Основные свойства капельных жидкостей (плотность, удельный вес, сжимаемость, сопротивление растяжению, поверхностное натяжение, вязкость).

Основные свойства капельных жидкостей (плотность, удельный вес, сжимаемость, сопротивление растяжению, поверхностное натяжение, вязкость).

Плотностью (кг/м3) называют массу жидкости, заключенную в единице объема; для однородной жидкости P=m/V

Удельным весом (Н/м3) называют вес единицы объема жидкости, где G — вес жидкости в объеме V.

Сжимаемость, или свойство жидкости изменять свой объем под действием давления, характеризуется коэффициентом (м2/Н) объемного сжатия, который представляет собой относительное изменение объема, приходящееся на единицу давления, т. е. Знак “минус” в формуле обусловлен тем, что положи­тель­ному приращению давления p соответствует отрицательное при­ра­щение объема V.

Сопротивление растяжению внутри капельных жидкостей по молекулярной' теории может быть весьма значительным. При опытах с тщательно очищенной и Дегазированной водой В ней были получены кратковременные напряжения растяжения до 23 — 28 МПа. Однако технически чистые жидкости, содержащие взвешенные твердые частицы и мельчайшие пузырьки газов, не выдерживают даже незначительных напряжений растяжения. Поэтому в дальнейшем будем считать, что напряжения растяжения в капельных жидкостях невозможны.

Температурное расширение – свойство жидкостей изменять свой объём. Температурное расширениекапельных жидкостей характеризу­ется коэффициентом температурного расширения , °C^-1:

,

где dW –изменение этого объема при повышении температуры на величину dt.

На поверхности раздела жидкости и газа действуют силы поверхностного натяжения, стремящиеся придать объему жидкости сферическую форму и вызывающие некоторое дополнительное давление. Однако это давление заметно сказывается лишь при малых объемах жидкости и для сферических объемов (капель) определяется формулой где σ — коэффициент поверхностного натяжения жидкости; r- радиус сферы. С ростом температуры поверхностное натяжение уменьшается.

Вязкость представляет собой свойство жидкости сопротивляться сдвигу (скольжению) ее слоев. Это свойство проявляется в том, что в жидкости при определенных условиях возникают касательные напряжения.

динамический µ коэфт вязкости [ ].

= . И кинематический [м²/c]. Этот коэффициент представляет собой отношение динамического коэффициента вязкости жидкости к её плотности.

На практике вязкость жидкостей определяется вискозиметрами, из которых наиболее широкое распространение получил вискози­метр Энглера. Вискозиметр Энглера – прибор для определения вязкости нефтепродуктов.

 

 

Основные понятия кинематики жидкости: линия тока. трубка тока, элементарная струйка и ее свойства. Поток жидкости и его характеристики: живое сечение, смоченный периметр, гидравлический радиус. Эквивалентный диаметр, средняя скорость, расход.

Живым сечением потока w называется поперечное сечение по­тока, нормальное к направлению движения и ограниченное его внеш­ним контуром.

Смоченным периметром c называется длина контура живого сечения, на которой жидкость соприкасается с твердыми стенками.

Гидравлическим радиусом называется отношение площади жи­вого сечения потока w к смоченному периметру c:

t 1

t 3

t 2

t 1

t 2

t 3

u 1

u 2

u 3

u 4

. Линия тока – кривая, проходящая через такие частицы, ско­рость которых в данный момент времени направлена по касательной к этой линии (рис. 3.1).

 

 

Рис. 3.1

 

Система линий тока характеризует направление течения потока в данный момент времени (рис. 3.2).Рис. 3.2.При неустановившемся движении жидкости линии тока изме­няют свою форму и расположение, а картина движения изменяется во времени.

При неустановившемся движении линия тока и траектория не совпадают друг с другом

Трубкой тока называется трубчатая поверхность бесконечно ма­лого поперечного сечения, образованная системой линий тока, про­ходящих через точки бесконечно малого замкнутого контура (рис. 3.4).

u

линии тока

d w

 

 

Рис. 3.4

Жидкость, протекающая внутри этой трубки, называется эле­мен­тарной струйкой. Элементарная струйка изолирована от окружающей массы жид­кости. Очевидно, жидкость не может протекать через боковую поверхность трубки тока, так как на ней u_n = 0. Сово­куп­ность элементарных струек представляет собой поток ко­нечных раз­меров. Струйная модель потока жидкости упрощает теоретические ис­следования движения жидкости.

Основные свойства элементарной струйки:

1. Скорость и площади сечений элементарной струйки могут ме­нять­ся вдоль струйки, скорости же в пределах одного сечения эле­ментарной струйки вследствие малости площадки одинаковы.

2. Жидкость не может протекать через боковую поверхность эле­ментарной струйки, так как на основании определения линии тока в любой точке поверхности элементарной струйки скорость направ­лена по касательной к поверхности.

Объем жидкости, проходящей в единицу времени через данное поперечное сечение струйки, называется элементарным расходом.

ds = udt

1¢

1¢

За время dt (рис. 3.5) все частицы из сечения 1-1 переместятся на расстояние в сечении 1–1^. Здесь u – скорость дви­же­ния частиц. Объем жидкости между сечениями

.

 

 

Рис. 3.5

За единицу времени проходит количество жидкости в объеме, равном:

. (3.1)

Единица измерения м³/с. Массовый расход , кг/с. Весовой расход , Н/с.

Поток представляет собой совокупность элементарных струек (рис. 3.6).

d w

u

u max

Расход потока Q - объем жидкости V, протекающей за единицу времени t через живое сечение ω.

Средняя скорость потока - воображаемая, фик­тивная скорость потока, одинаковая для всех точек данного живого се­чения, с которой через живое сечение проходил бы расход, равный фактическому.

При неравномерном движении средняя скорость в различных жи­вых сечениях по длине потока различна. При равномерном движении средняя скорость по длине потока постоянна во всех живых сечениях. Эвивалентный диаметр трубы (hydraulic equivalent diameter) - величина, равная отношению учетверённой площади поперечного сечения (f) к периметру потока (Р), d3 = 4f/Р, м.

Постепенное расширение.

Если расширение происходит постепенно (см. рис. 4.15), то потери напора значительно уменьшаются. При течении жидкости в диффузоре скорость потока постепенно уменьшается, уменьшается кинетическая энергия частиц, но увеличивается градиент давления. При некоторых значениях угла расширения α частицы у стенки не могут преодолеть увеличивающееся давление и останавливаются. При дальнейшем увеличении угла частицы жидкости могут двигаться против основного потока, как при резком расширении. Происходит отрыв основного потока от стенок и вихреобразование. Интенсивность этих явлений возрастает с увеличением угла α и степенью расширения .

Внезапное сужение.

При внезапном сужении потока (см. рис. 4.16) также образуются водоворотные зоны в результате отрыва от стенок основного потока, но они значительно меньше, чем при резком расширении трубы, поэтому и потери напора значительно меньше. Коэффициент местного сопротивления на внезапное сужение потока можно определить по формуле

, где .

Поворот трубы (колено).

В результате искривления потока на вогнутой стороне внутренней поверхности трубы давление больше, чем на выпуклой. В связи с этим жидкость движется с различной скоростью, что способствует отрыву от стенок пограничного слоя и потерям напора (см. рис. 4.17). Величина коэффициента местного сопротивления зависит от угла поворота θ, радиуса поворота R, формы поперечного сечения и приводится в справочниках. Для круглого сечения трубы при θ= 90º. коэффициент сопротивления можно определить по формуле

Во многих случаях приближённо можно считать, что потери энергии при протекании жидкости^[3] через элемент гидравлической системы пропорциональны квадрату скорости жидкости^[2]. По этой причине удобно бывает характеризовать сопротивление безразмерной величиной ζ^[4], которая называется коэффициент потерь или коэффициент местного сопротивления и такова, что

 

22. Внезапное расширение и сужение потока (теорема Борда).

При внезапном расширении потока в трубке от сечения 1 до сечения 2 жидкость не течёт по всему контуру стенок, а движется по плавным линиям токов. Вблизи стенок, где внезапно увеличивается диаметр трубы, образуется пространство, в котором жидкость находится в интенсивном вращательном движении. При таком интенсивном перемешивании происходит очень активное трение жидкости о твёрдые стенки трубы об основное русла потока, а также трение внутри вращающихся потоков, вследствие чего происходят существенные потери энергии. Кроме того, какая-то часть энергии жидкости затрачивается на фазовый переход частиц жидкости из основного потока во вращательные и наоборот. На рисунке видно, что показания пьезометра во втором сечении больше, чем в первом. Тогда появляется вопрос, о каких потерях идёт речь? Дело в том, что показания пьезометра зависят не только от потерь энергии, но и от величины давления. А давление во втором сечении становится больше из-за уменьшения скоростного напора за счёт расширения потока и падения скорости. В этом случае надо учитывать, что если бы не было потерь напора на местном сопротивлении, то высота жидкости во втором пьезометре была бы ещё больше.

Назвав разность потерянной скоростью, можно сказать, что потеря напора при внезапном расширении равна скоростному напору, подсчитанному по потерянной скорости. Это утверждение носит имя теоремы Борда - Карно.

 

23. Трубопроводная арматура. Определение местных сопротивлений.

Трубопроводная арматура — устройство, устанавливаемое на трубопроводах, агрегатах, сосудах и предназначенное для управления (отключения, распределения, регулирования, сброса, смешивания, фазоразделения) потоками рабочих сред (жидкой, газообразной, газожидкостной,порошкообразной, суспензии и т. п.) путем изменения площади проходного сечения.

По области применения

· Пароводяная;

· Газовая;

· Нефтяная;

· Энергетическая;

· Химическая;

· Судовая;

· Резервуарная.

 

Местными гидравлическими сопротивлениями называются любые участки гидравлической системы, где имеются повороты, преграды на пути потока рабочей жидкости, расширения или сужения, вызывающие внезапное изменение формы потока, скорости или направления ее движения. В этих местах интенсивно теряется напор. Примерами местных сопротивлений могут быть искривления оси трубопровода, изменения проходных сечений любых гидравлических аппаратов, стыки трубопроводов и т.п. Потери напора на местных сопротивлениях определяются по формуле Вейсбаха:

;

где - коэффициент местного сопротивления.

Коэффициент местного сопротивления зависит от конкретных геометрических размеров местного сопротивления и его формы. В связи со сложностью процессов, которые происходят при движении жидкости через местные сопротивления, в большинстве случаев его приходится определять на основании экспериментальных данных.

Однако в некоторых случаях величины коэффициентов местных сопротивлений можно определить аналитически.

Из определения коэффициента видно, что он учитывает все виды потерь энергии потока жидкости на участке местного сопротивления. Его физический смысл состоит в том, что он показывает долю скоростного напора, затрачиваемого на преодоление данного сопротивления.

Коэффициенты различных сопротивлений можно найти в гидравлических справочниках. В том случае, если местные сопротивления находятся на расстоянии меньше (25ч50)d друг от друга ( - диаметр трубопровода, соединяющего местные сопротивления), весьма вероятно их взаимное влияние друг на друга, а их действительные коэффициенты местных сопротивлений будут отличаться от табличных. Такие сопротивления нужно рассматривать как единое сложное сопротивление, коэффициент которого определяется только экспериментально. Нужно отметить, что из-за взаимного влияния местных сопротивлений, расположенных вблизи друг друга в потоке, во многих случаях суммарная потеря напора не равна простой сумме потерь напора на каждом из этих сопротивлений.

 

Основные свойства капельных жидкостей (плотность, удельный вес, сжимаемость, сопротивление растяжению, поверхностное натяжение, вязкость).

Плотностью (кг/м3) называют массу жидкости, заключенную в единице объема; для однородной жидкости P=m/V

Удельным весом (Н/м3) называют вес единицы объема жидкости, где G — вес жидкости в объеме V.

Сжимаемость, или свойство жидкости изменять свой объем под действием давления, характеризуется коэффициентом (м2/Н) объемного сжатия, который представляет собой относительное изменение объема, приходящееся на единицу давления, т. е. Знак “минус” в формуле обусловлен тем, что положи­тель­ному приращению давления p соответствует отрицательное при­ра­щение объема V.

Сопротивление растяжению внутри капельных жидкостей по молекулярной' теории может быть весьма значительным. При опытах с тщательно очищенной и Дегазированной водой В ней были получены кратковременные напряжения растяжения до 23 — 28 МПа. Однако технически чистые жидкости, содержащие взвешенные твердые частицы и мельчайшие пузырьки газов, не выдерживают даже незначительных напряжений растяжения. Поэтому в дальнейшем будем считать, что напряжения растяжения в капельных жидкостях невозможны.

Температурное расширение – свойство жидкостей изменять свой объём. Температурное расширениекапельных жидкостей характеризу­ется коэффициентом температурного расширения , °C^-1:

,

где dW –изменение этого объема при повышении температуры на величину dt.

На поверхности раздела жидкости и газа действуют силы поверхностного натяжения, стремящиеся придать объему жидкости сферическую форму и вызывающие некоторое дополнительное давление. Однако это давление заметно сказывается лишь при малых объемах жидкости и для сферических объемов (капель) определяется формулой где σ — коэффициент поверхностного натяжения жидкости; r- радиус сферы. С ростом температуры поверхностное натяжение уменьшается.

Вязкость представляет собой свойство жидкости сопротивляться сдвигу (скольжению) ее слоев. Это свойство проявляется в том, что в жидкости при определенных условиях возникают касательные напряжения.

динамический µ коэфт вязкости [ ].

= . И кинематический [м²/c]. Этот коэффициент представляет собой отношение динамического коэффициента вязкости жидкости к её плотности.

На практике вязкость жидкостей определяется вискозиметрами, из которых наиболее широкое распространение получил вискози­метр Энглера. Вискозиметр Энглера – прибор для определения вязкости нефтепродуктов.