- •Лекция 1. Введение
- •Зачем гидравлика в машиностроении?
- •Жидкость как объект изучения гидравлики
- •Гипотеза сплошности
- •Лекция 2. Основные физические свойства жидкостей Плотность
- •Удельный вес
- •Относительный удельный вес
- •Сжимаемость жидкости
- •Температурное расширение жидкости
- •Растворение газов
- •Кипение
- •Сопротивление растяжению жидкостей
- •Вязкость
- •Закон жидкостного трения – закон Ньютона
- •Анализ свойства вязкости
- •Неньютоновские жидкости
- •Определение вязкости жидкости
- •Лекция 3. Эксплуатационные свойства жидкостей
- •Изменение характеристик рабочих жидкостей
- •Загрязнение во время поставки, хранения и заправки
- •Загрязнение в процессе изготовления, сборки и испытания
- •Загрязнение в процессе эксплуатации
- •Распад жидкости под действием различных факторов
- •Последствия загрязнения рабочей жидкости
- •Применяемые жидкости
- •Лекция 4. Гидростатика
- •Силы, действующие в жидкости Массовые силы
- •Поверхностные силы
- •Силы поверхностного натяжения
- •Силы давления
- •Свойства гидростатического давления
- •Основное уравнение гидростатики
- •Следствия основного уравнения гидростатики
- •Приборы для измерения давления
- •Лекция 5. Дифференциальные уравнения равновесия покоящейся жидкости
- •Частные случаи интегрирования уравнений Эйлера п окой жидкости под действием силы тяжести
- •Физический смысл основного закона гидростатики
- •Прямолинейное равноускоренное движение сосуда с жидкостью
- •Покой при равномерном вращении сосуда с жидкостью
- •Лекция 6. Давление жидкости на окружающие её стенки
- •Сила давления жидкости на плоскую стенку
- •Центр давления
- •Сила давления жидкости на криволинейную стенку
- •Круглая труба под действием гидростатического давления
- •Гидростатический парадокс
- •Основы теории плавания тел
- •Лекция 7. Кинематика жидкости
- •Виды движения (течения) жидкости
- •Типы потоков жидкости
- •Гидравлические характеристики потока жидкости
- •Струйная модель потока
- •Лекция 8. Уравнения неразрывности Уравнение неразрывности для элементарной струйки жидкости
- •Уравнение неразрывности в гидравлической форме для потока жидкости при установившемся движении
- •Дифференциальные уравнения неразрывности движения жидкости
- •Лекция 9. Динамика жидкостей
- •Дифференциальные уравнения Эйлера для движения идеальной жидкости
- •Преобразование уравнений Эйлера
- •Исследование уравнений Эйлера
- •Лекция 10. Интегрирование уравнений Эйлера
- •Уравнение Бернулли
- •Уравнение Бернулли для струйки идеальной жидкости
- •Геометрическая интерпретация уравнения Бернулли
- •Энергетическая интерпретация уравнения Бернулли
- •Уравнение Бернулли для потока идеальной жидкости
- •Уравнение Бернулли для потока реальной жидкости
- •Лекция 11. Режимы течения жидкостей Два режима течения жидкости
- •Физический смысл числа Рейнольдса
- •Основные особенности турбулентного режима движения
- •Возникновение турбулентного течения жидкости
- •Возникновение ламинарного режима
- •Лекция 12. Гидравлические сопротивления в потоках жидкости Сопротивление потоку жидкости
- •Гидравлические потери по длине
- •Ламинарное течение жидкости
- •Лекция 13. Турбулентное течение жидкости
- •Вязкое трение при турбулентном движении
- •Турбулентное течение в трубах
- •Турбулентное течение в гладких трубах
- •Турбулентное течение в шероховатых трубах
- •Выводы из графиков Никурадзе
- •Лекция 14. Местные гидравлические потери Местные гидравлические сопротивления
- •Виды местных сопротивлений Внезапное расширение. Теорема Борда - Карно
- •Внезапное сужение потока
- •Постепенное расширение потока
- •Постепенное сужение потока
- •Внезапный поворот потока
- •Плавный поворот потока
- •Лекция 15. Критерии подобия
- •Основы теории подобия, геометрическое и динамическое подобие
- •Критерии подобия для потоков несжимаемой жидкости Критерий подобия Ньютона
- •Критерий подобия Эйлера
- •Критерий подобия Рейнольдса
- •Критерий подобия Фруда
- •Заключение о подобии напорных потоков
- •Лекция 16. Истечение жидкости из отверстий и насадков
- •Сжатие струи
- •Истечение через малое отверстие в тонкой стенке
- •Истечение через насадки
- •Лекция 17. Гидравлический расчет трубопроводов
- •Простые трубопроводы постоянного сечения
- •Последовательное соединение трубопроводов
- •Параллельное соединение трубопроводов
- •Разветвлённые трубопроводы
- •Трубопроводы с насосной подачей жидкости
- •Лекция 18. Гидравлический удар в трубопроводах
- •Скорость распространения гидравлической ударной волны в трубопроводе
- •Ударное давление
- •П ротекание гидравлического удара во времени
- •Разновидности гидроудара
- •Лекция 19. Особые случаи ламинарного течения Ламинарное течение в зазорах Ламинарное течение в плоских зазорах
- •Ламинарное течение в плоских зазорах с подвижной стенкой
- •Ламинарное течение в кольцевых зазорах
- •Ламинарное течение в трубах прямоугольного сечения
- •Смазочный слой в подшипнике
- •Лекция 20. Особые режимы течения жидкостей
- •Кавитационные течения
- •Течение с облитерацией
- •Течение с теплообменом
- •Течение при больших перепадах давления
- •Список литературы
Течение при больших перепадах давления
В высоконапорных гидромашинах, например гидравлических прессах, может происходить ламинарное течение жидкости через малые зазоры при больших перепадах давлений порядка нескольких десятков и даже сотен мегапаскалей.
Опыт показывает, что в таких случаях падение напора вдоль потока оказывается существенно нелинейным, а закон Пуазейля дает заметную погрешность.
При таких течениях необходимо учитывать нагревание жидкости, которое ведёт к уменьшению её вязкости, причем степень влияния этого фактора будет нарастать вдоль потока жидкости. С другой стороны, с увеличением давления вязкость жидкостей возрастает. Таким образом, вязкость жидкости переменна вдоль потока и, как результат одновременного действия двух указанных факторов, продольный градиент давления , обусловленный трением, оказывается непостоянным.
Указанные факторы действуют и на расход: повышение температуры способствует его увеличению, а высокое давление в жидкости - его уменьшению, по сравнению со значением, определяемым законом Пуазейля. Таким образом, влияние этих двух факторов на расход является противоположным.
Р ассмотрим задачу о ламинарном течении в зазоре толщиной а, длиной l и шириной b с учетом влияния на вязкость давления и температуры. При этом допускаем, что плотность жидкости не зависит от давления и температуры, а размеры зазора таковы, что его толщина существенно меньше ширины.
Ранее было установлено, что расход через плоскую щель составляет
Физическая сущность первого сомножителя в этом произведении – потери на трение по длине щели. Он показывает, как быстро теряется энергия по ходу течения жидкости. Причём потери на трение есть ни что иное, как уменьшение давления по длине щели l. Если учесть сказанное и перейти к пределу, эту величину можно характеризовать падением давления по длине зазора вида:
Знак « - » в этой формуле показывает, что давление по длине зазора уменьшается.
С учётом последнего и в пересчёте на единичную ширину зазора (b=1) расход через щель можно записать в виде
При рассмотрении свойств жидкости упоминались формулы, учитывающие изменение коэффициента динамической вязкости от температуры:
и давления:
Для одновременного учёта влияния на вязкость жидкости давления и температуры можно принять
.
В приведённых формулах, напомним, использованы следующие обозначения:
μt – динамический коэффициент вязкости при заданной температуре,
μP – динамический коэффициент вязкости при заданном давлении,
T0, P0, μ0 – температура, давление и динамический коэффициент вязкости жидкости в начале зазора,
T, P, μ – температура, давление и динамический коэффициент вязкости жидкости в конце зазора,
kt – коэффициент, для минеральных масел равный 0,02-0,03,
kP – коэффициент, для минеральных масел равный 0,002-0,003,
e – основание натурального логарифма, равное 2,718282.
Теперь запишем уравнение тепловой энергии, т. е. равенство между потерей энергии на трение, превратившейся в тепло, и приростом тепловой энергии жидкости за единицу времени:
,
где С - теплоемкость жидкости,
k — коэффициент, учитывающий долю работы сил вязкости, которая идет на нагревание жидкости.
При k = 1 теплоотдача в стенку отсутствует, и вся теряемая энергия, обусловленная вязким трением, идет на нагревание жидкости. При k = 0 происходит максимальная теплоотдача в стенку, в результате чего повышения температуры жидкости не происходит (изотермическое течение).
Из последнего равенства можно получить:
После подстановки этого равенства в выражение степени формулы для получим:
Произведём разделение переменных в уравнении расхода через зазор
Используем полученную связь между μ и P выполним подстановку:
Произведём алгебраические преобразования: домножим обе части на и поменяем знак степени при e ( ):
Проинтегрируем последнее выражение:
Результатом интегрирования, будет равенство:
Постоянную интегрирования С1 найдем, учитывая, что в начальном сечении потока при l= 0 P = Р0. Cледовательно:
Подставив постоянную интегрирования C1, получим
.
Выразим отсюда Q:
.
Приведённую формулу можно анализировать с различных позиций. Мы посмотрим на неё только с одной точки зрения. Сравним её с формулой расхода через щель, полученную на основании закона Пуазейля. Расход по закону Пуазейля линейно изменяется при изменении давления. Последняя же формула, учитывающая изменение вязкости при изменении давления и теплообмен в потоке, что имеет место, когда жидкость движется с большими скоростями и при больших перепадах давления, описывает связь давления и расхода степенной функцией. При этом чем выше давление, тем больше отклонение расхода от линейной зависимости, соответствующей закону Пуазейля. Объясняется это тем, что расход жидкости при ламинарном течении пропорционален перепаду давления ∆P, а величина потерянной энергии, равная произведению ∆PQ, пропорциональна квадрату перепада давления. По этой причине потеря энергии на единицу расхода жидкости растет пропорционально перепаду давления.