Что изучает наука гидравлика

Основы гидравлики

Что изучает наука гидравлика?

В создании этих, порой поразительных по своей функциональности машин и устройств, помогает наука Гидравлика.

Гидравлика, как наука, применяется для решения различных инженерных задач:

История развития гидравлики, как прикладной науки

Использовать уникальные свойства жидкостей при создании гидротехнических сооружений и механизмов человек начал с древних времен. За много веков до нашей эры в Индии, Китае, Египте, странах Ближнего и Среднего востока уже строились каналы, плотины, водяные колеса, мельницы и т. п.
Конечно же, методов расчета подобных сооружений в те времена не существовало, и определенные достижения в гидротехническом строительстве являлись результатом практического опыта древних изобретателей и строителей, складывавшегося из многочисленных проб, ошибок и успехов.

Первым научным трудом в области гидравлики считается написанный более 2200 назад трактат Архимеда «О плавающих телах», в котором величайший ученый древности сформулировал закон о давлении жидкости на погруженное в нее тело.

Формирование гидравлики как науки начинается с середины XV века, когда Леонардо да Винчи лабораторными опытами положил начало экспериментальному методу в гидравлике. Фундаментальный труд Леонардо да Винчи «О движении и измерении в воды в тесных сооружениях» был опубликован лишь через три столетия после смерти великого гения. В 1586 году голландский ученый Симон Стевин опубликовал работу «Начало гидростатики».
В XVI – XVII веках Г. Галилей, Э. Торричелли, Б. Паскаль и И. Ньютон сделали ряд основополагающих выводов о поведении жидкости в различных условиях, продолжив формирование основ гидравлики.

Основоположниками гидравлики как самостоятельной науки являются члены Петербургской академии наук М.В. Ломоносов, Д.И. Бернулли и Л.П. Эйлер. В 1738 году была опубликована работа Д. Бернулли «Гидравлика или записки о силах движения жидкости», в которой установлена зависимость между давлением и скоростью в элементарной струйке идеальной жидкости. Представляют интерес такие работы А. Шези, Д. Б. Вентури, Ю. Л. Вейсбаха, А. Колмакова, А. Дарси и О. Рейнольдса.
Труды этих ученых посвящены главным образом изучению турбулентности потоков и установлению общих законов сопротивления движению вязких жидкостей, а также исследованию движения жидкости в трубах, каналах и на водосливах. Большое внимание уделено в них также разработке теории размерности и подобия и постановке лабораторных экспериментов.

Большое значение для развитии гидравлики имели исследования Н. Е. Жуковского о гидравлическом ударе и о движении грунтовых вод.

Основные разделы гидравлики

Общие понятия о науке Гидравлике вы можете получить, просмотрев предлагаемый ниже видеоролик.
Важно: для просмотра фильма необходимо, чтобы на вашем компьютере была установлена программа просмотра видеоматериалов из Интернета Adobe Flash Player (если у вас ее нет, можно бесплатно скачать здесь), ну и, конечно же, достаточная скорость.

Скачать теоретические вопросы к экзаменационным билетам
по учебной дисциплине «Основы гидравлики и теплотехники»
(в формате Word, размер файла 68 кБ)

Скачать рабочую программу
по учебной дисциплине «Основы гидравлики и теплотехники» (в формате Word):

Скачать календарно-тематический план
по учебной дисциплине «Основы гидравлики и теплотехники» (в формате Word):

Источник

Гидравлика

В отличие от гидромеханики, гидравлика характеризуется особым подходом к изучению явлений течения жидкостей; она устанавливает приближённые зависимости, ограничиваясь во многих случаях рассмотрением одноразмерного движения, широко используя при этом эксперимент, как в лабораторных, так и в натурных условиях.

Наряду с этим намечается всё большее сближение между гидромеханикой и гидравликой: с одной стороны, гидромеханика всё чаще обращается к эксперименту, с другой — методы гидравлического анализа становятся более строгими. [2]

Содержание

История

Некоторые принципы гидростатики были установлены ещё Архимедом, возникновение гидродинамики также относится к античному периоду, однако формирование гидравлики как науки начинается с середины XV века, когда Леонардо да Винчи лабораторными опытами положил начало экспериментальному методу в гидравлике. В XVI—XVII веках С. Стевин, Г. Галилей и Б. Паскаль разработали основы гидростатики как науки, а Э. Торричелли дал известную формулу для скорости жидкости, вытекающей из отверстия.

В дальнейшем И. Ньютон высказал основные положения о внутреннем трении в жидкостях. В XVIII веке Д. Бернулли и Л. Эйлер разработали общие уравнения движения идеальной жидкости, послужившие основой для дальнейшего развития гидромеханики и гидравлики.

Однако применение этих уравнений (так же как и предложенных несколько позже уравнений движения вязкой жидкости) для решения практических задач привело к удовлетворительным результатам лишь в немногих случаях, в связи с этим с конца XVIII века многие учёные и инженеры (А. Шези, А. Дарси, А. Базен, Ю. Вейсбах и др.) опытным путём изучали движение воды в различных частных случаях, в результате чего наука обогатилась значительным числом эмпирических формул. Практическая гидравлика всё более отдалялась от теоретической гидродинамики. Сближение между ними наметилось лишь к концу XIX века в результате формирования новых взглядов на движение жидкости, основанных на исследовании структуры потока.

Особо заслуживают упоминания работы О. Рейнольдса, позволившие глубже проникнуть в сложный процесс течения реальной жидкости и в физическую природу гидравлических сопротивлений и положившие начало учению о турбулентном движении. Впоследствии это учение, благодаря исследованиям Л. Прандтля и Т. Кармана, завершилось созданием полуэмпирических теорий турбулентности, получивших широкое практическое применение.

К этому же периоду относятся исследования Н. Е. Жуковского, из которых для гидравлики наибольшее значение имели работы о гидравлическом ударе и о движении грунтовых вод.

В XX веке быстрый рост гидротехники, теплоэнергетики, гидромашиностроения, а также авиационной техники привёл к интенсивному развитию гидравлики, которое характеризуется синтезом теоретических и экспериментальных методов. Большой вклад в развитие науки сделали советские учёные — Н. Н. Павловский, Л. С. Лейбензон, М. А. Великанова и др.

Практическое значение гидравлики возросло в связи с потребностями современной техники в решении вопросов транспортирования жидкостей и газов различного назначения и использования их для разнообразных целей. Если ранее в гидравлике изучалась лишь одна жидкость — вода, то в современных условиях всё большее внимание уделяется изучению закономерностей движения вязких жидкостей (нефти и её продуктов), газов, неоднородных и т. н. неньютоновских жидкостей. Меняются и методы исследования и решения гидравлических задач. Сравнительно недавно в гидравлике основное место отводилось чисто эмпирическим зависимостям, справедливым только для воды и часто лишь в узких пределах изменения скоростей, температур, геометрических параметров потока; теперь всё большее значение приобретают закономерности общего порядка, действительные для всех жидкостей, отвечающие требованиям теории подобия и пр. При этом отдельные случаи могут рассматриваться как следствие обобщенных закономерностей. Постепенно гидравлика превращается в один из прикладных разделов общей науки о движении жидкостей — механики жидкости.

Предмет изучения

Гидравлика, как прикладная наука, применяется для решения различных инженерных задач в области:

Основные направления

Гидравлика обычно подразделяется на две части:

Основные разделы практической гидравлики:

Во всех указанных разделах движение жидкости рассматривается как установившееся, так и неустановившееся (нестационарное).

Основные разделы теоретической гидравлики:

Прикладное значение

Гидравлика широко использует теоретические положения механики и данные экспериментов. В прошлом гидравлика носила чисто экспериментальный и прикладной характер, в последнее время её теоретические основы получили значительное развитие, это способствовало сближению её с гидромеханикой. Гидравлика решает многочисленные инженерные задачи, рассматривает многие вопросы гидрологии, в частности, законы движения речных потоков, перемещения ими наносов, льда и шуги, процессы формирования русла и т. д. Этот комплекс вопросов объединяется речной гидравликой (динамикой русловых потоков), которую можно рассматривать как самостоятельный раздел гидравлики.

По отношению к гидромеханике гидравлика выступает как инженерное направление, получающее решение многих задач о движении жидкости на основе сочетания эмпирических зависимостей, установленных опытным путём, с теоретическими выводами гидромеханики.

В гидравлике рассматриваются также движение наносов в открытых потоках и пульпы в трубах, методы гидравлических измерений, моделирование гидравлических явлений и некоторые др. вопросы. Существенно важные для расчёта гидротехнических сооружений вопросы гидравлики — неравномерное и неустановившееся движение в открытых руслах и трубах, течение с переменным расходом, фильтрация и др. — иногда объединяют под общим названием «инженерная гидравлика», или «гидравлика сооружений».

Таким образом, круг вопросов, охватываемых гидравликой, весьма обширен, и ее законы в той или иной мере находят применение практически во всех областях инженерной деятельности, особенно в гидротехнике, мелиорации, водоснабжении, канализации, теплогазоснабжении, гидромеханизации, гидроэнергетике, водном транспорте и др.

Известные учёные-гидравлики и гидротехники

Исследования в области гидравлики координируются Международной ассоциацией гидравлических исследований (МАГИ). Её орган — «Journal of the International Association for Hydraulic Research» (Delft, с 1937).

Развитие гидравлики связано с именами учёных:

Источник

ГИДРАВЛИКА

Г. обычно разделяют на две части: теоретич. основы, где излагаются важнейшие положения учения о равновесии и одномерном (осреднённом) движении жидкостей, и практич. Г., где эти положения и установленные эмпирич. путём закономерности применяются для решения конкретных инженерных задач. Осн. разделы практич. Г.: течение по трубам (Г. трубопроводов), течение в каналах и реках (Г. открытых русел), истечение жидкостей из отверстий и через водосливы, движение в пористых средах (фильтрация). Во всех разделах Г. рассматривается как установившееся (стационарное), так и неустановившееся (нестационарное) движение жидкости. При этом основными исходными ур-ниями являются Бернулли уравнение, неразрывности уравнение и эмпирич. ф-лы для определения потерь напора.

В Г. трубопроводов рассматриваются способы определения размеров труб, необходимых для обеспечения заданного расхода жидкости при заданных условиях и для решения ряда вопросов, возникающих при проектировании и строительстве трубопроводов разл. назначения (водопроводы, напорные трубопроводы электростанций, нефтепроводы, газопроводы и пр.); исследуется вопрос о распределении скоростей в трубах, что имеет большое значение для расчётов теплопередачи, устройств пневматич. и гидравлич. транспорта, при измерении расходов и т. д. Теория неустановившегося движения в трубах используется при исследовании гидравлич. удара.

В Г. открытых русел рассматриваются способы определения глубины воды в каналах при заданном расходе и уклоне дна при проектировании судоходных, оросительных, гидроэнергетич. и др. каналов, при выправит. работах на реках и др. При этом исследуются вопросы о распределении скоростей по сечению потока, расчёта движения наносов и пр.

В разделах Г., посвящённых истечению жидкости из отверстий и через водосливы, приводятся расчетные зависимости для определения необходимых размеров отверстий в разл. резервуарах, шлюзах, плотинах, водопропускных трубах и т. д., а также для определения скоростей истечения жидкостей и времени опорожнения резервуаров. Гидравлич. теория фильтрации даёт методы расчёта дебита и скорости течения жидкостей в разл. условиях безнапорного и напорного потоков (фильтрация воды через плотины, фильтрация нефти, газа и воды в пластовых условиях, фильтрация из каналов, приток к грунтовым колодцам и пр.). В Г. исследуются также движение наносов в открытых потоках и пульпы в трубах, методы измерений в натурных и лабораторных условиях, моделирование гидравлич. явлений и др. вопросы.

Практич. значение Г. возросло в связи с необходимостью транспортировки разл. жидкостей и газов. Всё чаще для этих целей вместо эмпирич. ф-л применяют методы гидроаэромеханики и устанавливаемые ею закономерности.

Лит.: Чугаев P. Р., Гидравлика. (Техническая механика жидкости), 4 изд., Л., 1982; Альтшуль А. Д., Киселев П. Г., Гидравлика и аэродинамика, 2 изд., M., 1975; Емцев Б. Т., Техническая гидромеханика, M., 1978.

Смотреть что такое ГИДРАВЛИКА в других словарях:

ГИДРАВЛИКА

Iсм. Газовое производство.IIесть учение о движении жидкостей, приноровленное к практическим целям. Искусство управлять движением вод в естественных и и. смотреть

ГИДРАВЛИКА

(греч. hydraulikós — водяной, от hydor — вода и aulos — трубка) наука о законах движения и равновесия жидкостей и способах приложения этих закон. смотреть

ГИДРАВЛИКА

ГИДРАВЛИКА

гидравлика ж. 1) а) Научная дисциплина, изучающая законы движения и равновесия жидкостей и их практическое применение; прикладная гидромеханика. б) Учебный предмет, содержащий теоретические основы данной дисциплины. в) разг. Учебник, излагающий содержание данного учебного предмета. 2) Гидравлические механизмы и устройства.

ГИДРАВЛИКА

ГИДРАВЛИКА

ГИДРАВЛИКА

ГИДРАВЛИКА

ГИДРАВЛИКАгреч., от hydor, вода. Учение о движении и давлении жидких тел.Объяснение 25000 иностранных слов, вошедших в употребление в русский язык, с о. смотреть

Источник

Введение. Предмет гидравлики. История развития гидравлики. Основные физико-механические свойства жидкостей и газов

1.1 Предмет гидравлики

Механика, как раздел физики, изучает законы равновесия и движения материальных тел различных видов. Она разделяется (рисунок 1.1) на:

ü механику твёрдого тела, которая изучает покой и движение тел как совокупности сильно связанных материальных точек;

ü механику сыпучих сред, изучающую движение песчаных грунтов, зерна и других аналогичных тел;

ü механику жидких сред, в которой изучают равновесие и движение жидкости.

Рисунок 1.1 – Гидравлика как часть физики

Гидравлика – это наука, изучающая законы равновесия и движения жидкостей, а также возможность применения этих законов для решения технических задач.

Гидравлика состоит из двух разделов: гидростатики и гидродинамики.

Гидростатика – раздел гидравлики, в котором изучаются законы равновесия жидкости при относительном покое и рассматриваются практические приложения этих законов.

Гидродинамика – раздел гидравлики, в котором изучаются законы движения жидкости и ее взаимодействие с твердыми телами при их относительном движении.

Гидравлика даёт методы расчёта и проектирования разнообразных гидротехнических сооружений (плотин, каналов, водосливов, трубопроводов для подачи всевозможных жидкостей), гидромашин (насосов, гидротурбин, гидропередач), а также других гидравлических устройств, применяемых во многих областях техники.

Сегодня трудно найти отрасль, в которой бы не применялась гидравлика. Без неё невозможно представить современное автомобилестроение, станкостроение, авиационную технику, космические аппараты, медицинскую технику, водный транспорт. Причем зачастую ей отдается предпочтение перед другими, широко применяемыми видами привода.

Для того чтобы понять преимущества гидравлики, лучше всего провести её сравнение с электрикой, электроникой, механикой и пневматикой. Наиболее близка к гидравлике пневматика, где для передачи энергии используется воздух. Однако, во-первых, пневматика уступает гидравлике в быстродействии. Сжимаемость воздуха мешает быстрому выполнению команд. Жидкость же до определенных объемов несжимаема, поэтому гидрооборудование отличает практически моментальное действие. Вторым несомненным минусом пневматики является взрывоопасность. Как известно, сжатый воздух обладает большей разрушительной силой, а сосуды с воздухом находятся под значительным давлением (да и сама воздушная смесь, используемая в пневматике, взрывоопасна).

В сравнении с электрикой гидравлика полностью исключает необходимость монтажа силовой электроподводки и избавляет от постоянных расходов на электроэнергию. Кроме того, полностью исчезает проблема постоянной заботы об обеспечении электробезопасности. К тому же, по сравнению с электрическим оборудованием, гидравлика менее чувствительна к окружающей среде (пыль, влага).

Что же касается привычной механики, то в отличие от неё гидравлика уменьшает опасность воспламенения и полностью снимает проблему удаления ядовитых выхлопов вследствие отсутствия двигателя и топливного бака.

Итак, гидравлика обладает рядом существенных преимуществ:

ü передача больших усилий на малом пространстве;

ü высокая концентрация энергии;

ü возможность аккумулирования энергии;

ü малая масса и габариты, а, следовательно, малая инерционность движущихся частей;

ü гидропривод легко управляется и автоматизируется, может создавать очень большие усилия и передаточные отношения;

ü гидропривод позволяет плавно и в широком диапазоне регулировать скорость движения рабочего органа и обеспечивать быстрый реверсивный режим;

ü возможность автоматизации всех видов движения с помощью управляющих распределителей и электрической передачи команды;

ü благодаря обильной и постоянной смазке гидропривод долговечен и надежен.

К недостаткам гидравлики относят:

ü потери энергии в трубопроводах и органах управления;

ü необходимость высокой герметичности гидромашин, гидроаппаратов и гидролиний, а, следовательно, точности обработки деталей, что обуславливает их повышенную стоимость;

ü возможность нестабильной работы, вызываемой температурными колебаниями вязкости рабочей жидкости.

1.2 История развития

Жизнь и деятельность человека во все времена были неразрывно связаны с водой. Еще в глубокой древности люди использовали реки и моря как пути сообщения и занимались орошением земель. Много лет назад в Средней Азии и Китае, Египте и Месопотамии, Риме и Греции были созданы различные гидротехнические сооружения для подъема и подачи воды: каналы и плотины, водоводы и акведуки. Однако каких-либо сведений о гидравлических расчетах этих сооружений не найдено.

Первым научным трудом в области гидравлики принято считать трактат древнегреческого математика и механика Архимеда (ок. 287—212 до н. э.) «О плавающих телах», написанный примерно за 250 лет до н. э. Архимедом открыт закон о равновесии тела, погруженного в жидкость, который затем лег в основу теории плавания кораблей и их остойчивости.

Дальнейшее развитие гидравлика получила в XIV—XVII веках. Широко известны труды итальянского ученого Леонардо да Винчи (1452—1519). Он изучал механизм движения жидкости в реках и каналах, процесс истечения жидкости, занимался постройкой гидротехнических сооружений, установил принцип работы гидравлического пресса, изобрел центробежный насос и многое другое. К этому же периоду относятся работы голландского инженера С. Стевина (1548— 1620) он определил давление жидкости на плоскость и описал гидравлический парадокс.

Итальянский ученый Г. Галилей (1564—1642) систематизировал основные положения гидростатики и впервые указал на зависимость гидравлических сопротивлений от скорости потока жидкости и его плотности, а его соотечественник Э. Торричелли (1608—1647) вывел формулу для расчета скорости истечения жидкости. Важное значение для гидравлики имели работы французского физика и математика Б. Паскаля (1623—1662), открывшего закон о передаче внешнего давления, носящий его имя.

Особо следует отметить работы английского физика, математика, механика и астронома И. Ньютона (1643—1727), который впервые ввел понятие вязкости жидкости и установил зависимость между напряжением трения, градиентом скорости и свойствами жидкости; он же заложил основы теории гидродинамического подобия.

Исследования в этот период носили в основном теоретический характер и не были связаны друг с другом. Лишь во второй половине XVIII века труды крупнейших ученых-механиков и математиков, и прежде всего Д. Бернулли и Л. Эйлера, послужили теоретической основой гидромеханики и гидравлики.

Д. Бернулли (1700—1782) вывел основное уравнение движения жидкости. С именем Д. Бернулли связано понятие «гидродинамика»: в 1738 г. он опубликовал свою работу «Гидродинамика» — академический труд, выполненный автором во время работы в Петербурге.

Л. Эйлер (1707—1783)—знаменитый математик, механик, физик и астроном, уроженец Швейцарии. Не найдя на родине условий для научной деятельности, он в 1727 г. переехал в Россию и работал здесь до конца своих дней. Он опубликовал более 800 научных работ, относящихся к разным областям знаний, и создал основополагающий труд «Общие принципы движения жидкости».

Русский ученый М. В. Ломоносов (1711—1765), занимаясь общими проблемами физики, уделял большое внимание вопросам движения жидкостей и газов и практическому применению гидравлики, а открытый им закон сохранения массы и энергии лежит в основе современной гидравлики. М. В. Ломоносов поддерживал научные контакты с Л. Эйлером в период работы швейцарского ученого в Петербургской Академии наук.

Вторая половина XVIII и начало XIX века характеризуются ростом промышленного производства и бурным развитием техники. Для решения различного рода инженерных задач в области гидравлики требуются новые научные методы, учитывающие свойства реальной жидкости. Примерно в это время начинается второй период развития гидравлики — превращение ее в прикладную науку.

Большой вклад в становление технической гидромеханики внесли французские ученые:

А. Пито (1695—1771)—инженер-гидротехник, широко известный изобретением «трубки Пито»,

А. Шези (1718—1798), который вывел формулу для определения скорости движения жидкости,

Ж. Борда (1733—1799), который вывел уравнение для определения потерь напора при резком расширении потока;

итальянский профессор Д. Вентури (1746—1822), исследовавший процесс истечения жидкости из насадков;

Д. Вейсбах (1806—1871) —крупный немецкий ученый, чьи теоретические и экспериментальные исследования в области движения жидкости не утратили своего значения до настоящего времени;

английский ученый О. Рейнольдс (1842—1912), установивший два режима движения жидкости и критерий гидродинамического подобия;

Л. Прандтль (1875—1953), разработавший теорию турбулентных потоков.

Не остались в стороне от развития технической гидравлики и ученые России. Инженерное направление в гидромеханике интенсивно разрабатывалось в стенах Петербургского института путей сообщения, где была создана первая в России гидравлическая лаборатория и плодотворно работала группа ученых под руководством профессора П. П. Мельникова (1804—1880) — почетного члена Петербургской Академии наук, издавшего в 1836 г. первый на русском языке учебник по гидравлике «Основания практической гидравлики. ». Русский инженер, почетный член Петербургской Академии наук, профессор Н. П. Петров (1836—1920) на основе гипотезы Ньютона о трении в жидкости разработал гидродинамическую теорию смазки машин.

Особенно большой вклад в развитие гидравлики внес Николай Егорович Жуковский (1847—1921)—автор целого ряда работ по технической гидродинамике. Важнейшей его работой, вышедшей в свет в 1899 г., было исследование «О гидравлическом ударе».

Большой вклад в развитие современной гидравлики внесли также русские и советские ученые: Т.М. Башта, И.З. Зайченко, В.В. Ермаков, В.Н. Прокофьев, Б.Б. Некрасов и др.

1.3 Основные понятия

Объектом изучения в гидравлике является, которая рассматривается в гидравлике как сплошная среда. Жидкими телами или жидкостями называют физические тела, легко изменяющие свою форму под действием самой незначительной по величине силы.

Различают два вида жидкостей:

-жидкости капельные (малосжимаемые);

-жидкости газообразные (сжимаемые).

Газообразные жидкости (газы) в отличие от жидкостей капельных заполняют все предоставленное им пространство и изменяют свой объем в зависимости от изменения температуры и давления. Газообразные жидкости, их свойства и применение рассматриваются в специальных дисциплинах – термодинамике и аэромеханике. В гидравлике рассматривается равновесие и движение капельной жидкости, в дальнейшем называемое просто жидкостью. Капельные жидкости представляют собой жидкости в обычном, общепринятом понимании этого слова (вода, нефть, керосин и т. д.)

В гидравлике рассматривают потоки жидкости, ограниченные и направленные твёрдыми стенками, т.е. течение в открытых и закрытых руслах (каналах). Понятие «русло» или «канал» включает поверхности, которые ограничивают и направляют потоки (русла рек, каналов, различные трубопроводы, насадки, элементы гидромашин и другие устройства, внутри которых протекает жидкость).

Изучение реальных жидкостей и газов связано со значительными трудностями, т.к. физические свойства реальных жидкостей зависят от их состава, от различных компонентов. По этой причине для вывода основных уравнений движения жидкости приходится пользоваться некоторыми абстрактными моделями жидкостей и газов, которые наделяются свойствами неприсущими природным жидкостям и газам.

В природе химически чистых жидкостей нет. Обычно в основной жидкости всегда имеются добавки (примеси). Для капельной жидкости примесями могут быть другие жидкости, газы и твёрдые тела. В таких случаях жидкость с примесями может образовать гомогенную или гетерогенную смесь.

Гомогенныесмеси образуются в тех случаях, когда в основной жидкости (в таких случаях эта жидкость называется растворителем) примеси распределяются по всему объёму растворяющей жидкости равномерно на уровне молекул. В таких случаях смесь физически представляет собой однородную среду, называемую раствором. Сами же примеси носят название компонент. Физические свойства такой гомогенной смеси (плотность и др.) определяются их компонентным составом.

В тех случаях, когда примеси в основной жидкости находятся в виде частиц с четко выраженными границами, то такие смеси будут неоднородными (гетерогенными) смесями или многофазными жидкостями.

К многофазным жидкостям обычно относят:

1.4 Основные физические свойства жидкостей

Рассмотрим физические свойства жидкостей, определяющие их поведение при гидравлических процессах и применение в различных областях техники.

К основным физическим свойствам жидкостей следует отнести те её свойства, которые определяют особенности поведения жидкости при её движении. Такими являются свойства, характеризующие концентрацию жидкости в пространстве, свойства, определяющие процессы деформации жидкости, определяющие величину внутреннего трения в жидкости при её движении, поверхностные эффекты.

1) Важнейшим физическим свойством жидкости, определяющим её концентрацию в пространстве, является плотность жидкости.

Рисунок 1.2 – К определению плотности

Выделим малый объём жидкости или газа (рисунок 1.2), окружающий точку М в момент времени t. Масса этого объёма будет .

Плотностью ρ (кг/м 3 ) называют массу жидкости, заключённую в единице объёма; для однородной жидкости определяется по формуле

, т.е. ,

где – масса жидкости в объёме .

Плотность характеризует инерционные свойства сплошной среды и в общем случае зависит от координат точки и времени

.

Рисунок 1.3 – Зависимость плотности от температуры

Плотность жидкости зависит от температуры и давления. Все жидкости, кроме воды, характеризуются уменьшением плотности с ростом температуры. Плотность воды имеет максимум при t = 4 о C и уменьшается при любых других температурах (рисунок 1.3). В этом проявляется одно из аномальных свойств воды. Температура, при которой плотность воды максимальная, с увеличением давления уменьшается. Так, при давлении 14 МПа вода имеет максимальную плотность при 0,6 о C.

При изменении давления плотность жидкостей изменяется незначительно. В большинстве случаев плотность жидкости в расчётах можно принимать постоянной. Однако встречаются случаи, когда изменением плотности пренебрегать нельзя, т.к. это может привести к значительным ошибкам.

Удельным весом называют вес единицы объёма жидкости, т.е.

.

Относительный вес (относительная плотность) жидкости. Иногда удобно использовать такую характеристику жидкости, которая называется «относительный удельный вес». Это отношение удельного веса жидкости к удельному весу пресной воды

,

где ρ _в = 1000 кг/м 3 – плотность воды при 4 о С и давлении в 1 атм.

Если жидкость не однородна, то эти формулы определяют среднее значение удельного веса и плотности в данном объёме.

2) Сжимаемость – способность жидкости или газа под действием внешнего давления изменять свой объём а, следовательно, плотность.

Сжимаемость характеризуется коэффициентом β_р объёмного сжатия, который представляет собой относительное изменение объёма, приходящегося на единицу давления, т.е.

Знак « – » в формуле обусловлен тем, что положительному приращению (увеличению) давления р соответствует отрицательное приращение (уменьшение) объёма .

Рассматривая конкретные изменения и , и считая β_р постоянным, получаем формулу для определения конечного объема при изменении давления

или находим приближенную формулу для определения плотности

; ,

где ρ и ρ₀ – плотности при давлении и .

Свойство, обратное сжимаемости называется упругостью среды. Характеризуется упругость объёмным модулем упругости Е, величиной обратной коэффициенту β_р объёмного сжатия

Па, МПа.

Жидкость характеризуется низкой сжимаемостью, т.е. высокой упругостью:

– для воды, – для нефти.

С упругостью среды связана важная характеристика – скорость звука в данной среде

м/с.

Следовательно, характеристикой сжимаемости в состоянии покоя служит скорость звука в данной среде: — в воде, — в нефти.

3) Температурное расширение – это свойство жидкостей изменять объем при изменении температуры; характеризуется температурным коэффициентом объемного расширения β_t, который представляет собой относительное изменение объёма (или плотности), при изменении температуры на 1°С и постоянном давлении, т.е.

Для большинства жидкостей коэффициент β_t с увеличением давления уменьшается (рисунок 1.4).

Для воды с увеличением давления при температуре до 50 ºС коэффициент β_t растет, а при температуре выше 50 ºС уменьшается.

Для большинства жидкостей коэффициент b_t с увеличением давления уменьшается. Коэффициент b_t с уменьшением плотности нефтепродуктов от 920 до 700 кг/м 3 увеличивается от 0,0006 до 0,0008; для рабочих жидкостей гидросистем b_t обычно принимают не зависящим от температуры. Для этих жидкостей увеличение давления от атмосферного до 60 МПа приводит к росту b_t примерно на 10 – 20 %. При этом, чем выше температура рабочей жидкости, тем больше увеличение b_t.

Рассматривая конечные приращения и , и принимая β_т постоянным, получаем формулу для определения конечного объема жидкости при изменении температуры

Или находим приближенную формулу

Т.е. β_t имеет малые значения, и можно считать, что плотность жидкости изменяется незначительно при небольшом изменении диапазона температур: — для воды при Т = 1°С и р = 1 атм.

Рисунок 1.5 – Растворение газа в жидкостях

Относительное количество газа, которое может раствориться в жидкости до ее насыщения, прямо пропорционально давлению на поверхности раздела.

Если в закрытом сосуде (рисунок 1.5) жидкость находится в контакте с газом при давлении р₁, то газ начнёт растворяться в жидкости. Через какое-то время произойдёт насыщение жидкости газом и давление в сосуде изменится. Коэффициент растворимости связывает изменение давления в сосуде с объёмом растворённого газа и объёмом жидкости следующим соотношением

где W_Г – объём растворённого газа при нормальных условиях,

р₁ и р₂ – начальное и конечное давление газа.

Коэффициент растворимости зависит от типа жидкости, газа и температуры.

При температуре 20 ºС и атмосферном давлении в воде содержится около 1,6% растворенного воздуха по объему (k_p = 0,016). С увеличением температуры от 0 до 30 ºС коэффициент растворимости воздуха в воде уменьшается. Коэффициент растворимости воздуха в маслах при температуре 20 ºС равен примерно 0,08 – 0,1. Кислород отличается более высокой растворимостью, чем воздух, поэтому содержание кислорода в воздухе, растворенном в жидкости, примерно на 50% выше, чем в атмосферном. При уменьшении давления газ из жидкости выделяется. Процесс выделения газа протекает интенсивнее, чем растворение.

Наличие газа растворённого в жидкости может оказывать как благоприятное воздействие (снижается вязкость жидкости, плотность и т.д.), так и неблагоприятные факторы. Выделяющийся газ может оказаться не безопасным для окружающей среды, огнеопасным и взрывоопасным (углеводородный газ). Газ, растворённый в жидкости, как и газ в свободном состоянии может также способствовать коррозии стенок труб и оборудования, вызывать химические реакции, ведущие к образованию отложений твёрдых солей на стенках труб, накипей и др.

5) Кипение – способность жидкости переходить в газообразное состояние. Иначе это свойство жидкостей называют испаряемостью.

При понижении давления в жидкости происходит выделение растворенного в ней газа, который затем испаряется. Интенсивность процесса парообразования зависит от температуры кипения жидкости при нормальном атмосферном давлении: чем выше температура кипения жидкости, тем меньше её испаряемость. Характеристикой испаряемости является давление насыщенных паров р_н.п.: чем выше температура, тем больше давление насыщенного пара жидкости.

В результате понижения давления в жидкости до давления р_н.ппри определенной температуре в ней образуются пузырьки, заполненные парами жидкости и газа, которые выделились из жидкости. Кипение жидкости может возникнуть в результате понижения давления при существенно меньшей температуре кипения t = 100 °С. Такое кипение получило название «холодное кипение».

6) Поверхностное натяжение.

Когда мы говорим о жидкости как о сплошной среде, это вовсе не означает, что эта среда бесконечна и безгранична. Жидкое тело всегда имеет границы, это либо твёрдые стенки каналов, либо границы раздела с газообразной средой, либо это граница раздела между различными несмешивающимися жидкостями. Такие границы можно с полным правом называть естественными границами. В некоторых случаях границы могут выделяться условно внутри самой движущейся жидкости. На естественных границах в пограничном слое жидкости между молекулами самой жидкости и молекулами окружающей жидкость среды существуют силы притяжения, которые, в общем случае, могут оказаться не равными. В то же время силы взаимодействия между остальными молекулами жидкости, находящимися внутри объёма, ограниченного пограничным слоем взаимно уравновешены. Таким образом, остаются не уравновешеными силы взаимодействия между молекулами, находящимися лишь во внешнем (пограничном слое). Тогда в пограничном слое возникают напряжения, которые автоматически балансируют не сбалансированные силы притяжения. Такие напряжения называются поверхностным натяжением жидкости. Этому напряжению будут соответствовать силы поверхностного натяжения. Под действием этих сил малые объёмы жидкости принимают сферическую форму (форму капли), соответствующей минимуму внутренней энергии; в трубках малого диаметра жидкость поднимается (или опускается) на некоторую высоту по отношению к уровню покоящейся жидкости (рисунок 1.6).

Последнее явление носит название капиллярности: жидкость в трубке малого диаметра (капилляре) будет подниматься, если жидкость по отношению к стенке капилляра будет смачивающей жидкостью, и наоборот, будет опускаться, если жидкость для стенки капилляра окажется не смачивающей.

Высоту h подъёма (опускания) жидкости в капилляре с диаметром d можно определить из соотношения: ,

Для воды , для ртути мм.

Силы поверхностного натяжения малы и проявляются при малых объёмах жидкости. Величина напряжений на границе раздела зависит от температуры жидкости; при увеличении температуры внутренняя энергия молекул возрастает и, естественно, уменьшается напряжение в пограничном слое жидкости и, следовательно, уменьшаются силы поверхностного натяжения.

7)Вязкость жидкостей

При движении реальной жидкости она расходуют часть своей механической энергии на работу против сил внутреннего трения. Эти потери механической энергии носят название диссипации (потери) энергии и представляют собой необратимый переход кинетической энергии потока в тепловую энергию молекулярного движения.

Вязкостьпредставляет собой свойство жидкости сопротивляться сдвигу её слоёв и проявляется в результате её движения. Вязкость есть свойство противоположное текучести: более вязкие жидкости (глицерин, смазочные масла и т.д.) являются менее текучими, и наоборот.

При течении вязкой жидкости вдоль твёрдой стенки происходит торможение потока, обусловленное вязкостью (рисунок 1.7). Скорость u уменьшается по мере уменьшения расстояния y от стенки вплоть до u =0 при y =0, а между слоями происходит проскальзывание, сопровождающееся возникновением касательных напряжений, так называемых напряжений трения.

Напряжения, возникающие при деформации сдвига согласно гипотезе Ньютона пропорциональны градиенту скорости в движущихся слоях жидкости. Таким образом, закон жидкого трения Ньютона имеет вид

,

Поперечный градиент скорости определяет изменение скорости, приходящееся на единицу длины в направлении нормали к стенке и, следовательно, характеризует интенсивность сдвига жидкости в данной точке.

При постоянстве касательного напряжения по поверхности S полная касательная сила (сила трения), действующая на этой поверхности

.

Динамическая вязкость жидкости имеет размерность Пуаз:

дин·с/см 2 или .

Помимо динамического коэффициента вязкости используется кинематический коэффициент вязкости:

, Ст

Кинематическая вязкость жидкости имеет размерность Стокс:

По своему физическому смыслу коэффициент вязкости представляет собой коэффициент переноса импульса в движущейся сплошной среде, а закон жидкого трения Ньютона представляет собой закон переноса импульса.

Коэффициент вязкости является физической характеристикой сплошной среды и для нормальных жидкостей и всех газов (так называемых ньютоновских сплошных сред) не зависит от кинематических характеристик движения (т.е. от распределения скоростей).

Вязкость капельной жидкости зависит от температуры и уменьшается с увеличением последней (рисунок 1.8, а). Вязкость газов, наоборот, с увеличением температуры возрастает. Объясняется это различием природы вязкости в жидкостях и газах. В жидкостях молекулы расположены гораздо ближе друг к другу, чем в газах, и вязкость вызывается силами молекулярного сцепления. Эти силы с увеличением температуры уменьшаются, поэтому вязкость падает. В газах же вязкость обусловлена беспорядочным тепловым движением молекул, интенсивность которого увеличивается с повышением температуры. Поэтому вязкость газов с увеличением температуры возрастает.

Рисунок 1.8 – Зависимости вязкости от температуры и давления

Влияние температуры на вязкость определяется формулой

,

β – эмпирический коэффициент, значение которого для масел изменяется в пределах .

Вязкость жидкости зависит также от давления (рисунок 1.8, б), однако это проявляется при относительно больших значениях давления (более 20 30 МПа). С увеличением давления вязкость большинства жидкостей вырастает, и определяется формулой (законом Баруса)

,

α – пьезокоэффициент вязкости, значение которого для минеральных масел изменяется в пределах 1/МПа.

Вязкость минеральных масс при увеличении давления от 0 до 400атм приблизительно удваивается.

.

1.5Выбор рабочей жидкости для гидросистем

Существенное значение при выборе рабочей жидкости имеют:

— температура вспышки – та, при которой происходит воспламенение паров жидкости от внешнего источника.

— температура застывания – та, при которой жидкость не выливается из пробирки, наклоненной под углом 45º.

— окисляемость рабочей жидкости характеризуется кислотным числом, под которым понимается количество гидрата оксида калия (КОН) в миллиграммах, необходимое для нейтрализации 1 г жидкости.

Рабочие жидкости, используемые в машиностроении, делят на 3 вида:

а) Минеральные масла (произведенные на основе нефти). Получают из нефти обычными методами переработки. В гидроприводах используют: масло гидравлическое единое МГЕ-10А, авиационное гидравлическое масло АМГ-10, всесезонное гидравлическое масло ВМГ3 и др.

б) Синтетические жидкости (жидкости, основу которых составляют продукты в результате химических реакций) – диэфиры, силоксаны, фосфаты.

Как правило, они негорючи, стойки к окислению, имеют низкую температуру застывания и обладают стабильной вязкостью. Водополимерные растворы – рабочие жидкости, представляющие водный раствор различных полимеров. Например ПГВ – водный раствор глицерина и полиэтиленгликоля.

в) Водные эмульсии («масло в воде» и «вода в масле»). Водомасляные эмульсии представляют собой смеси воды и нефтяных жидкостей. Масловодяные эмульсии представляют собой смеси нефтяной жидкости и воды.

Рабочие жидкости в гидросистемах выполняют следующие функции:

— является смазочной средой;

— является промывочной средой;

— является средством консервации (защищает поверхности от коррозии);

— является передатчиком энергии движения жидкости.

Для рабочих жидкостей, применяемых в гидроприводах, характерны следующие эксплуатационные свойства (требования):

— хорошие вязкостные свойства; малая плотность;

— минимальная зависимость вязкости от температуры в требуемом диапазоне;

— малая сжимаемость жидкости; большой срок сохраняемости;

— низкая температура застывания;

— высокая термостойкость; стойкость к окислению на воздухе;

— отсутствие воды и механических примесей;

— хорошие смазывающие, моющие и консервационные свойства;

— хорошие охлаждающие свойства; малая токсичность;

— высокие экономические показатели.

Перечисленные свойства рабочих жидкостей неравноценны, поэтому в каждом конкретном случае при выборе жидкости исходят из наиболее важных из них.

1.6 Неньютоновские жидкости

Гидродинамические свойства сплошных сред определяются характером связи напряжения вязкого трения τ и кинематических характеристик течения, в частности – скорости сдвига .

Функциональная зависимость называется реологическим уравнением сплошной среды.

Для широкого класса сплошных сред реологическим уравнением является закон жидкого трения Ньютона:

устанавливающий линейную зависимость от .

Сплошные среды, течение которых подчиняется линейному закону Ньютона, называются нормально-вязкими илиньютоновскими жидкостями.

К ньютоновским жидкостям относятся все газы, вода, спирты, эфиры, растворители, светлые нефтепродукты, незагущенные минеральные масла и т. д.

Графическое представление реологического уравнения (в координатах (τ, )) называется реологической кривой или кривой течения (рис.1.9).

Существует обширный класс жидкостей, течение которых не подчиняется линейному закону Ньютона. Такие жидкости называются аномальными или неньютовскими. Кривые течения неньютоновских жидкостей отличаются от прямых, проходящих через начало координат.

Неньютовские жидкости можно разделить на 3 класса:

1) неньютоновские вязкие жидкости (стационарно вязкие жидкости), для которых касательное напряжение зависит только от скорости сдвига ;

2) нестационарно вязкие жидкости, для которых связь τ с зависит от времени действия напряжений .

3) вязкоупругие жидкости – среды, обладающие свойствами как упругого твёрдого тела, так и жидкости, а также способные к частичному восстановлению формы после снятия напряжений:

.

Источник