- •Методические указания
- •131000 «Нефтегазовое дело»,
- •Введение
- •Раздел I. Жидкость, гидростатика
- •Тема 1. Жидкость
- •Методические указания
- •Тема 2. Гидростатика
- •Методические указания
- •Контрольное задание 1
- •Раздел II. Гидродинамика
- •Тема 1. Введение в гидродинамику
- •Методические указания
- •Тема 2. Трубопроводы
- •Методические указания
- •Тема 3. Истечение через отверстия
- •Методические указания
- •Тема 4. Неустановившееся движение
- •Методические указания
- •Контрольное задание 2
- •К задаче V-3.
- •1. Удельный вес жидкостей при 20° с (н/м3)
- •2. Давление насыщения паров (ата)
- •3. Модуль упругости при 50° с (н/см2)
- •4. Кинематический коэффициент вязкости
- •5. Кинематический коэффициент вязкости
- •6. Абсолютная шероховатость некоторых поверхностей труб (мм)
- •Библиографический список
- •Содержание
- •Методические указания
- •131000 «Нефтегазовое дело»,
- •394026 Воронеж, Московский просп., 14
Раздел I. Жидкость, гидростатика
Тема 1. Жидкость
Рабочая программа
Жидкость. Ее молекулярное строение. Текучесть и вязкость. Законы внутреннего трения (Ньютона). Динамический и кинематический коэффициенты вязкости. Выражение вязкости в условных градусах Энглера. Зависимость вязкости от температуры и давления. Приборы для измерения вязкости. Трение в слое смазки между шипом и подшипником. Сжимаемость жидкостей. Законы сжатия (Гука). Модуль объемной упругости и коэффициент сжимаемости. Условия перехода жидкости в твердое и газообразное состояния. Давление насыщения паров. Кавитация. Условия существования напряжений растяжения в жидкости. Растворимость газов в жидкости. Некоторые свойства поверхностей раздела: адгезия, поверхностное натяжение, смачиваемость, растекание, капиллярность. О применимости законов гидравлики к газам, коллоидам, суспензиям. Идеальная жидкость.
Методические указания
Жидкостью называется тело, способное сохранять объем, но не способное самостоятельно сохранять форму. Первое свойство сближает жидкость с твердым телом, второе - с газом. Оба эти свойства не являются абсолютными. Все жидкости сжимаются, хотя и значительно слабее, чем газы. Всё жидкости оказывают сопротивление изменению формы, смещению одной части объема относительно другой, хотя и меньшее, чем твердые тела.
Свойства жидкостей и их отличие от твердых тел и газов обусловливаются молекулярным строением. Молекулы постоянно находятся в движении. При этом молекулы твердых тел колеблются, вибрируют, дрожат около некоторых средних положений, а молекулы газов перескакивают от одного взаимного столкновения к другому. Молекулы жидкостей постоянно колеблются и спорадически, время от времени, перескакивают из одного положения колебательного движения в другое.
Молекулы жидкости располагаются так же плотно, как и молекулы твердых тел, ввиду чего при повышении давления жидкости, как и твердые тела, мало сжимаются, а газы сжимаются весьма значительно.
Плотностью расположения молекул в жидкости объясняется и то, что жидкости при удалении из них воздуха, находящегося или в механической смеси, или в растворенном виде, способны оказывать довольно значительное сопротивление растяжению, газы же ни при каких условиях такого сопротивления не оказывают.
Вязкость, т. е. способность оказывать сопротивление сдвигу одного слоя относительно другого, у жидкостей обусловливается взаимным притяжением молекул, а у газов — обменом молекулами между слоями при их перескоках. При повышении температуры усиливается молекулярное движение, расстраивается связь между молекулами жидкости и вязкость уменьшается; обмен же молекулами газа между смежными слоями потока усиливается, ввиду чего вязкость газа увеличивается. При повышении давления молекулы жидкости сближаются, силы молекулярного притяжения увеличиваются, ввиду чего растет и вязкость жидкости, однако этот рост сравнительно невелик, так как сжимаются жидкости при повышении давления незначительно.
Молекулы жидкости, оказавшиеся вблизи твердого тела, прилипают к его поверхности. Это явление называется адгезией. Чем прочнее адгезионное прилипание, тем выше смазывающая способность данной жидкости относительно твердого тела, так как чем прочнее адгезионный слой, тем затруднительнее его разрушение и непосредственное примыкание твердых элементов. Адгезией объясняется то обстоятельство, что при движении жидкости по трубам скорость около твердой стенки равна нулю.
В слое жидкости, располагающемся под поверхностью раздела между жидкостью и газом, возникает поверхностное натяжение. Оно объясняется тем, что молекулы, образующие этот слой, значительно сильнее притягиваются к имеющей большую плотность жидкости, чем к имеющему меньшую плотность газу. В области соприкосновения трех сред — твердой, жидкой и газообразной — возникает выпуклый мениск (если молекулы жидкости притягиваются к жидкости сильнее, чем к твердому телу) или вогнутый, (если молекулы жидкости притягиваются к твердому телу сильнее, чем к жидкости). Этим объясняется явление капиллярного поднятия или опускания жидкости в вертикальной трубке малого диаметра или в узкой щели между твердыми поверхностями.
В жидкостях, как и в твердых телах, возникают деформации, связанные с соответствующими напряжениями.
Напряжение сжатия в жидкости называется давлением и связано с деформацией сжатия законом Гука:
. (1)
Здесь V—начальный объем жидкости; V—уменьшение этого объема, обусловленное повышением давления на p; Е — объемный модуль упругости жидкости при сжатии, который является величиной, обратной коэффициенту сжимаемости: Е=1/. Например, для воды Е200 000 н/см2, следовательно, при повышении давления на 100 ат объем воды уменьшается на 0,5%.
Напряжение сдвига или внутреннего трения в жидкости связано с деформацией сдвига законом Ньютона:
, (2)
где — напряжение сдвига в жидкости; — динамический коэффициент вязкости, зависящий от рода жидкости, ее температуры и давления; du/dy — градиент (интенсивность изменения) скорости и по нормали у к поверхности трения (соприкосновения слоев потока).
Жидкость твердеет (замерзает) при понижении температуры или при повышении давления. Так, например, вода при комнатной температуре отвердевает, если давление повышается до ~ 10 тыс. атмосфер. Такие давления в современной технике не встречаются.
Жидкость превращается в газ (кипит, испаряется) гари повышении температуры или понижении давления. Для того чтобы жидкость закипела, достаточно понизить давление до давления насыщения паров (не «давления насыщенных паров», так как это величина, изменяющаяся в широких пределах и тем более не «упругости паров»). Давлением насыщения паров называется такое давление, при котором жидкость перестает кипеть, если давление в сосуде в процессе кипения повышается, или начинает кипеть, если давление а сосуде понижается. Давление насыщения паров зависит от рода жидкости и ее температуры. Для всех жидкостей (не освобожденных от воздуха и других газов, обычно находящихся в жидкости в механической смеси или в растворенном виде) давление насыщения паров лежит в пределах между давлением в пустоте и атмосферным давлением.
Кипение жидкости при понижении давления до давления насыщения паров называется кавитацией (пустообразованием — в том смысле, что в жидкости образуются «пустоты», «пары» и даже целые полости, заполненные парами и выделившимися из жидкости воздухом и другими газами, которые были в ней растворены). Кавитация вредна (снижает пропускную способность труб, насадков; вызывает вибрацию, механические повреждения; снижает к. п. д. машин) и поэтому, как правило, не допускается.
Литература: [1], стр. 5-20; [2], стр. 4-8; [3], стр. 5-21; [4], стр. 5-17; [5], стр. 13-60; [6], стр. 4-8.
Вопросы для самопроверки
1. Чему равно давление насыщения паров воды при t =100°C и t=20°С?
2. В чем состоит различие между плотностью и удельным весом? Какова взаимосвязь между ними?
3. Как связаны между собой динамический и кинематический коэффициенты вязкости, и каковы их размерности?
4. Каков физический смысл условных градусов Энглера (сву1)? Как по вязкости, выраженной в градусах Энглера, вычислить кинематический коэффициент вязкости?
5. Какова роль полярных молекул в образовании адгезиониого слоя? Порядок толщины этого слоя.
6. Как подсчитать величину капиллярного поднятия или опускания в трубке малого диаметра?
7. Что такое «идеальная» жидкость? Какова ее роль в гидравлике? В каких случаях, в практических расчетах, жидкость можно считать идеальной?
8. Каковы условия приложения формул гидравлики для расчетов равновесия и движения газов, коллоидов, эмульсий?
9. От чего зависит способность жидкости растворять воздух и другие газы (воздухонасыщение)?
10. Каковы размерности коэффициентов вязкости, модуля упругости, плотности, удельного веса, давления в Технической системе единиц и в Международной, системе (СИ)?