13

Лекция 2

2. Силы, действующие в жидкости. Основные физические свойства жидкостей и газов План лекции

2.1. Силы, действующие в жидкости.

2.2. Основные физические свойства жидкостей и газов.

2.2.1. Плотность и удельный объем.

2.2.2. Вязкость жидкостей. Динамический и кинематический коэффициенты вязкости.

2.2.3. Упругость жидкостей.

2.2.4. Поверхностное натяжение и капиллярность.

2.1. Силы, действующие в жидкости

При выводе различных гидравлических зависимостей необходимо составлять уравнения движения или покоя жидкости и включать в эти уравнения различные силы, действующие на рассматриваемые элементы жидкости. По отношению к рассматриваемым элементам эти силы являются внешними и делятся на массовые и поверхностные.

Массовыми называются силы, величины которых пропорциональны массе жидкости. К ним относятся силы тяжести и силы инерции. В однородной жидкости, т.е. в жидкости с одинаковым распределением массы по объему, эти силы оказываются пропорциональными объему и именуются объемными силами.

Поверхностными называются силы, величины которых пропорциональны площади той поверхности, на которую эти силы действуют. К этим силам относятся силы трения (вязкости) и силы давления.

Рассмотрим указанные типы сил.

Выделим в потоке жидкости некоторый произвольный объем (см. рис. 2.1). На его поверхность со стороны окружающей жидкости или стенок канала действуют внешние силы.

Рис. 2.1. Поверхностные силы, действующие на выделенный элемент жидкости

Обозначим через R внешнюю поверхностную силу, действующую на элементарную площадку S указанной поверхности. Сила R может быть разложена на две составляющие:

Р – по направлению, совпадающему с нормалью к площадке S, и на T по касательной к площадке.

Силу Р называют нормальной силой. Она может быть сжимающей, т.е силой давления или растягивающей – силой растяжения.

Силу T называют касательной или силой трения. Сила трения возникает только в движущейся жидкости.

Рассмотрим подробнее нормальные силы. Они являются важнейшими и характеризуются нормальным напряжением в данной точке:

[Па]

Это напряжение p может быть как сжимающим (давление) так и растягивающим.

Способность жидкости воспринимать сжимающие усилия, т.е. давление, ничем не ограничена. Относительно растягивающего усилия, положение иное. Газы не способны воспринимать его вообще, а жидкости обладают ограниченной способностью. В практических условиях вследствие загрязнения жидкости и наличия в ней растворенного воздуха сопротивляемость ее растягивающим усилиям незначительна.

Рис. 2.2. T-p диаграмма фазовых переходов вещества: О – тройная точка; К – критическая точка

В гидравлических расчетах считают, что предел прочности жидкости наступает при падении давлении в ней до значения р_п, при котором начинается парообразование (рис. 2.2) ‑ т.е. переход из жидкого агрегатного состояния в газообразное.

Жидкое и газообразное состояние вещества разделяются кривой насыщенного пара. Насыщенный пар – пар, находящийся в замкнутом пространстве в термодинамическом равновесии с жидкостью того же химического состава. Т.е. число молекул вырывающихся в единицу времени из жидкости и переходящих в паровую фазу, равно числу молекул пара, возвращающих в жидкость за тоже время. При этом р_п представляет собой давление насыщенного пара, обеспечивающее при данной температуре подобное равновесие. Давление р_п т.е. давление насыщенных паров или упругость паров, для химически простой однородной жидкости зависит только от рода жидкости и ее температуры.

Если в каких-либо зонах потока жидкости ее давление падает до р_п, то в них начинается процесс парообразования сопровождаемый образованием пузырьков, заполненных парами жидкости и воздуха. Это явление называется кавитацией. При обратном повышении давления происходит конденсация паров и слияние пузырьков газа, сопровождающееся местным гидравлическим ударом. Выделяющаяся при этом энергия превращается в тепло (температура достигает 1750 К в точках смыкания пузырей).

В системах гидроприводов кавитация является вредным явлением, т.к. происходит разрушение рабочей жидкости под действием точечных высоких температур и резких ударных давлений. Кавитационные явления на поверхности стенок гидросистемы и элементов вызывают разрушение этих поверхностей. Кавитационные явления наиболее часто возникают в рабочих полостях насосов, гидродвигателей, золотниковых распределителей, клапанах. Эффективные меры предотвращения кавитации:

• повышение давления в зонах возможного разрыва жидкости;

• применение стойких к коррозии металлов (при кавитации металл окисляется кислородом воздуха, выделяющегося с паром при разрыве жидкости) таких как бронза, титан, коррозионностойкая сталь. Кавитация быстро разрушает углеродистые стали и чугун.

Кроме введенного в рассмотрения давления р, называемого абсолютным в механике жидкости и газа используются понятия избыточного давления и вакуума.

Избыточное давление отличает от абсолютного уровень отсчета. В случае избыточного давления за начало отсчета выбран уровень атмосферного давления (см. рис. 2.3)

р_изб = р - р_атм р_в = р_атм - р

р = р_изб + р_атм

Рис. 2.3. К определению избыточного и вакууметрического давлений

Вакуумом называют разность между атмосферным и абсолютным давлением, если последнее менее атмосферного.