Основы гидравлики и теплотехники Гидравлика

Гидравлика ─ отрасль механики, изучающая законы равновесия и движения жидкостей и разрабатывающая способы применения этих законов к решению практических задач.

К числу таких задач относятся: расчёт гидравлических сопротивлений при движении жидкости или газа по трубе; расчёт средних скоростей движения по трубе и расходов жидкости; определение скоростей истечения и т.п. Гидравлика разделяется на гидростатику и гидродинамику.

1. Общие сведения по гидравлике. Понятие об «идеальной» жидкости. Физические свойства жидкостей

Жидкости делятся на упругие (газы и пары) и капельные. Капельной жидкостью называется непрерывная среда, обладающая свойством текучести, т.е. способностью неограниченно менять свою форму под действием сколько угодно малых сил, но в отличие от газа мало изменяющая свою плотность при изменении давления.

Сжимаемостью называется свойство жидкости изменять свою плотность при изменении давления и температуры. Если плотность не меняется при изменении давления, она называется несжимаемой. Жидкость, плотность которой зависит от давления, называется сжимаемой. К сжимаемым жидкостям относятся газы и пары. Они также называются упругими жидкостями.

Идеальная жидкость – это абсолютно несжимаемая, абсолютно невязкая и абсолютно нетеплопроводная жидкость. В природе таких жидкостей не существует.

Реальные жидкости обладают сжимаемостью, вязкостью и теплопроводностью, однако решение ряда теоретических вопросов в гидравлике значительно облегчается при использовании идеальной жидкости.

Идеальный газ ─ это такой газ, в котором отсутствует взаимодействие молекул. Такой газ подчиняется уравнению Менделеева-Клапейрона. Реальные газы близки к свойствам идеального газа при низких давлениях, и температурах, далеких от температур конденсации.

Физические свойства жидкостей

Плотность

Плотностью жидкости называют физическую величину, численно равную массе единицы объёма жидкости

,

где ─ масса, кг;─ объём, м³.

Плотность капельных жидкостей зависит только от температуры. Плотность пресной воды при температуре 4 °С:

Вязкость.

Физическое свойство жидкости оказывать сопротивление сдвигу называют вязкостью.

Любая реальная жидкость обладает только ей присущей вязкостью. При относительном перемещении смежных частиц жидкости возникают силы внутреннего сопротивления (внутреннее трение).

Наряду с легко подвижными жидкостями (например, водой, воздухом) существуют очень вязкие жидкости, сопротивление которых сдвигу весьма значительно (глицерин, тяжелые масла и др.). Таким образом, вязкость характеризует степень текучести жидкости или подвижности ее частиц.

Пусть жидкость течет вдоль плоской стенки параллельными ей слоями (рисунок 1.1), как это наблюдается при ламинарном дви­жении. Вследствие тормозящего влияния стенки слои жидкости будут двигаться с разными скоростями, значения которых возрастают по мере отдаления от стенки.

Рисунок 1.1 ─ Распределение скоростей при течении жидкости вдоль твердой стенки

Рассмотрим два слоя жидкости, двигающиеся на расстоянии друг от друга. СлойА движется со скоростью , а слойВ ─ со скоростью . Вследствие разности скоростей слойВ сдвигается относительно слоя А на величину (за единицу времени).

Величина является абсолютным сдвигом слояА по слою В, а есть градиент скорости (относительный сдвиг).

Появляющееся при этом движении касательное напряжение (силу трения на единицу площади) обозначим через . Тогда аналогично явлению сдвига в твердых телах мы получим следующую зависимость между напряжением и скоростью деформации

или, если слои будут находиться бесконечно близко друг к другу,

(1.1)

Выражение (1.1) называется законом трения Ньютона.

Величина , аналогичная коэффициенту сдвига в твердых телах и характеризующая сопротивление жидкости сдвигу, называетсядинамической или абсолютной вязкостью.

Значение динамической вязкости зависит от рода жидкости и её температуры.

Единцы измерения динамической вязкости

Жидкости, подчиняющиеся этому закону, называются ньютоновскими.

Отношение динамической вязкости к её плотности называется относительной или кинематической вязкостью, м²/с

Кинематическая вязкость воды при температуре 20С равна