Силы, действующие в жидкости. Давление

ЧАСТЬ I. ОСНОВЫ ГИДРАВЛИКИ

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Предмет гидравлики, основные понятия и определения

Раздел механики, в котором изучаются равновесие и движение жидкостей, а также взаимодействие между жидкостью и обтекаемыми ею поверхностями или телами, называется «механика жид­кости», или «гидромеханика».

Термин «жидкость» в гидромеханике обладает более широким значением, чем это принято в современном русском языке. В понятие «жидкость» включают физические тела, обладающие текучестью, то есть способностью изменять свою форму под воздействием сколь угодно малых сил. Поэтому под этим термином подразумеваются не только обычные (капельные) жидкости, но и газы. Несмотря на их различие, законы движения капельных жидкостей и газов при определенных условиях можно считать одинаковыми. Основным из этих условий является небольшое значение скорости движения по сравнению со скоростью звука.

Одним из прикладных разделов гидромеханики является гидравлика, которая решает определенный круг технических задач и вопросов. Прикладной характер этого раздела подчеркивает само слово «гидравлика», которое образовано из греческих слов hydor — вода и aulos — трубка. Поэтому гидравлика рассматривается как наука о законах равновесия и движения жидкостей и о способах приложения этих законов для решения практических задач.

Гидравлика изучает в первую очередь течения жидкостей в раз­личных руслах, т.е. потоки, ограниченные стенками. В понятие «рус­ло» мы будем включать все устройства, ограничивающие поток, в том числе трубопроводы, проточные части насосов, зазоры и дру­гие элементы гидравлических систем. Таким образом, в гидравли­ке изучаются в основном внутренние течения и решаются «внут­ренние» задачи.

Внешние течения, связанные с обтеканием движущихся тел воздушной или жидкой средой, рассматриваются в аэрогидромеханике, которая в настоящее время получила также значительное развитие в связи с потребностями авиации, авто- и судостроения. Аэрогидромеханика, являющаяся весьма обширной областью исследований и практического применения, не менее важна, однако в данном учебном пособии она не рассматривается.

Современная гидравлика является результатом развития двух методов исследования и решения технических задач.

Первый из этих методов — теоретический, основанный на использовании законов механики. Развитие его привело к созданию ма­тематического описания практически всех основных процессов, про­исходящих в движущейся жидкости. Однако использование этих математических моделей не всегда позволяет решать практические задачи. Это связано, с одной стороны, со сложностью используемых математических зависимостей, а с другой стороны, — с необходимостью учета влияния большого числа конструктивных факторов.

Второй метод — экспериментальный, учитывающий практическую деятельность людей, в результате которой накоплен значительный опыт по созданию гидравлических систем.

Современные способы решения прикладных задач, применяемые в гидравлике, представляют собой комбинацию отмеченных методов. Суть их заключается в следующем: сначала исследуемое явление упрощается (вводятся разумные допущения), а затем к нему применяют теоретические методы гидромеханики и на их основе получают расчетные формулы. По формулам проводят необходимые вычисления, и полученные результаты сравнивают с опытными данными. На основе сравнения расчетные зависимости рекомендуют к применению на практике или вносят в них необходимые коррективы.

Таким образом, методы, применяемые в гидравлике, являются сочетанием аналитических и экспериментальных способов исследования.

Силы, действующие в жидкости. Давление

Жидкость в гидравлике рассматривают как сплошную среду без пустот и промежутков. Кроме того, не учитывают влияние отдельных молекул, то есть даже бесконечно малые частицы жидкости считают состоящими из весьма большого количества молекул.

Из курса физики известно, что вследствие текучести жидкости, т. е. подвижности ее частиц, она не воспринимает сосредоточенные силы. Поэтому в жидкости действуют только распределенные силы, причем эти силы могут распределяться по объему жид­кости или по поверхности. Первые называются массовыми, или объемными, а вторые — поверхностными.

К объемным (массовым) силам относятся силы тяжести и силы инерции. Они пропорциональны массе и подчиняются второму закону Ньютона.

К поверхностным силам следует отнести силы, с которыми воздействуют на жидкость соседние объемы жидкости или тела, так как это воздействие осуществляется через поверхности. Учитывая важность поверхностных сил в гидравлике, рассмотрим их подробнее.

Пусть на плоскую поверхность площадью S под произвольным углом действует сила R (рисунок 1.1). Силу R можно разложить на тангенциальную Т инормальную F составляющие.

Тангенциальная составляющая называется силой трения Т и вызывает в жидкости касательные напряжения (или напряжения трения): .

Единицей измерения касательных напряжений в системе СИ является Паскаль (Па) — ньютон, отнесенный к квадратному метру (1 Па = 1 Н/м²).

Нормальная сила F называется силой давления и вызывает в жидкости нормальные напряжения сжатия, которые определяются отношением

                                                     p = F/S.                                                           (1.1)

Нормальные напряжения, возникающие в жидкости под действием внешних сил, называются гидромеханическим давлением или просто давлением. Рассмотрим системы отсчета давления и единицы его измерения.

Важным при решении практических задач является выбор системы отсчета давления (шкалы давления). За начало шкалы может быть принят абсолютный нуль давления. При отсчете давлений от этого нуля их называют абсолютными р_абс (рисунок 1.2, а).

Однако, как показывает практика, технические задачи удобнее решать, используя избыточные давления р_изб, т.е. когда за начало шкалы принимается атмосферное давление (см. рисунок 1.2, а).

Давление, которое отсчитывается «вниз» от атмосферного нуля, называется давлением вакуума р_вак ,, или вакуумом (см. рисунок 1.2, а).

Таким образом, существуют три шкалы для отсчета давления, то есть давление может быть абсолютным, избыточным или вакуумным. Получим формулы для пересчета одного давления в другое.

Для получения формулы пересчета избыточного давления в абсолютное р_абс воспользуемся рисунком 1.2, б. Пусть значение искомого давления определяется положением точки В. Тогда очевидно, что

р_абе = р_а + р_изб,                                                                 

где р_а — атмосферное давление, измеренное барометром

Связь между абсолютным давлением р_абе и давлением вакуума р_вак можно установить аналогичным путем, но уже исходя из положения точки С :

р_абе = р_а - р_вак                                                                   

И избыточное давление, и вакуум отсчитываются от одного нуля (0_атм), но в разные стороны. Следовательно,

          р_изб, = - р_вак.                                                            

Таким образом, формулы (1.2)...(1.4) связывают абсолютное, избыточное и вакуумное давления и позволяют пересчитать одно в другое. Практика показала, что для решения технических (прикладных) задач наиболее удобно использовать избыточные давления.

Основной единицей измерения давления в системе СИ является паскаль (Па), который равен давлению, возникающему при действии силы в 1 Н на площадь размером 1 м² (1 Па = 1 Н/м²).

a — шкалы давления; б — взаимосвязь абсолютного и избыточного давлений; в — взаимосвязь абсолютного давления и давления вакуума

Рисунок 1.2 - Системы отсчета давления

Однако чаще используются более крупные единицы: килопаскаль (1 кПа = 10³ Па) и мегапаскаль (1 МПа = 10⁶ Па).

В технике широкое распространение получила внесистемная единица - техническая атмосфера (ат), которая равна давлению, возникающему при действии силы в 1 кгс на площадь размером 1 см² (1 ат = 1 кгс/см²). Соотношения между наиболее используемыми единицами следующие:

10 ат = 0,981 МПа ≈ 1 МПа или 1 ат = 98,1 кПа ≈ 100 кПа.

В зарубежной литературе используется также единица измерения давления бар (1 бар = 10⁵ Па).

 Основные физические свойства жидкостей и газов

Рассмотрим некоторые свойства жидкостей, которые оказывают наиболее существенное влияние на происходящие в них процессы и поэтому учитываются при расчетах гидравлических систем.

Плотность и удельный вес

Важнейшими характеристиками механических свойств жидкости являются ее плотность и удельный вес. Они определяют «весомость» жидкости.

Под плотностью ρ (кг/м³) понимают массу жидкости т, заключенную в единице ее объема V, т.е.

ρ = m/V.

Вместо плотности в формулах может быть использован также удельный вес γ (Н/м³), т.е. вес G, приходящийся на единицу объема V:

γ =G/V.

Плотность и удельный вес жидкости связаны между собой. Эта связь легко устанавливается, если учесть, что G = mg:

γ =G/V = mg/V = ρ g .

Изменения плотности и удельного веса жидкости при изменении температуры и давления незначительны, и в большинстве случаев их не учитывают. Плотности наиболее употребляемых жидкостей и газов (кг/м³): бензин — 710...780; керосин — 790...860; вода — 1000; ртуть — 13600; масло гидросистем (АМГ-10) — 850; масло веретенное — 890...900; масло индустриальное — 880...920; масло турбинное — 900; метан — 0,7; воздух — 1,3; углекислый газ — 2,0; пропан — 2,0.

 Вязкость

Вязкость — это способность жидкости сопротивляться сдвигу, т. е. свойство, обратное текучести (более вязкие жидкости являются менее текучими). Вязкость проявляется в возникновении касатель­ных напряжений (напряжений трения). Рассмотрим слоистое течение жидкости вдоль стенки (рисунок 1.3). В этом случае происходит торможение потока жидкости, обусловленное ее вязкостью. Причем скорость движения жидкости в слое тем ниже, чем ближе он рас­положен к стенке. Согласно гипотезе Ньютона касательное напря­жение, возникающее в слое жидкости на расстоянии у от стенки, определяется зависимостью

где dυ/dy — градиент скорости, характеризующий интенсивность нарастания скорости υ при удалении от стенки (по оси у).

Зависимость (1.5) называют законом трения Ньютона. Течения большинства жидкостей, используемых в гидравлических системах, подчиняются закону трения Ньютона, и их называют ньютоновскими жидкостями. Однако следует иметь в виду, что существуют жидкости, в которых закон (1.5) в той или иной степени нарушается. Такие жидкости называют неньютоновскими.

Величина μ, входящая в (1.5), получила название динамической вязкости жидкости. Она измеряется в Паּс либо в пуазах 1 Пз = 0.1 Па ּс. Однако на практике более широкое применение нашла кинематическая вязкость:

.                                                                           

Единицей измерения последней в системе СИ является м²/с или более мелкая единица см²/с, которую принято называть стоксом, 1 Ст = 1 см²/с. Для измерения вязкости также используются сантистоксы: 1 сСт = 0,01 Ст.

Вязкость жидкостей зависит также от давления, но это изменение незначительно, и в большинстве случаев его не учитывают.

Сжимаемость

Сжимаемость — это способность жидкости изменять свой объем под действием давления. Сжимаемость капельных жидкостей и газов существенно различается. Так, капельные жидкости при изменении давления изменяют свой объем крайне незначительно. Газы, наоборот, могут значительно сжиматься под действием давления и неограниченно расширяться при его отсутствии.

Для учета сжимаемости газов при различных условиях могут быть использованы уравнения состояния газа или зависимости для политропных процессов [4].

Сжимаемость капельных жидкостей характеризуется коэффициентом объемного сжатия β_р (Па^-1):

,

где dV— изменение объема под действием давления; dр - изменение давления; V   —  объем жидкости.

Знак минус в формуле обусловлен тем, что при увеличении давления объем жидкости уменьшается, т.е. положительное приращение давления вызывает отрицательное приращение объема.

При конечных приращениях давления и известном начальном объеме V₀ можно определить конечный объем жидкости

,                                                

а также ее плотность

Величина, обратная коэффициенту объемного сжатия β_р, называется объемным модулем упругости жидкости (или модулем упругости) К = 1/ β_р (Па). Эта величина входит в обобщенный закон Гука, связывающий изменение давления с изменением объема

Модуль упругости капельных жидкостей изменяется при изменении температуры и давления. Однако в большинстве случаев K считают постоянной величиной, принимая за нее среднее значение в данном диапазоне температур или давлений. Модули упругости некоторых жидкостей (МПа): бензин — 1300; керосин — 1280; вода — 2000; ртуть — 32400; масло гидросистем (АМГ-10) — 1300; масло индустриальное 20 - 1360; масло индустриальное 50 - 1470; масло турбинное — 1700.

Температурное расширение

Способность жидкости изменять свой объем при изменении температуры называется температурным расширением. Оно характеризуется коэффициентом температурного расширения β_t

где dT— изменение температуры; dV— изменение объема под действием температуры; V —  объем жидкости.

       При конечных приращениях температуры

                                                       ,                                                     

                                                       .                                                          

Как видно из формул (1.12), (1.13) с увеличением температуры объем жидкости возрастает, а плотность уменьшается.

Коэффициент температурного расширения жидкостей зависит от давления и температуры, так для воды при t = 0 ⁰C и p = 0,1 МПа β_t = 14·10 ^–6 1/град, а при t = 100 ⁰C и p = 10 МПа β_t = 700·10 ^–6 1/град, то есть изменяется в 50 раз. Однако на практике обычно принимают среднее значение в данном диапазоне температур и давления. Например, для минеральных масел

β_t ≈ 800·10 ^–6 1/град.

Газы весьма значительно изменяют свой объем при изменении температуры. Для учета этого изменения используют уравнения состояния газов или формулы политропных процессов [4].

Испаряемость

Любая капельная жидкость способна изменять свое агрегатное состояние, в частности превращаться в пар. Это свойство капельных жидкостей называют испаряемостью.

В гидравлике наибольшее значение имеет условие, при котором начинается интенсивное парообразование по всему объему — кипение жидкости. Для начала процесса кипения должны быть созданы определенные условия (температура и давление). Например, дистиллированная вода закипает при нормальном атмосферном давлении и температуре 100 °С. Однако это является частным случаем кипения воды. Та же вода может закипеть при другой температуре, если она будет находиться под воздействием другого давления, т. е. для каждого значения температуры жидкости, используемой в гидросистеме, существует свое давление, при котором она закипает.

Такое давление называют давлением насыщенных паров р_н.п... Величина р_нп всегда приводится как абсолютное давление и зависит от температуры.

Для примера на рисунке 1.5 приведена зависимость давления насыщенных паров воды от температуры. На графике выделена точка А, соответствующая температуре 100 °С и нормальному атмосферному давлению р_а. Если на свободной поверхности воды создать более высокое давление р₁, то она закипит при более высокой температуре Т₁ (точка В на рисунке 1.5). И наоборот, при малом давлении р₂ вода закипает при более низкой температуре Т₂ (точка С на рисунке 1.5).

Растворимость газов

Многие жидкости способны растворять в себе газы. Эта способность характеризуется количеством растворенного газа в единице объема жидкости, различается для разных жидкостей и изменяется с увеличением давления.

Относительный объем газа, растворенного в жидкости до ее полного насыщения, можно считать по закону Генри прямо пропорциональным давлению, то есть

V_г /V_ж = k p/p₀,

где V_г – объем растворенного газа, приведенный к нормальным условиям (p_{0 ,} Т₀ );

V_ж – объем жидкости;

k - коэффициент растворимости;

р -  давление жидкости.

           Коэффициент k  имеет следующие значения при 20 ⁰С: для воды – 0,016, керосина - 0,13 минеральных масел - 0,08, жидкости АМГ-10 – 0,1.

           При понижении давления выделяется растворенный в жидкости газ, причем интенсивнее, чем растворяется в ней. Это явление может отрицательно сказывается на работе гидросистем.

 ГИДРОСТАТИКА