Каковы основные физические свойства жидкостей и параметры для их оценки, используемые в гидравлических расчетах?

Гидравликой называется наука, изучающая законы равновесия и движения жидкости и разрабатывающая способы применения этих законов для решения различных технических задач.

Область применения законов гидравлики в технике обширна. Являясь теоретической основой ряда других специальных дисциплин, гидравлика находит широкое применение в гидротехнике, машиностроении, в частности в его специальной области — гидромашиностроении (насосы, турбины, гидропривод), водоснабжении и канализации, осушении и орошении земель, водном транспорте и т. д.

Гидравлика делится на две основные части: гидростатику и гидродинамику. Гидростатикой называется раздел гидравлики, в котором изучаются законы равновесия жидкостей, находящихся в покое. Гидродинамика изучает законы движения жидкостей. Современная гидравлика основывается на общих положениях фитин п механики.

Под термином «жидкость» в гидравлике подразумеваются тела, находящиеся не только в жидком, но и в газообразном состояниях. Часто первые называют к капельными, или малосжимаемыми жидкостями, а вторые — газами, или сжимаемыми жидкостями.

В гидравлике рассматриваются главным образом капельные жидкости. Изучением законов движения газов занимаются смежные разделы механики жидкости — аэродинамика и газовая динамика.

Однако многие свойства и механические законы одинаковы для капельных и газообразных жидкостей.

Капельной жидкостью называется непрерывная среда, обладающая свойством текучести, т. е. способная неограниченно изменять свою форму под действием сколь угодно малых сил, но в отличие от газа весьма мало изменяющая свою плотность при изменении давления. В отличие от твердых тел жидкости обладают свойством принимать форму сосуда, в который они налиты.

Основными физическими свойствами жидкости, существенными при решении задач гидравлики, являются плотность, сжимаемость и вязкость.

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 р (кг/м3) понимают массу жидкости т, заключенную в единице ее объема W, т.е.

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

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

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 (рис. 1). 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 dv/dy — градиент скорости (записан упрощенно), характеризующий интенсивность нарастания скорости v при удалении от стенки (по оси у).

Рис. 1. Схема течения вдоль стенки

Зависимость (4) называют законом трения Ньютона. Она была позднее экспериментально обоснована профессором Н.П. Петровым. 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 (4) в той или иной степени нарушается. Такие жидкости называют неньютоновскими. Величина μ, входящая в (4), получила название динамической вязкости жидкости. 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 санти- стоксы: 1 сСт = 0,01 Ст.

Вязкость жидкостей существенно зависит от температуры, причем вязкость капельных жидкостей с повышением температуры падает, а вязкость газов — растет (рис. 2). Это объясняется тем, что в капельных жидкостях, где молекулы расположены близко друг к другу, вязкость обусловлена силами молекулярного сцепления. Эти силы с ростом температуры ослабевают, и вязкость падает. В газах молекулы располагаются значительно дальше друг от друга. Вязкость газа зависит от интенсивности хаотичного движения молекул. С ростом температуры эта интенсивность растет и вязкость газа увеличивается.

Рис. 2. Зависимость вязкости от температуры

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

В заключение отметим, что в гидравлике при изучении процессов течения используется понятие идеальной жидкости, под которой понимают жидкость, лишенную вязкости.

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 или зависимости для политропных процессов.

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

где Δр — изменение давления; ΔW — изменение объема под действием Δр; Wо — начальный объем.

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

Величина, обратная коэффициенту объемного сжатия βр, называется объемным модулем упругости жидкости (или модулем упругости) К = 1/ βр (Па),

Модуль упругости капельных жидкостей изменяется при изменении температуры и давления. Однако в большинстве случаев К считают постоянной величиной, принимая за нее среднее значение в данном диапазоне температур или давлений. Различают изотермический и адиабатический модули упругости. Причем обычно для расчетов используют изотермический модуль. Адиабатический модуль применяется при анализе быстротечных процессов. Изотермические модули упругости некоторых жидкостей (МПа): бензин - 1300; керосин - 1280; вода - 2000; ртуть - 32400; масло гидросистем (AM Г-10) - 1300; масло индустриальное 20 - 1360; масло индустриальное 50 - 1470; масло турбинное - 1700.

Температурное расширение

Капельные жидкости изменяют свой объем и при колебании температуры. Это их свойство, называемое температурным расширением (так как с увеличением температуры объем их увеличивается), характеризуется коэффициентом объемного расширения βt, (К-1):

где ΔТ — изменение температуры; ΔW — изменение объема под действием ΔТ; W0 - начальный объем.

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

Парообразование

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

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 рн.п. Величина рн.п всегда приводится в абсолютных давлениях и зависит от температуры.

Для примера на рис. 3 приведена зависимость давления насыщенных паров воды от температуры. На графике выделена точка А, соответствующая температуре 100 °С и нормальному атмосферному давлению ра. Если на свободной поверхности воды создать более высокое давление р1 то она закипит при более высокой температуре Т1 (точка В на рис. 3). И наоборот, при малом давлении р2 вода закипает при более низкой температуре Т2 (точка С на рис. 3).

При анализе термодинамических циклов некоторых машин важным является процесс парообразования после начала кипения жидкости. В этом случае в сосуде, где происходит кипение, существует не жидкость и не газ, а так называемая двухфазная среда. Она состоит из смеси жидкости с газом и обладает особыми, присущими только ей свойствами.

Например, если парообразование происходит при постоянном давлении, то и температура двухфазной среды также остается постоянной, а ее повышение начинается только после перехода всей жидкости (до мельчайших капель) в газообразное состояние. Эта особенность двухфазной среды используется в паровых машинах и большинстве холодильных установок. При этом двухфазную среду называют влажным паром (газ со взвешенными каплями жидкости), а чисто газообразное состояние жидкости — сухим паром.

Если парообразование происходит в закрытом сосуде, то оно сопровождается повышением давления. Процесс идет по линии от точки С к точке А, затем В и далее (см. рис. 3). Это недопустимо, так как может привести к аварийному разрушению сосуда (взрыву).

Задача.

Давление воды заполненном толстостенном плотно закрытом сосуде равно 0,2МПа. Как изменится давление при повышении температуры воды от 100С до 300С, если βр = 4,85 × 10-10Па-1; βt = 0,2 × 103  0C-1.

Дано:

Повышение температуры – от 100С до 300С;

Температурный коэффициент объемного расширения - βt = 0,2 × 103  0C-1;

Коэффициент объемного сжатия - βр = 4,85 × 10-10Па-1.

Решение:

Находим повышение температуры:

Определяем, как изменится давление при повышении температуры воды по формуле:

Ответ: при повышении температуры на 200C давление повыситься от 0,2 до 0,825МПа.