Основы гидравлики. Профессия Основы гидравлики Модуль г. Новокуйбышевск
 Скачать 2.67 Mb.
|
3.Содержание учебного элемента3.1.Общие положенияГидравликой называется наука, изучающая законы равновесия и движения жидкостей и разрабатывающая методы их применения для решения практических задач. Название «гидравлика» происходит от сочетания греческих слов «хюдор» – вода и «аулос» – труба, желоб и первоначально обозначало учение о движении воды по трубам. Такое трактование гидравлики имеет теперь лишь историческое значение, так как с развитием производства и техники область применения законов гидравлики существенно расширилась. На законах гидравлики основан расчёт разнообразных гидротехнических сооружений (например, плотин, каналов, водосливов), трубопроводов для подачи различных жидкостей, гидромашин (насосов, гидротурбин, гидропередач), а также других гидравлических устройств, применяемых во многих областях техники. АэродинамикаАэродинамикой называется наука, изучающая движение газообразных тел, а также взаимодействие их с твёрдыми телами и поверхностями.Название «аэродинамика» происходит от сочетания греческих слов «аэр»- воздух и «динамос» – сила и первоначально обозначало учение о силовом взаимодействии воздушной среды с движущимся в ней телом. На законах аэродинамики основаны расчёт летательных аппаратов, трубопроводов, транспортирующих различные газы (воздухопровод, газопровод, паропроводов), конструирование газовых машин (турбин, компрессоров, вентиляторов), проектирование котельных агрегатов, печей и сушильных установок, воздухо и газоочистных аппаратов и пр. Несмотря на различие физических свойств жидкостей и газов, связанное с большой сжимаемостью газов, многие законы их движения и равновесия при определённых условиях можно считать одинаковыми, поэтому гидравлику и аэродинамику в настоящее время рассматривают в качестве единой науки – механики жидкости, которая, опираясь на основные законы физики и теоретической механики, широко используют математический аппарат. Ввиду сложности явлений, наблюдаемых при движении жидкостей и газов, и необходимости доведения решений до стадии возможного их использования на практике гидравлика и аэродинамика часто прибегают также к экспериментам и, обобщая их результаты, создают эмпирические закономерности. 3.2.Физические свойства жидкостей и газовЖидкостью называют тело, которое легко изменяет свою форму под действием самых незначительных сил. Оно обладает свойством текучести, т.е. большой подвижностью своих частиц, и поэтому принимают форму сосуда, в котором оно находится. По механическим свойствам жидкости разделяют на два класса: малосжимаемые (капельные)и сжимаемые (газообразные). Капельные жидкости отличаются тем, что в малых количествах принимают сферическую форму, а в больших обычно образуют свободную поверхность. Газы же способны к весьма значительному уменьшению своего объёма под действием давления и к неограниченному расширению при отсутствии давления, т.е. они, обладают большой сжимаемостью. Таким образом, общими свойствами капельных жидкостей являются текучесть и весьма малая изменяемость объёма, а общими свойствами газов – текучесть и лёгкая изменяемость объёма при изменении давления и температуры. Жидкости и газы характеризуются определёнными физическими свойствами, важнейшими из которых являются удельный вес, плотность, сжимаемость и вязкость. Удельным весомжидкости (газа), обозначаемым греческой буквой , называется вес единицы её объёма, т.е.: Удельный вес =G/V, (1)где G- вес жидкости; V – объём занимаемой ею. Удельный вес – величина размерная и измеряется в системе СИ в ньютонах на кубический метр (Н/м3). Плотностью называется масса жидкости, заключённая в единице объёма, или отношение массы жидкости к её объёму. Плотность обозначается буквой и определяется по формуле: Плотность = m/V, (2) где m – масса жидкости в объёме V. Между плотностью и удельным весом существует связь, которую легко найти, если учесть, что между весом тела G, его массой m и ускорением свободного падения g имеется зависимость G= m·g .В соответствии с этим: = m/V= G/gV= /g, (3) Плотность в системе СИ измеряется в килограммах на кубический метр (кг/м3). В таблице 1 приведены удельный вес и плотность некоторых жидкостей при температуре t = 20С, а в табл.2 – удельный вес и плотность некоторых газов при температуре t = 15С и давлении 0,1 МПа. В производственных условиях удельный вес или плотность жидкости обычно определяют при помощи специального прибора, называемого ареометром. Ареометр представляет собой удлинённую пустотелую стеклянную трубку (рис.1), в узкой верхней части которой имеется шкала удельного веса и плотности жидкости, а в широкой нижней части - шкала температуры жидкости. Для измерения удельного веса жидкости ареометр погружают в сосуд с ней. Благодаря грузу, помещённому в нижней части ареометра (обычно ртуть или дробь), он плавает в вертикальном положении. Деление на ареометрической шкале, до которого погружается ареометр, соответствует значению удельного веса (плотности) жидкости. Ареометр  Рис.1. Т а б л и ц а 1. Значения удельного веса и плотности некоторых жидкостей
Т а б л и ц а 2. Значения удельного веса и плотности некоторых газов
Объём, занимаемый единицей массы жидкости, называется удельным объёмом: v = V/m (4)Удельный весУдельный объём представляет собой величину, обратную плотности, т.е.:v = 1/ (5) Единица удельного объёма также обратная единице плотности, т.е. выражается в кубических метрах на килограмм (м3/кг). Плотность, удельный вес и удельный объём зависит от давления и температуры, причём эта зависимость существенно различна для капельных жидкостей и газов. Сжимаемостькапельных жидкостей под действием давления характеризуется коэффициентом объёмной сжимаемости v, который представляет собой относительное изменение объёма, приходящееся на единицу изменения давления: V1 - V2 v = ----------------- (6) V1( р 1 –р 2 ) где V1 и V2 - объёмы жидкости, соответственно, начальное и конечное; р 1 и р 2 - давления, соответственно, начальное и конечное. Единица коэффициента объёмной сжимаемости обратна единице давления и в системе СИ выражается в Паскалях в минус первой степени (Па-1). Величина, обратная коэффициенту объёмной сжимаемости, называется модулем упругости жидкости и обозначается Е0: Е0 = 1/v (7) Изменение объёма жидкости в зависимости от изменения температуры характеризуется температурным коэффициентом объёмного расширения t ,выражающим относительное изменение объёма жидкости при изменении её температуры на 1С или 1 К: V2-V1 t = ----------------- (8) V1· (t2-t1 ) где V1 и V2 - объёмы жидкости, соответственно, начальный и конечный; t2 и t 1 - температуры, соответственно, начальная и конечная. Единица температурного коэффициента объёмного расширения выражается в градусах Цельсия в минус первой степени или в Кельвинах в минус первой степени (С –1 = К-1). Температурный коэффициент объёмного расширения капельных жидкостей ничтожно мал. Так, для воды при температуре от 10 до 20С и давлении 0,1 МПа значение t=0,00015С –1 .В связи с этим в практических расчётах температурное расширение жидкостей не учитывается. Вследствие большой сжимаемости газов их плотность и удельный вес в значительной степени зависят от давления, а также от температуры. Процесс сжатия и расширения газов подчиняются известным из термодинамики законам Бойля – Мариотта и Гей - Люсака для идеальных газов. Закон Бойля- Мариотта выражается зависимостью: р1 V1= р2 V2 =const (9) где V1 и V2 -объёмы газа при постоянной температуре, соответственно при р1 и р2. Закон Гей – Люсака устанавливает связь между объёмом и температурой газа при постоянном давлении и характеризуется уравнением: V1/V2 =T1/T2= соnst (10) где T1 и T2 - абсолютные температуры, т.е. температуры, измеренные в Кельвинах (К). Соотношение между абсолютной температурой Т и температурой t, измеренной в градусах Цельсия (С): Т = t +273,15 (11) ВязкостьВязкостью называется свойство жидкости оказывать сопротивление относительному движению (сдвигу) частиц жидкости.Для ознакомления с понятием вязкости жидкости рассмотрим случай движения жидкости параллельными слоями (рис. 2). Пусть скорость движения какого-нибудь слоя А равно u, а скорость движения соседнего слоя В больше на величину u. Величина u выражает собой абсолютный сдвиг слоя В по слою А за единицу времени. При скольжении этих слоёв жидкости друг по другу между ними возникает препятствующая сдвигу сила трения. Относя силу трения к единице площади трения, получим касательное напряжение или напряжение силы трения . Отношение u к расстоянию между слоями А и В у называется относительным сдвигом. Ньютон установил, что сила трения, приходящаяся на единицу площади, прямо пропорциональна относительному сдвигу, т.е. = u/у (12) Коэффициент пропорциональности называется динамической или абсолютной вязкостью. Единица динамической вязкости в системе СИ: = / u/у = Пас. Движения жидкости параллельными слоями  Рис.2. В системе СГС единица динамической вязкость в память французского врача Пуазейля, исследовавшего законы движения вязкой жидкости, была названа пуазом (П). Кинематическая вязкостьНаряду с динамической вязкостью при практических расчётах применяют так называемую кинематическую вязкость , представляющую собой отношение динамической вязкости к плотности жидкости: = / (13) В системе СИ кинематическая вязкость измеряется в квадратных метрах на секунду (м2/с); в системе СГС единица для измерения кинематической вязкости в честь английского физика Стокса была названа Стоксом: 1Ст = 1см2/с = 10-4м2/с (14) Сотая часть Стокса называется сантистоксом (сСт):1сСт = 10-2 Ст. Вязкость капельных жидкостей уменьшается с увеличением температуры, а вязкость газов, наоборот, возрастает (табл.3). Объясняется это различием самой природы вязкости в жидкостях и газах. В жидкостях молекулы расположены гораздо ближе друг к другу, чем в газах, и вязкость вызывается силами молекулярного сцепления. Эти силы с увеличением температуры уменьшаются, поэтому вязкость падает. В газах же вязкость обусловлена главным образом беспорядочным тепловым движением молекул, интенсивность которого увеличивается с ростом температуры, поэтому вязкость газов с увеличением температуры возрастает. Для опытного определения вязкости жидкости применяют специальные приборы, называемые вискозиметрами. Всем капельным жидкостям свойственна испаряемость, однако, интенсивность испарения у различных жидкостей различна и зависит от условий, в которых они находятся. Характеристикой испаряемости является давление (упругость) насыщенных паров. Давлением насыщенных паров называется такое давление, при котором жидкость перестаёт кипеть, если давление в соседе в процессе кипения повышается, или начинает кипеть, если давление в сосуде понижается. Давление насыщенных паров зависит от рода жидкости и её температуры. Для всех жидкостей (не освобождённых от воздуха и других газов, обычно находящихся в жидкости в механической смеси или в растворённом виде) давление насыщенных паров лежит в пределах между давлением в пустоте и атмосферным давлением. Т а б л и ц а 3. Значения кинематической вязкости воды и воздуха
КавитацияТаким образом, чем больше давление насыщенных паров при данной температуре, тем больше испаряемость жидкости. Кипение жидкости при понижении давления до давления насыщенных паров называется кавитацией. При кавитации в жидкости образуются полости (каверны), заполненные парами и выделившимися из жидкости воздухом и другими газами, которые были в ней растворены. Кавитация вредна. Она снижает пропускную способность труб, насадков, вызывает вибрацию, механические повреждения, снижает КПД машин и поэтому, как правило, не допускается.В гидравлике и аэродинамике для облегчения решения некоторых задач используется понятия идеальной жидкости и идеального газа. Под идеальной жидкостью понимают воображаемую жидкость, обладающую абсолютной подвижностью частиц (т.е. лишённую вязкости), абсолютно несжимаемую и абсолютно неспособную сопротивляться разрыву. Под идеальным газом понимают воображаемый газ, лишенный вязкости и удовлетворяющий уравнению Клайпейрона – Менделеева, т.е. газ, разреженный настолько, что взаимодействие между его молекулами можно не учитывать. Таким образом, идеальная жидкость и идеальный газ представляют собой некоторые модели реальной жидкости и реального газа. Выводы, полученные из свойств идеальной жидкости или идеального газа, приходится, как правило, исправлять, вводя поправочные коэффициенты. Вопросы к размышлению: Что называется гидравликой? Н  а какие классы разделяются жидкости?Назовите единицы измерения удельного веса? Что называется плотностью? Чем определяется удельный вес и плотность в производственных условиях? Дайте определение вязкости? Каким прибором определяется вязкость? Что понимается под идеальной жидкостью? | |||||||||||||||||||||||||||||