9252

называются неньютоновскими (аномальными). Многофазные жидкостные композиции, например, газожидкостные и парожидкостные, также не являются ньютоновскими жидкостями.

2) Уравнения состояния.

Для капельных жидкостей уравнения состояния сложны. В диапазоне

давлений, рассматриваемых в рамках изучаемой дисциплины, состояние жидкости практически зависит только от температуры, например, для воды:

воды снижается примерно на 4 %, что следует учитывать при проектировании отопительных систем.

Для идеальных газов (воздух, природный газ, перегретый пар)

уравнение состояния при относительно небольших температурах и давлениях

принимает простую форму уравнения Клапейрона-Менделеева:

T– термодинамическая температура, К (Кельвин).

Втехнических расчетах плотность газа обычно приводят к нормальным

( t 0 C ) или стандартным ( t 20 C ) условиям при давлении 101325 Па.

Согласно уравнению (1.1.10) плотность воздуха:

Газ, находящийся в равновесии с его жидкой фазой, называют насыщенным паром; он имеет более сложную структуру уравнения состояния.

11

3) Парообразование.

Парообразование – это свойство капельных жидкостей изменять свое

агрегатное состояние и превращаться в пар. Парообразование по всему объему жидкости называется кипением; оно происходит при достижении

Давление, при котором жидкость кипит при данной температуре, называется давлением насыщенных паров – pН .П. . Кипение жидкости может происходить при некоторой невысокой температуре, если понижается внешнее давление:

всасывающих трубопроводов насосных установок, сифонных трубопроводов и т.п.

4) Сжимаемость.

Капельные жидкости при сжатии ведут себя, как упругое тело, т.е.

подчиняются закону Гука:

давления на 1 МПа (10 ат) первоначальный объем воды уменьшается на

1/2000 часть. Это означает, что при работе с системами инженерного оборудования зданий и сооружений вода может считаться несжимаемой жидкостью.

Коэффициент сжимаемости идеальных газов значительно больше;

12

Сжимаемость характеризуется также отношением изменения давления к изменению плотности, равным скорости распространения звука в среде – с:

Анализ показывает, что при высокой сжимаемости среды скорость

Для оценки сжимаемости среды при её движении важно не абсолютное значение с , а отношение:

несжимаемую жидкость, например, при расчете воздуховодов вентиляционных систем, газопроводов низкого давления и газоходов котельных установок газ рассматривается как несжимаемая жидкость, т.е.

При движении газов с u 70 м/с, а также при высоких градиентных давлениях влияние сжимаемости следует учитывать, т.е. const .

5) Прочность на разрыв.

При решении практических задач предполагается, что жидкости и газы не оказывают сопротивления растягивающим усилиям. Для газов это является очевидным в связи с их способностью безгранично расширяться. Капельная жидкость не заполняет весь объем сосуда, в котором она находится, а образует на границе с окружающим её газом свободную поверхность. Экспериментальные исследования показали, что если стенки сосуда тщательно очищены и жидкость не содержит растворенного или дисперсного газа, то прочность её на разрыв может быть весьма значительной (например, для воды – 28 МПа) – это соответствует представлению о разрыве (распаде) жидкости, происходящем одновременно во всем её объеме. В действительности же разрыв всегда начинается на

13

каком-либо одном наиболее «слабом» месте; в частности, наличие хотя бы одного пузырька газа резко уменьшает прочность жидкости, т.е. наличие в жидкости в реальных условиях растворенного воздуха и различных примесей снижает прочность жидкости почти до нуля.

Разрыв сплошности среды может происходить в результате кавитации,

т.е. процесса образования каверн или пузырьков, заполненных парами или выделившимися из воды газами, в тех условиях, когда абсолютное давление в жидкости упадет ниже некоторого критического значения – pКР . Обычно в

растворенных в жидкости газов. Кавитация нежелательна вследствие проявления негативных вторичных процессов – кавитационной эрозии,

ведущих к снижению надежности технических систем.

6) Температурное расширение.

Это свойство жидкости изменять объем при изменении её температуры

t . По аналогии с п.4 можно записать:

1.2. Гидростатика

Гидростатика рассматривает законы равновесия жидкостей,

находящихся в состоянии покоя, а также практическое приложение этих законов.

14

1.2.1. Гидростатическое давление

1) Свойства гидростатического давления.

Гидромеханическое давление (см. зависимость 1.1.4) в гидростатике воспринимается как напряжение сжатия в некоторой точке объема покоящейся жидкости, т.е. как гидростатическое давление.

Развивая физическое понимание и толкование гидростатического давления, можно определить следующие его свойства:

• гидростатическое давление всегда направлено со стороны жидкости по нормали к той твердой поверхности, на которую «опирается» жидкость

(первое свойство);

• для любой точки объема жидкости гидростатическое давление одинаково по всем направлениям, другими словами: значение гидростатического давления в некоторой точке объема жидкости не зависит от ориентации в пространстве площадки, на которой размещается точка

(второе свойство).

2) Равновесие однородной несжимаемой жидкости в поле сил тяжести

(основное уравнение гидростатики).

Рассмотрим равновесие жидкости в неподвижном герметично закрытом сосуде под действием силы тяжести и внешнего давления p0 на свободной поверхности объема жидкости.

Выделена точка объема жидкости и произведена её пространственная привязка к координатной системе (см. рис.1.2.1).

O≡Y

Рисунок 1.2.1 – К основному уравнению гидростатики

15

•любая горизонтальная плоскость в пределах объема однородной покоящейся жидкости является поверхностью равного давления (или поверхность уровня);

•внешнее давление передается во все точки объема жидкости,

находящейся в равновесии, без изменения по всем направлениям (закон Паскаля).

В некоторых случаях состояние и возможности объема покоящейся жидкости удобнее оценивать через обобщенную энергетическую характеристику – так называемый «гидростатический напор», т.е. полный запас удельной (отнесенной к единице веса жидкости) потенциальной энергии:

16

3) Избыточное и вакуумметрическое давление.

Для расчета, проектирования и технологического контроля различных

технических систем (трубопроводов, аппаратов и т.д.), испытывающих давление атмосферного воздуха, удобно использовать технические

используется значение технической атмосферы: 1 ат = 1 кгс/см2 = = 9,8·104 Па 100 кПа = 0,1 МПа).

Для измерения давления используются механические и жидкостные приборы разных конструкций.

Рисунок 1.2.2 – К пояснению понятия «пьезометрическая высота»

17

О-О – плоскость сравнения (произвольная горизонтальная плоскость,

обеспечивающая единство измерений в пространственно распределенных системах);

P-P – пьезометрическая плоскость;

П – пьезометры (простейшие жидкостные манометры).

Из рассмотрения равновесия частицы жидкости в точке m следует:

объему жидкости).

Рисунок 1.2.3 – К пояснению понятия «вакуумметрическая высота»

18

О-О – плоскость сравнения;

P-P – пьезометрическая плоскость;

hвакmax 10,33 м вод.ст.

4) Эпюры гидростатического давления Эпюра избыточного гидростатического давления – это график

Рисунок 1.2.4 – Методика построения эпюр избыточного гидростатического давления

19

Примечание: при построении эпюр учитываются свойства

гидростатического давления.

1.2.2. Сила гидростатического давления, действующая на

поверхности, ограничивающие объем жидкости

1) Сила давления жидкости на плоские стенки.

Для формирования универсального аналитического метода решения рассмотрим равновесие жидкости в закрытом неподвижном резервуаре с плоской наклонной стенкой (угол наклона – ); выберем фрагмент стенки – площадку площадью с центром тяжести в точке C. При дооформлении расчетной схемы координатная плоскость XOZ совмещается с плоскостью стенки резервуара (начало координат располагается на плоскости P-P, ось OZ

направлена вниз), а также строится эпюра давления и намечаются все измерения (координаты точек и гидравлические высоты).

Рисунок 1.2.5 – Расчетная схема для оценки силового воздействия на плоскую стенку

20