Лекции по "Технологии"

В  практике эксплуатации гидравлических систем имеются случаи, когда вследствие действия того или иного возмущения  в жидкости может значительно изменяться давление. В таких случаях пренебрежение сжимаемостью приводит к существенным погрешностям.

Температурное расширение жидкости

Температурное расширение жидкости состоит  в том, что она может изменять свой объем при изменении температуры. Это свойство характеризуется температурным коэффициентом объемного расширения, представляющим относительное изменение объема жидкости при изменении температуры на единицу (на 1^оC) и при постоянном давлении:

По аналогии со свойством  сжимаемости жидкости можно записать

или через плотность

Изменение объёма при  изменении температуры происходит за счёт изменения плотности.

Для большинства жидкостей  коэффициент b_t с увеличением давления уменьшается. Коэффициент b_t с уменьшением плотности нефтепродуктов от 920 до 700 кг/м³ увеличивается от 0,0006 до 0,0008; для рабочих жидкостей гидросистем b_t обычно принимают не зависящим от температуры. Для этих жидкостей увеличение давления от атмосферного до 60 МПа приводит к росту b_t примерно на 10 – 20 %. При этом, чем выше температура рабочей жидкости, тем больше увеличение b_t. Для воды с увеличением давления при температуре до 50 ^оC  b_t  растёт, а при температуре выше 50  ^оC  уменьшается.

Растворение газов

Растворение газов - способность жидкости поглощать (растворять) газы, находящиеся в соприкосновении с ней. Все жидкости в той или иной степени поглощают и растворяют газы. Это свойство характеризуется коэффициентом растворимости k_р.

Если в закрытом сосуде жидкость находится в контакте с газом  при давлении P₁, то газ начнёт растворяться в жидкости. Через какое-то время

 

произойдёт насыщение  жидкости газом и давление в сосуде изменится. Коэффициент растворимости связывает изменение давления в сосуде с объёмом растворённого газа и объёмом жидкости следующим соотношением

где    V_Г – объём растворённого газа при нормальных условиях,

V_ж – объём жидкости,

P₁  и P₂ – начальное и конечное давление газа.

Коэффициент растворимости  зависит от типа жидкости, газа и  температуры.

При температуре 20 ºС и атмосферном давлении в воде содержится около 1,6% растворенного воздуха по объему (k_p  = 0,016). С увеличением температуры от 0 до 30 ºС коэффициент растворимости воздуха в воде уменьшается. Коэффициент растворимости воздуха в маслах при температуре 20 ºС равен примерно 0,08 – 0,1. Кислород отличается более высокой растворимостью, чем воздух, поэтому содержание кислорода в воздухе, растворенном в жидкости, примерно на 50% выше, чем в атмосферном. При уменьшении давления газ из жидкости выделяется. Процесс выделения газа протекает интенсивнее, чем растворение.

Кипение

Кипение – способность жидкости переходить в газообразное состояние. Иначе это свойство жидкостей называют испаряемостью.

Жидкость можно довести  до кипения повышением температуры  до значений, больших температуры  кипения при данном давлении, или  понижением давления до значений, меньших  давления насыщенных паров p_нп жидкости при данной температуре. Образование  пузырьков  при понижении давления до давления насыщенных паров  называется холодным кипением.

Жидкость, из которой  удален растворенный в ней газ, называется дегазированной. В такой жидкости, кипение не возникает и при температуре, большей температуры кипения при данном давлении.

Сопротивление растяжению жидкостей

Сопротивление растяжению жидкостей заключается в способности жидкости противостоять растягивающим силам.

Сопротивление растяжению жидкостей может возникать только в дегазированных жидкостях. В опытах удавалось при центрифугировании дегазированной дистиллированной воды получить на очень короткое время напряжения растяжения в воде, доходившие приблизительно до 25 МПа. Технические жидкости не сопротивляются растягивающим усилиям.

Газы могут находиться в жидкости в растворенном и нерастворенном виде. Присутствие в жидкости нерастворенного газа в виде пузырьков существенно уменьшает модуль упругости жидкости, причем это уменьшение не зависит от размеров пузырьков воздуха. Динамическая вязкость жидкости с увеличением содержания в ней воздуха растет. Содержание нерастворенного воздуха в рабочих жидкостях гидросистем машин и механизмов, так же как и в трубопроводах, подающих жидкость, может сильно повлиять на параметры работы трубопроводов и гидросистем.

Вязкость

Вязкость – свойство жидкости оказывать сопротивление  относительному сдвигу ее слоев. Вязкость проявляется в том, что при относительном перемещении слоев жидкости на поверхностях их соприкосновения возникают силы сопротивления сдвигу, называемые силами внутреннего трения, или силами вязкости. Если рассмотреть то, как распределяются скорости различных слоёв жидкости по сечению потока, то можно легко заметить, что чем дальше от стенок потока, тем скорость движения частиц больше. У стенок потока скорость движения жидкости равна нулю. Иллюстрацией этого является рисунок, так называемой, струйной модели потока. На рисунке применены следующие обозначения:

- скорость слоя жидкости,

- расстояние между соседними слоями жидкости.

Медленно движущийся слой жидкости «тормозит» соседний слой жидкости, движущийся быстрее, и наоборот, слой, движущийся с большей скоростью, увлекает (тянет) за собой слой, движущийся с меньшей скоростью. Силы внутреннего трения появляются вследствие наличия межмолекулярных связей между движущимися слоями.

Если между соседними  слоями жидкости выделить некоторую  площадку S, то согласно гипотезе Ньютона

где    T – силы вязкого трения;

 S – площадь трения;

градиент скорости

μ – коэффициент вязкого трения.

Величина μ в этом выражении является динамическим коэффициентом вязкости, равным

или

^;

где τ – касательное напряжение в жидкости (зависит от рода жидкости).

Физический смысл коэффициента вязкого трения - число, равное силе трения, развивающейся на единичной  поверхности при единичном градиенте  скорости.

Единицы измерения: [Н·с/м²], [кГс·с/м²], [Пз]{Пуазейль}, 1Пз=0,1Н·с/м².

На практике чаще используется кинематический коэффициент вязкости, названный так потому, что в его размерности отсутствует обозначение силы. Этот коэффициент представляет собой отношение динамического коэффициента вязкости жидкости к её плотности

.

Единицы измерения: [м²/c], [cм²/c], [Ст] {стокс}, [сСт] {сантистокс}, 1Ст=100сСт  {1Ст=1 cм²/c}.

Анализ свойства вязкости

Для капельных жидкостей  вязкость зависит от температуры t и давления Р, однако последняя зависимость проявляется только при больших изменениях давления, порядка нескольких десятков МПа.

Зависимость коэффициента динамической вязкости от температуры  выражается формулой вида:

где  μ_t – коэффициент динамической вязкости при заданной температуре,

μ₀ – коэффициент динамической вязкости при известной температуре (для минеральных масел при 50 ⁰C),

T – заданная температура,

T₀ –температура, при которой измерено значение μ₀ (50 ⁰C для минеральных масел)_,

k_t – коэффициент, для минеральных масел равный  0,02-0,03,

e – основание натурального логарифма равное 2,718282.

Зависимость относительного коэффициента динамической вязкости от давления описывается формулой

где  μ_P – коэффициент динамической вязкости при заданном давлении,

μ₀ – коэффициент динамической вязкости при известном давлении (чаще всего при нормальных условиях),

P – заданное давление,

P₀ –давление, при которой измерено значение μ_0,

k_P – коэффициент, для минеральных масел равный  0,002-0,003.

Влияние давления на вязкость жидкости проявляется только при высоких давлениях.

Для примера приведём значения кинематического коэффициента вязкости n для некоторых жидкостей: масла индустриальные (по ГОСТ 20799-75) при температурах 50 ⁰C: И-5А – 4-5 сСт, И-12А – 10-14 сСт, И-40А – 35-45 сСт; вода пресная при 20 ⁰C - 0,0101Ст; ртуть при 15⁰C 0,0011- Ст, сталь жидкая при 1550 ⁰C – 0,0037 Ст.

Вязкость жидкости  - это свойство, проявляющееся только при движении жидкости, и не влияющее на покоящиеся жидкости. Вязкое трение в жидкостях подчиняется закону трения, принципиально отличному от закона трения твёрдых тел, т.к. зависит от площади трения и скорости движения жидкости.

Жидкости, которые подчиняются  описанному закону жидкостного трения Ньютона, называются ньютоновскими жидкостями. Однако есть жидкости, трение в которых описывается другими закономерностями.

Неньютоновские жидкости

Особенностью ньютоновских жидкостей является полное отсутствие трения покоя. Однако существуют жидкости (растворы полимеров, коллоидные суспензии, строительные растворы, пищевые и кормовые смеси и т. п.), для которых связь между касательным напряжением t и поперечным градиентом скорости не подчиняется закону Ньютона. Такие жидкости называются неньютоновскими или Бингемовские, и отличаются от ньютоновских наличием касательного напряжения в состоянии покоя t₀.

Например, касательные  напряжения подчиняются закону

Такие жидкости называются вязкопластичными, и движение их слоёв начинается лишь после того, как будет преодолено напряжение сдвига покоя t₀.

Для других неньютоновских жидкостей динамическая вязкость может  зависеть от градиента скорости, времени  и т. д. Эта зависимость может  иметь, например, следующий вид

где k – коэффициент, который может зависеть от скорости, времени, температуры, давления и некоторых других факторов.