- •Введение
- •1. Вводные сведения
- •1.1. Предмет механики жидкости и газа
- •1.2. Краткие исторические сведения о развитии науки
- •2. Основные физические свойства жидкостей и газов
- •2.1. Физическое строение жидкостей и газов
- •2.2. Основные физические свойства: сжимаемость, текучесть, вязкость, теплоемкость, теплопроводность
- •2.3. Гипотеза сплошности
- •2.4. Два режима движения жидкостей и газов
- •2.5. Неньютоновские жидкости
- •2.6. Термические уравнения состояния
- •2.7. Растворимости газов в жидкостях, кипение, кавитация. Смеси.
- •2.8. Законы переноса
- •2.9. Требования к рабочим жидкостям
- •3. Основы кинематики сплошных сред
- •3.1. Два метода описания движения жидкостей и газов
- •3.2. Понятие о линиях и трубках тока. Ускорение жидкой частицы
- •3.3. Расход элементарной струйки и расход через поверхность
- •3.4. Уравнение неразрывности (сплошности)
- •3.5. Вихревое и безвихревое (потенциальное) движения
- •4. Силы, действующие в жидкостях
- •4.1. Массовые и поверхностные силы
- •4.2. Напряжения поверхностных сил
- •4.3. Напряженное состояние
- •5. Общие законы и уравнения статики и динамики жидкостей и газов
- •5.1. Уравнения движения в напряжениях
- •5.2. Уравнения гидростатики в форме Эйлера и их интегралы
- •5.3. Напряжения сил вязкости, обобщенная гипотеза Ньютона
- •5.4. Уравнение Навье-Стокса для вязкой жидкости
- •5.5. Примеры аналитических решений уравнений Навье-Стокса для ламинарного движения в цилиндрических трубах
- •6. Абсолютный и относительный покой (равновесие) жидких сред
- •6.1. Основная формула гидростатики
- •6.2. Определение сил давления покоящейся среды на плоские и криволинейные стенки
- •6.3. Относительный покой (равновесие) жидкости
- •Следовательно, вместо уравнения (6.5) можно записать:
- •7. Модель идеальной (невязкой) жидкости
- •7.1. Модель идеальной (невязкой) жидкости. Уравнения Эйлера
- •7.2. Интегралы уравнения движения жидкости для разных случаев движения. Баротропные и бароклинные течения
- •8. Общая интегральная форма уравнений количества движения и момента количества движения
- •8.1. Законы сохранения
- •8.2. Закон изменения количества движения
- •8.3. Закон изменения момента количества движения
- •8.4. Силовое воздействие потока на ограничивающие его стенки
- •9. Общее уравнение энергии в интегральной и дифференциальной формах
- •10. Турбулентность и ее основные статистические характеристики
- •10.1. Турбулентное течение
- •10.2. Осредненные параметры и пульсации. Стандарт пульсационной скорости и степень турбулентности
- •10.3. Двухслойная модель турбулентности
- •11. Подобие гидромеханических процессов
- •11.1. Числа и критерии подобия
- •11.2. Понятие о методе размерностей. Пи-теорема
- •11.3. Методы моделирования
- •11.4. Методы аналогий
- •12. Одномерные потоки жидкостей и газов
- •12.1. Уравнение д. Бернулли для струйки и потока реальной (вязкой) жидкости
- •12.2. Гидравлические потери (общие сведения)
- •13. Ламинарное течение в круглых трубах
- •13.1. Течение при больших перепадах давления
- •13.2. Ламинарное течение с облитерацией
- •13.3. Ламинарное течение с теплообменом
- •14. Потери напора при турбулентном течении в гидравлически гладких круглых трубах
- •14.1. Потери напора при турбулентном течении в шероховатых трубах. График и.И. Никурадзе
- •15. Местные гидравлические сопротивления
- •15.1. Внезапное расширение русла
- •15.2. Внезапное сужение русла
- •15.3. Местные сопротивления при ламинарном течении
- •16. Истечение жидкости через отверстие в тонкой стенке при постоянном напоре
- •16.1. Истечение через насадки при постоянном напоре
- •17. Истечение через отверстия и насадки при переменном напоре
- •17.1. Неустановившееся движение жидкости в трубах
- •17.2. Гидравлический удар
- •18. Расчет простых трубопроводов
- •18.1. Основные задачи по расчету простых трубопроводов
- •18.2. Последовательное соединение простых трубопроводов
- •18.3. Параллельное соединение простых трубопроводов
- •18.4. Разветвлённое соединение простых трубопроводов
- •19. Расчет сложных трубопроводов
- •19.1. Трубопроводы с насосной подачей жидкости
- •19.2. Основы расчета газопроводов
- •Заключение
- •Библиографический список
- •Оглавление
- •Гоувпо «Воронежский государственный технический университет»
- •394026 Воронеж, Московский просп., 14
2.8. Законы переноса
При изучении потоков жидкостей и газов обычно рассматривается перенос трех величин: одной векторной (количества движения) и двух скалярных (тепла и вещества). В движущемся потоке, в общем случае, наблюдается неоднородность таких величин, как скорость, температура и концентрация вещества. Вследствие наличия этих неоднородностей в среде возникают явления переноса количества движения, тепла и массы.
Если в потоке выделить некоторый элементарный объем, то по его поверхности будут действовать касательные и нормальные силы. Касательные силы возникают вследствие наличия внутреннего трения или вязкости. Как известно из физики, Ньютон сформулировал закон переноса количества движения молекул, согласно которому касательное напряжение трения между двумя слоями прямолинейно движущейся вязкой жидкости пропорционально отнесенному к единице длины изменению скорости по нормали к направлению движения
. (2.49)
Коэффициент пропорциональности в уравнении (2.49) называется динамическим коэффициентом вязкости. Как известно, динамический коэффициент вязкости не зависит от давления и от характера движения, а определяется лишь физическими свойствами жидкости и ее температурой.
Законы переноса тепла и массы имеют вид, аналогичный закону Ньютона. Например, закон Фурье для переноса тепла будет
, (2.50)
а закон Фика для переноса вещества
, (2.51)
где q и - количество тепла и вещества, переносимого через единицу площади в единицу времени;
Т и с - температура и концентрация вещества.
Коэффициенты пропорциональности и D называются соответственно коэффициентами теплопроводности и диффузии. Коэффициенты и D зависят только от физических свойств среды и температуры.
По своей структуре все существующие потоки реальной вязкой жидкости делятся на ламинарные и турбулентные. При ламинарном или слоистом движении подкрашенные струйки остаются резко выделенными во все время движения, т.е. отдельные частицы движутся по определенным траекториям. При турбулентном движении отдельные частицы жидкости совершают беспорядочное движение по хаотически переплетенным и быстро изменяющимся траекториям. От структуры потока существенно зависят все процессы переноса, т.е. величины, характеризующие процесс переноса количества движения, тепла и вещества. В силу этого законы переноса, приведенные выше, пригодны лишь для ламинарных потоков, при турбулентном движении процессы переноса значительно сложнее.
2.9. Требования к рабочим жидкостям
Физические и эксплуатационные свойства рабочих жидкостей должны удовлетворять целому комплексу требований, среди которых можно назвать следующие:
- широкий диапазон возможных температур. Верхняя граница этого диапазона ограничена температурой самовозгорания жидкости и возможностью ее расслоения или химического распада. Нижняя граница определяется предельно допустимыми значениями вязкости жидкости;
- возможность длительной эксплуатации с большими давлениями, обусловленными жесткими условиями по минимальным габаритам и весу гидроагрегатов;
- достаточно высокая объемная прочность жидкости, которая характеризуется давлением насыщенного пара этой жидкости при различных температурах. При уменьшении фактического давления в жидкости ниже давления парообразования происходит испарение жидкости в образующиеся пузыри, т.е. разрыв сплошности жидкости;
- хорошая смазывающая способность для уменьшения износа деталей и снижения сил трения между ними, влияющих на характеристики агрегатов;
- химическая нейтральность к материалам деталей агрегатов: металлам, их покрытиям, резине и пластмассам. Отсутствие кислот, разрушающих железные детали, и щелочей, реагирующих с цветными металлами;
- хорошие электроизоляционные свойства. Отсутствие солей, которые способствуют образованию гальванических пар;
- неизменность свойств с течением времени, отсутствие выпадения осадков, окисления;
- достаточно высокая пожаробезопасносгь, характеризующаяся температурой вспышки;
- малая токсичность жидкости и ее паров при работе с ней людей;
- достаточно низкая стоимость.
Для надежной и длительной работы гидропривода основным требованием к рабочим жидкостям является способность сохранять длительное время свои эксплуатационные качества (физические свойства и химический состав). Кроме того, рабочие жидкости должны обладать антикоррозийными и смазывающими свойствами, т.е. не только не вызывать коррозию, но и обеспечивать эффективное смазывание трущихся поверхностей, образуя на них прочный слой, который исключит полностью или частично контакт этих поверхностей между собой и уменьшит их износ.
Вредное влияние на работу гидропривода оказывают пузырьки нерастворенного воздуха, поэтому рабочие жидкости должны легко выделять эти пузырьки без образования пены на поверхности жидкости в гидробаках. Жидкости должны иметь достаточно высокую температуру кипения, мало испаряться при работе, а их пары не должны быть вредными для здоровья людей, взрыво- и пожароопасными при работе оборудования.
В качестве рабочих жидкостей для гидроприводов используют в основном минеральные масла, получаемые путем перегонки нефти. Эти масла являются основой в которую добавляют антипенные, антиокислительные и другие присадки, повышающие эксплуатационные качества масел. В гидроприводах машин, работающих при повышенных или отрицательных температурах окружающего воздуха, повышенной взрывоопасности и других особых условиях, в качестве рабочих жидкостей применяют синтетические жидкости или эмульсии на водной основе. Однако по сравнению с минеральными маслами синтетические жидкости значительно дороже в изготовлении, а водно-эмульсионные жидкости уступают маслам по антикоррозийным и смазывающим свойствам.