2.8. Законы переноса

При изучении потоков жидкостей и газов обычно рассматривается перенос трех величин: одной векторной (количества движения) и двух скалярных (тепла и вещества). В движущемся потоке, в общем случае, наблюдается неоднородность таких величин, как скорость, температура и концентрация вещества. Вследствие наличия этих неоднородностей в среде возникают явления переноса количества движения, тепла и массы.

Если в потоке выделить некоторый элементарный объем, то по его поверхности будут действовать касательные и нормальные силы. Касательные силы возникают вследствие наличия внутреннего трения или вязкости. Как известно из физики, Ньютон сформулировал закон переноса количества движения молекул, согласно которому касательное напряжение трения между двумя слоями прямолинейно движущейся вязкой жидкости пропорционально отнесенному к единице длины изменению скорости по нормали к направлению движения

. (2.49)

Коэффициент пропорциональности в уравнении (2.49) называется динамическим коэффициентом вязкости. Как известно, динамический коэффициент вязкости не зависит от давления и от характера движения, а определяется лишь физическими свойствами жидкости и ее температурой.

Законы переноса тепла и массы имеют вид, аналогичный закону Ньютона. Например, закон Фурье для переноса тепла будет

, (2.50)

а закон Фика для переноса вещества

, (2.51)

где q и - количество тепла и вещества, переносимого через единицу площади в единицу времени;

Т и с - температура и концентрация вещества.

Коэффициенты пропорциональности и D называются соответственно коэффициентами теплопроводности и диффузии. Коэффициенты и D зависят только от физических свойств среды и температуры.

По своей структуре все существующие потоки реальной вязкой жидкости делятся на ламинарные и турбулентные. При ламинарном или слоистом движении подкрашенные струйки остаются резко выделенными во все время движения, т.е. отдельные частицы движутся по определенным траекториям. При турбулентном движении отдельные частицы жидкости совершают беспорядочное движение по хаотически переплетенным и быстро изменяющимся траекториям. От структуры потока существенно зависят все процессы переноса, т.е. величины, характеризующие процесс переноса количества движения, тепла и вещества. В силу этого законы переноса, приведенные выше, пригодны лишь для ламинарных потоков, при турбулентном движении процессы переноса значительно сложнее.

2.9. Требования к рабочим жидкостям

Физические и эксплуатационные свойства рабочих жидкостей должны удовлетворять целому комплексу требований, среди которых можно назвать следующие:

- широкий диапазон возможных температур. Верхняя граница этого диапазона ограничена температурой самовозгорания жидкости и возможностью ее расслоения или химического распада. Нижняя граница определяется предельно допустимыми значениями вязкости жидкости;

- возможность длительной эксплуатации с большими давлениями, обусловленными жесткими условиями по минимальным габаритам и весу гидроагрегатов;

- достаточно высокая объемная прочность жидкости, которая характеризуется давлением насыщенного пара этой жидкости при различных температурах. При уменьшении фактического давления в жидкости ниже давления парообразования происходит испарение жидкости в образующиеся пузыри, т.е. разрыв сплошности жидкости;

- хорошая смазывающая способность для уменьшения износа деталей и снижения сил трения между ними, влияющих на характеристики агрегатов;

- химическая нейтральность к материалам деталей агрегатов: металлам, их покрытиям, резине и пластмассам. Отсутствие кислот, разрушающих железные детали, и щелочей, реагирующих с цветными металлами;

- хорошие электроизоляционные свойства. Отсутствие солей, которые способствуют образованию гальванических пар;

- неизменность свойств с течением времени, отсутствие выпадения осадков, окисления;

- достаточно высокая пожаробезопасносгь, характеризующаяся температурой вспышки;

- малая токсичность жидкости и ее паров при работе с ней людей;

- достаточно низкая стоимость.

Для надежной и длительной работы гидропривода основным требованием к рабочим жидкостям является способность сохранять длительное время свои эксплуатационные качества (физические свойства и химический состав). Кроме того, рабочие жидкости должны обладать антикоррозийными и смазывающими свойствами, т.е. не только не вызывать коррозию, но и обеспечивать эффективное смазывание трущихся поверхностей, образуя на них прочный слой, который исключит полностью или частично контакт этих поверхностей между собой и уменьшит их износ.

Вредное влияние на работу гидропривода оказывают пузырьки нерастворенного воздуха, поэтому рабочие жидкости должны легко выделять эти пузырьки без образования пены на поверхности жидкости в гидробаках. Жидкости должны иметь достаточно высокую температуру кипения, мало испаряться при работе, а их пары не должны быть вредными для здоровья людей, взрыво- и пожароопасными при работе оборудования.

В качестве рабочих жидкостей для гидроприводов используют в основном минеральные масла, получаемые путем перегонки нефти. Эти масла являются основой в которую добавляют антипенные, антиокислительные и другие присадки, повышающие эксплуатационные качества масел. В гидроприводах машин, работающих при повышенных или отрицательных температурах окружающего воздуха, повышенной взрывоопасности и других особых условиях, в качестве рабочих жидкостей применяют синтетические жидкости или эмульсии на водной основе. Однако по сравнению с минеральными маслами синтетические жидкости значительно дороже в изготовлении, а водно-эмульсионные жидкости уступают маслам по антикоррозийным и смазывающим свойствам.