Ньютоновские жидкости. Растворимость, кипение, кавитация

Согласно гипотезе, высказанной впервые Ньютоном а затем экспериментально обоснованной, касательное напряжение в жидкости зависит от ее рода и характера течения и при слоистом течении изменяется прямо пропорционально так называемому поперечному градиенту скорости. Таким образом ,

где μ — коэффициент пропорциональности, получивший название динамической вязкости жидкости; dv — приращение скорости, соответствующее приращению координаты dy (см. рис. 1.2). Поперечный градиент скорости dv/dy определяет изменение скорости, приходящееся на единицу длины в направлении нормали к стенке и, следовательно, характеризует интенсивность сдвига жидкости в данной точке (точнее dv/dy — это модуль градиента скорости; сам градиент — вектор).

Из закона трения, выражаемого уравнением, следует, что напряжения трения возможны только в движущейся жидкости, т. е. вязкость жидкости, проявляется лишь при ее течении. В покоящейся жидкости касательные напряжения будем считать равными нулю. Такие жидкости называются Ньютоновскими. Существуют так называемые аномальные, или неньюотоновские (суспензии, коллоиды и др.), в которых касательные напряжения также при покое, а вязкость зависит от градиента скорости.

Испаряемость (кипение) свойственна всем капельным жидкостям, однако интенсивность испарения неодинакова у различных жидкостей и зависит от условий, в которых они находятся. Одним из показателей, характеризующих испаряемость жидкости, является температура ее кипения при нормальном атмосферном давлении; чем выше температура кипения, тем меньше испаряемость жидкости. В гидросистемах нормальное атмосферное давление является лишь частным случаем; обычно приходится иметь дело с испарением, а иногда и кипением жидкостей в замкнутых объемах при различных температурах и давлениях. Поэтому более полной характеристикой испаряемости является давление (упругость) насыщенных паров Рн.п, выраженное в функции температуры. Чем больше давление насыщенных паров при данной температуре, тем больше испаряемость жидкости. С увеличением температуры давление Рнп увеличивается, однако у разных жидкостей в разной степени.

Растворимость газов в жидкостях характеризуется количеством растворенного газа в единице объема жидкости, различна 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, т. е.

где Vr — объем  растворенного газа, приведенный к нормальным условиям (Р0,Tо);Vж — объем жидкости; k — коэффициент растворимости; p — давление.

Кавитация. В некоторых случаях при движении жидкости в закрытых руслах происходят явления, связанные с изменением агрегатного состояния жидкости, т. е. с превращением ее в пар, а также с выделением из жидкости растворенных в ней газов. Например, при течении жидкости через местное сужение трубы увеличивается скорость и падает давление. Если абсолютное давление при этом достигает значения, равного давлению насыщенных паров этой жидкости при данной температуре, или давлению, при котором начинается

выделение из нее растворенных газов, то в начинается интенсивное парообразование (кипение) и выделение газов. В расширяющейся части скорость потока уменьшается, а давление возрастает, и выделение паров и газов прекращается; выделившиеся пары конденсируются, а газы постепенно вновь растворяются.

Это местное нарушение сплошности течения с образованием паровых и газовых пузырей (каверн), обусловленное местным падением давления в потоке, называется кавитацией.