаще критическое значение числа принимают равным это значение соответствует переходу движения жидкости от турбулентного режима к ламинарного.

При переходе от ламинарного режима движения жидкости к турбулентному критическое значение имеет большее значение. Критическое значение числа Рейнольдса увеличивается в трубах, сужаются, и уменьшается в тех, что расширяются. Это объясняется тем, что при сужении поперечного сечения скорость движения частиц увеличивается, поэтому тенденция к поперечного перемещения уменьшается.

Уравнение Бернулли.

Закон (уравнение) Бернулли является следствием закона сохранения энергии для стационарного потока идеальной (то есть без внутреннего трения) несжимаемой жидкости:

p — плотность жидкости,

h— высота, на которой находится рассматриваемый элемент жидкости,

p— давление в точке пространства, где расположен центр массы рассматриваемого элемента жидкости,

g— ускорение свободного падения.

Константа в правой части часто называется полным давлением и зависит, в общем случае, от линии тока.

Соотношение, близкое к приведенному выше, было получено в 1739 г. Даниилом Бернулли, с именем которого обычно связывают интеграл Бернулли. В современном виде интеграл был получен Иоганном Бернулли около 1740 года.

Bernoulli Johann 1667-1748

СВОЙСТВА ГАЗОВ И ЖИДКОСТЕЙ

Список литературы:

ž1. В.П. Гусев «Основы гидравлики», Томск, 2009 г.

ž2. Бретшнайдер С. «Свойства газов и жидкостей», Москва

Источник

Основные понятия гидравлики

Курс лекций по дисциплине

ПАХТ

Транспортирование жидкостей и газов

Насосные установки предприятий83

основные понятия гидравлики

Основу механики сплошных сред составляют единые дифференциальные уравнения, описывающие механическое движение сред и учитывающие их специфические свойства. Жидкости и газы с точки зрения механики различаются только степенью сжимаемости. В условиях, когда это свойство не является определяющим, решения уравнений движения сплошной среды оказываются одинаковыми как для жидкостей, так и для газов.

Знания законов механики жидкости и газа необходимы для решения многих практических вопросов пищевой промышленности: расчета трубопроводных систем для перемещения воды, воздуха, газа и других жидкостей, устройств для передачи тепловой энергии (теплообменные аппараты) и для осуществления обмена массой между средами (массообменные аппараты), конструирования машин, сообщающих жидкости механическую энергию (насосы, вентиляторы, холодильные установки), проектирования сушильных установок, воздухо- и газоочистных аппаратов, вентиляционных устройств и кондиционеров.

Модели жидкой среды и методы исследования. В силу своего молекулярного строения любая жидкость является дискретным веществом. Однако предполагается, что жидкость можно считать сплошной материальной средой, непрерывно заполняющей пространство без пустот и разрывов, допускающей неограниченную делимость ее материальных частичек. Все характеристики жидкости являются непрерывными функциями, имеющими непрерывные частные производные по всем своим аргументам. При таком предположении становится возможным применять к жидкости современный математический аппарат дифференциального и интегрального исчислений. Но это же предположение накладывает и определенные ограничения на полученные математические зависимости, которые будут несправедливы для объектов, размеры которых соизмеримы с длиной свободного пробега молекул (движение жидкости в микроскопических каналах, движение макроскопических тел в разреженных газах).

В технической гидромеханике используется понятие об идеальной жидкости, которая, в отличие от реальной (вязкой) жидкости, абсолютно несжимаема под действием сил давления, не изменяет плотности при изменении температуры и не обладает вязкостью.

Реальные жидкости делятся на два класса: малосжимаемые (капельные) и сжимаемые (газообразные). Капельные жидкости обладают вполне определенным объемом, который практически не изменяется под действием сил. Газы, занимая все предоставленное им пространство, значительно изменяют объем, сжимаются и расширяются под действием сил. Капельные жидкости легко изменяют форму, но с трудом изменяют объем, а газы легко изменяю как объем, так и форму.

Для изучения законов равновесия и движения жидкости широко используются математические (аналитические) и экспериментальные методы. Благодаря математическим методам исследования, заключающимся в составлении и интегрировании дифференциальных уравнений движения жидкости, полученные результаты обладают строгостью и точностью. Однако в большинстве случаев характер движения жидкостей оказывается настолько сложным, что составить уравнения, точно описывающие движение, не представляется возможным. Поэтому широко используют приближенные уравнения и методы их решения.

К математическим методам относятся: метод бесконечно малых величин, контрольных объемов, статистический.

Метод контрольных объемов (метод конечных объемов или метод средних величин). Этот метод позволяет переходить от уравнения, определяющего значение величины в точке, на конечный объем, выделенный в потоке жидкости (значение средних скоростей потока, уравнение неразрывности потока, уравнение Бернулли для потока жидкости).

Статистический метод основан на представлении о жидкости как о среде, состоящей из отдельных частиц. С помощью аппарата математической статистики исследуются массовые явления в жидкости: вычисляется среднее значение параметра, характеризующего массовое явление, а затем изучается распределение отдельных явлений и количественный анализ поведения отдельных частиц.

Экспериментальный метод основывается на теории инженерного эксперимента, которая учит, как ставить и планировать эксперимент, правильно производить измерения, обобщать результаты отдельных опытов и распространять их на целые классы явлений, устанавливая при этом нужные количественные зависимости. Основой теории инженерного эксперимента является обобщенный анализ, включающий классическую теорию подобия, методы характеристических масштабов и анализа размерностей. Экспериментальный метод используется при проектировании гидравлических машин, определении сопротивлений в каналах сложной формы и т. д.

Метод аналогий является одной из разновидностей экспериментального метода моделирования явлений. В 1922 году академик Н.Н. Павловский установил, что процессы фильтрации (движения жидкостей в пористых слоях твердого материала) и движение электрического тока в проводящей среде аналогичны и описываются одними и теми же дифференциальными уравнениями Лапласа. Это позволило создать метод электрогидродинамических аналогий.

Основные физические свойства жидкостей. Рассмотрим физические свойства, существенные для задач технической гидромеханики.

Плотность и удельный вес жидкости. Истинной плотностью r жидкости в точке называют предел отношения массы элементарного жидкого объема dт к этому объему dV при стремлении последнего к нулю:

. (1.1)

Истинным удельным весом жидкости g в точке называется предел отношения веса dG элементарного жидкого объема к этому объему при стремлении последнего к нулю:

. (1.2)

Удельный вес и плотность связаны между собой

, (1.3)

Плотность и удельный вес капельных жидкостей значительно выше, чем соответствующие характеристики упругих жидкостей, и сравнительно мало изменяются под действием давления или при изменении температуры. Плотность газов рассчитывается на основе уравнения состояния идеальных газов:

, (1.4)

где р – давление, Н/м 2 ; Т – температура, К; R – универсальная газовая постоянная R = 8,314 кДж/(кмоль×К); М – масса 1 кмоль (мольная масса) газа, кг/кмоль.

Плотность является свойством, характеризующим инерционность жидкости, тогда как удельный вес одновременно отражает свойства гравитационного поля, в котором находится данная жидкость. Поэтому использование плотности является более предпочтительным при выводе различного рода уравнений, а иногда единственно возможным.

В общем случае плотность и удельный вес жидкости являются функциями давления и температуры. Однако для капельных жидкостей эти зависимости очень незначительны (при повышении давления и понижении температуры плотность и удельный вес капельных жидкостей, как правило, увеличиваются очень медленно). Для газов же эти зависимости весьма существенны и устанавливаются термодинамическим уравнением состояния данного газа. Для практических расчетов можно пользоваться уравнением состояния идеального газа:

Под идеальным газом в термодинамике понимают газ, у которого молекулы не взаимодействуют на расстоянии и являются материальными точками (т. е. не имеют размеров).

В ряде задач гидравлики вместо истинной плотности или удельного веса жидкости используются их средние значения, которые определяются как отношение массы или веса конечного объема жидкости к этому объему,

Для однородных жидкостей, свойства которых одинаковы по всем направлениям, истинные плотность и удельный вес оказываются одинаковыми в любой точке и равными их средним значениям.

По физическому смыслу динамическая вязкость жидкости представляет собой силу внутреннего трения (сдвигающую силу), приходящуюся на единицу поверхности соприкасающихся слоев жидкости при градиенте скорости равном единице. Наряду с динамической вязкостью жидкости в гидравлике широко используется кинематическая вязкость n. Связь между этими вязкостями устанавливается формулой:

. (1.6)

В гидравлике влиянием вязкости иногда пренебрегают. Жидкость, лишенную вязкости называют идеальной. В ряде случаев аналитические решения, полученные для идеальной жидкости, хорошо согласуются с опытами на реальной жидкости. В некоторых же задачах уравнения, выведенные для идеальной жидкости, могут быть применимы к реальным жидкостям лишь после введения поправочных коэффициентов и даже дополнительных членов, проверенных опытом, и такая идеализация жидкости оказывается неоправданной.

Закон Ньютона (1.16) справедлив для жидкостей с небольшой молекулярной массой, вязкость которых является функцией температуры и давления, но не зависит от скорости сдвига. У таких жидкостей, носящих название ньютоновские, зависимость tот скорости сдвига (кривая течения) является линейной. Жидкости, не подчиняющиеся закону Ньютона и обнаруживающие зависимость вязкости от скорости сдвига (коллоидные суспензии, высокомолекулярные соединения), называются неньютоновскими; их кривая течения является нелинейной. Однако в промышленности приходится иметь дело и с неньютоновскими жидкостями, обладающими аномальными свойствами (растворы многих полимеров, коллоидные растворы, густые суспензии, пасты и др.).

Вязкость оказывает существенное влияние на режимы течения жидкостей и на сопротивления, возникающие при их движении. Поэтому интенсификация многих гидродинамических, а также тепловых и массообменных процессов часто достигается при уменьшении вязкости среды, например путем повышения температуры капельных жидкостей.

Ньютоновские жидкости разделяют на группы со следующими свойствами:

1) скорость сдвига в данной точке зависит только от напряжения в этой точке (реологические стационарные жидкости);

2) скорость сдвига зависит от продолжительности действия напряжения (реологические нестационарные жидкости);

3) сочетание свойств твердого тела и жидкости, проявляющиеся в виде упругого восстановления формы после снятия напряжения (вязкоупругие жидкости).

Сжимаемость. Сжимаемостью называют свойство жидкости изменять свой объем под действием давления. С ростом давления объем жидкости уменьшается.

Сжимаемость жидкости характеризуется коэффициентом объемного сжатия b (м 2 /Н), который определяется вытекающим из закона Гука соотношением,

, (1.7)

По физическому смыслу коэффициент объемного сжатия представляет собой относительное изменение объема жидкости , приходящееся на единицу изменения давления dp.

Величину, обратную коэффициенту объемного сжатия, называют объемным модулем упругости жидкости

. (1.8)

Газы же, наоборот, обладают очень значительной сжимаемостью, так что ею можно пренебречь довольно редко. Сжимаемость газов, как правило, учитывают введением в анализ термодинамического уравнения состояния газа, которое для идеального газа имеет вид (1.4).

Сжимаемость характеризуется следующей формулой:

, (1.9)

Для оценки сжимаемости среды при ее движении важно не абсолютное значение скорости звука, а отношение скорости течения uк скорости звука a, которое называется числом Маха

. (1.10)

Прочность на разрыв. При решении практических задач предполагают, что жидкости и газы не оказывают сопротивления растягивающим усилиям. Для газов это является очевидным благодаря их свойству безгранично расширяться.

Капельная жидкость не заполняет весь объем сосуда, в котором она находится, а образует на границе с окружающим ее газом свободную поверхность. Исследования показывают, что если стенки сосуда тщательно очищены и жидкость не содержит газа, прочность ее на разрыв может оказаться довольно значительной (для воды до 2800 Н/см 2 ). Однако эта цифра соответствует представлению о разрыве жидкости, происходящем одновременно во всем ее объеме. В действительности разрыв всегда начинается в одном наиболее «слабом» месте. Наличие в жидкости растворенного воздуха и различных примесей (растворенных солей, твердых частиц и т. д.) снижает ее прочность жидкости почти до нуля.

Капиллярность. Поверхностный слой капельной жидкости на ее свободной поверхности находится в особом напряженном состоянии, вызываемом неуравновешиваемостью действия молекулярных сил и характеризуемом силами поверхностного натяжения. Обычно этими силами в гидравлике пренебрегают, однако в некоторых случаях их влияние становится заметным.

Например, в трубках малого диаметра уровень жидкости, смачивающей стенки, поднимается (Рис. 1.1, а) и опускается, если стенки не смачиваются (рис. 1.1, б) по сравнению с уровнем при отсутствии поверхностного натяжения. Это явление называют капиллярностью.

Рис. 1.1. Капиллярность при смачивании жидкостью стенок трубки (а) и при отсутствии смачиваемости (б)

Высота капиллярного поднятия воды h в стеклянной трубке диаметром d мм, при 20 °С , для ртути при тех же условиях .

Состояние насыщения. При определенных условиях жидкость может переходить в пар. Если парообразование происходит с поверхности жидкости, то такой процесс называют испарением.

Растворимость газов в жидкостях происходит при всех условиях, но количество растворенного газа в единице объема жидкости различно для разных жидкостей и изменяется с увеличением давления

, (1.11)

При понижении давления в жидкости происходит выделение растворенного в ней газа, причем газ выделяется из жидкости интенсивнее, чем растворяется в ней.

Поверхностное натяжение. В некоторых процессах пищевой технологии капельная жидкость при движении соприкасается с газом или с другой капельной жидкостью, практически не смешиваясь с ними. Поверхность раздела между фазами стремится к минимуму под действием поверхностных сил. Соответственно капли, взвешенные в газе или в другой жидкости, и пузырьки газа в жидкости принимают форму, близкую к шарообразной. Это объясняется тем, что молекулы жидкости внутри ее объема испытывают примерно одинаковое воздействие соседних молекул, в то время как молекулы, находящиеся непосредственно у поверхности раздела фаз, притягиваются молекулами внутренних слоев жидкости сильнее, чем молекулами окружающей среды. В результате на поверхности жидкости возникает давление, направленное внутрь жидкости по нормали к ее поверхности, которое и стремится уменьшить эту поверхность до минимума.

Следовательно, для увеличения поверхности необходима некоторая затрата энергии. Работу, требуемую для образования единицы новой поверхности, называют межфазным или поверхностным натяжением . Поверхностное натяжение выражается в системе СИ в следующих единицах [ ] = [Дж/м 2 ] = [Н×м/м 2 ] = [Н/м]. Поверхностное натяжение можно рассматривать также как силу, действующую на единицу длины поверхности раздела жидкости и соприкасающейся с ней среды.

Поверхностное натяжение уменьшается с увеличением температуры. С величиной связаны характеристики смачивания капельными жидкостями твердых материалов; смачивание оказывает существенное влияние на гидродинамические условия протекания процессов в абсорбционных и ректификационных аппаратах, конденсаторах паров и др. Натяжение же, возникающее при соприкосновении несмешивающихся или частично смешивающихся капельных жидкостей, называют также граничным натяжением.

Силы, действующие в жидкости. Различают две категории сил: массовые и поверхностные.

Массовые силы действуют на каждый элемент среды и пропорциональны массе и объему элемента. К ним относится сила тяжести (вес)

Кроме сил тяжести, при изучении движения сплошной среды большое значение имеют и силы инерции

Поверхностные силы, отнесенные к единице площади, называют напряжениями. В сплошной среде они распределяются непрерывно. Поэтому напряжения также действуют во всех точках выделенного объема среды и можно говорить о его напряженном состоянии.

Нормальные напряжения в жидкости, определяемые пределом отношения силы давления DР к площадке DS

, (1.14)

называют гидромеханическим давлением или просто давлением.

Предел отношения элементарной силы DТ к площадке DS, или отношение конечной тангенциальной силы Т к площади S, называют касательным напряжением:

, или . (1.15)

Касательные напряжения возникают при деформации сдвига, где наиболее четко проявляются особенности жидкой среды.

Сдвигающая сила , откуда

, (1.16)

Уравнение (1.16) является законом внутреннего трения Ньютона, согласно которому напряжение внутреннего трения, возникающее между слоями жидкости при ее течении, прямо пропорционально градиенту скорости.

Знак минус в правой части уравнения (1.16) указывает на то, что касательное напряжение тормозит слой, движущийся с относительно большей скоростью (или разгоняет относительно медленно движущийся слой).

Иногда вязкость жидкостей характеризуют кинематическим коэффициентом вязкости:

.

Исходя из уравнения (1.16) жидкость можно рассматривать как тело, у которого касательные напряжения возникают только при движении одного слоя по отношению к другому.

Источник