Основные физические свойства жидкостей

 

В отличие от твердого тела жидкость характеризуется малым сцеплением между частицами, вследствие чего она обладает текучестью и принимает форму сосуда, в который ее помещают.

Жидкости подразделяют на два вида: капельные и газообразные. Капельные жидкости обладают большим сопротивлением сжатию (практически несжимаемы) и малым сопротивлением касательным и растягивающим усилиям (из-за незначительного сцепления частиц и малых сил трения между частицами). Газообразные жидкости характеризуются почти полным отсутствием сопротивления сжатию. К капельным жидкостям относятся вода, бензин, керосин, нефть, ртуть и другие, а к газообразным — все газы.

Гидравлика изучает капельные жидкости. При решении практических задач гидравлики часто пользуются понятием идеальной жидкости — несжимаемой среды, не обладающей внутренним трением между отдельными частицами.

К основным физическим свойствам жидкости относятся плотность, давление, сжимаемость, температурное расширение, вязкость.

Плотность — это отношение массы к объему, занимаемому этой массой. Плотность измеряют в системе СИ в килограммах на кубический метр (кг/м3). Плотность воды составляет 1000 кг/м3.

Используются также укрупненные показатели: – килопаскаль — 1 кПа= 103 Па; – мегапаскаль — 1 МПа = 106 Па.

Сжимаемость жидкости — это ее свойство изменять объем при изменении давления. Это свойство характеризуется коэффициентом объемного сжатия или сжимаемости, выражающим относительное уменьшение объема жидкости при увеличении давления на единицу площади. Для расчетов в области строительной гидравлики воду считают несжимаемой. В связи с этим при решении практических задач сжимаемостью жидкости обычно пренебрегают.

Величина, обратная коэффициенту объемного сжатия, называется модулем упругости. Модуль упругости измеряется в паскалях.

Температурное расширение жидкости при ее нагревании характеризуется коэффициентом температурного расширения, который показывает относительное увеличение объема жидкости при изменении температуры на 1 С.

В отличие от других тел объем воды при ее нагревании от 0 до 4 °С уменьшается. При 4 °С вода имеет наибольшую плотность и наибольший удельный вес; при дальнейшем нагревании ее объем увеличивается. Однако в расчетах многих сооружений при незначительных изменениях температуры воды и давления изменением этого коэффициента можно пренебречь.

Вязкость жидкости — ее свойство оказывать сопротивление относительному движению (сдвигу) частиц жидкости. Силы, возникающие в результате скольжения слоев жидкости, называют силами внутреннего трения, или силами вязкости.

 

5. Гидростатическое давление — Благодаря полной малоподвижности своих частиц капельные и газообразные жидкости, находясь в покое, передают давление одинаково во все стороны; давление это действует на всякую часть плоскости, ограничивающей жидкость, с силой Р, пропорциональной величине w этой поверхности, и направленной по нормали к ней. Отношение Pw, то есть давление р на поверхность равную единице, называется гидростатическим давлением. Это основное свойство жидкостей было открыто и проверено на опыте Паскалем, в 1653 г., хотя несколько ранее оно было уже известно Стивену. Простое уравнение P = pw может действительно служить для точного вычисления давления на данную поверхность сосуда, газов и капельных жидкостей, находящихся при таких условиях, что часть давления, зависящая от собственного веса жидкостей, ничтожно мала по сравнению с давлением, передаваемым им извне. Сюда относятся почти все случаи давлений газов и расчеты давлений воды в гидравлических прессах и аккумуляторах. Условно-принятые меры Г. давления всегда выражают отношения силы к поверхности, поэтому в системе абсолютных единиц (см. Единицы мер) они выражают число «дин» на кв. см

 

6.Основным законом (уравнением) гидростатики называется уравнение:

 

где

— гидростатическое давление (абсолютное или избыточное) в произвольной точке жидкости,

— плотность жидкости,

— ускорение свободного падения,

— высота точки над плоскостью сравнения (геометрический напор),

— гидростатический напор.

 

Уравнение показывает, что гидростатический напор во всех точках покоящейся жидкости является постоянной величиной.

 

Иногда основным законом гидростатики называют принцип Паскаля

Гидравлические машины

Закон паскаля: Давление, производимое на покоящуюся жидкость или газ, передается в любую точку жидкости или газа одинаково по всем направлениям.

8. Гидростатический парадокс — явление, при котором вес налитой в сосуд жидкости может отличаться от силы давления на дно.

Гидростатический парадокс - свойство жидкостей, заключающееся в том, что сила тяжести жидкости, налитой в сосуд, может отличаться от силы, с которой эта жидкость действует на дно сосуда. Причина гидростатического парадокса состоит в том, что жидкость давит не только на дно, но и на стенки сосуда. Вес жидкости в сосуде будет равен сумме высотных составляющих напора по всей внутренней площади сосуда. Если, к примеру, сосуд имеет участки внутренней поверхности, давление на которые направлено вверх, эти участки внесут вклад в вес со знаком минус. Статическое давление жидкости на дно окажется больше, чем вес жидкости, отнесённый к площади дна.

9. Закон Архимеда формулируется следующим образом[1]: на тело, погружённое в жидкость (или газ), действует выталкивающая сила, равная весу вытесненной этим телом жидкости (или газа)(называемая силой Архимеда)

 

 

где — плотность жидкости (газа), — ускорение свободного падения, а — объём погружённого тела (или часть объёма тела, находящаяся ниже поверхности). Если тело плавает на поверхности или равномерно движется вверх или вниз, то выталкивающая сила (называемая также архимедовой силой) равна по модулю (и противоположна по направлению) силе тяжести, действовавшей на вытесненный телом объём жидкости (газа), и приложена к центру тяжести этого объёма.

Вопрос 10 и 11: Объясните физический смысл слагаемых основного уравнения гидростатики.

Основное уравнение гидростатики: , где

P – общее давление (внешнее давление и давление столба жидкости);

– внешнее давление, т.е. давление, которое действует на поверхность жидкости;

- гидростатическое давление (давление столба жидкости), т.е. давление, которое оказывает столб жидкости в определённой точке. ( - плотность жидкости, – ускорение свободного падения, - высота столба жидкости)

 

 

12. Плавание тел, состояние равновесия твёрдого тела, частично или полностью погруженного в жидкость (или газ). Основная задача теории П. т.— определение положений равновесия тела, погруженного в жидкость, выяснение условий устойчивости равновесия. Простейшие условия П. т. указывает Архимеда закон.

Основные понятия теории П. т. (рис. 1): 1) водоизмещение тела — вес жидкости, вытесняемой телом в состоянии равновесия (совпадает с весом тела); 2) плоскость возможной грузовой ватерлинии — всякая плоскость ab, отсекающая от тела объём, вес жидкости в котором равен водоизмещению тела; 3) поверхность грузовых ватерлиний — поверхность I, в каждой точке которой касательная плоскость является плоскостью возможной грузовой ватерлинии; 4) центр водоизмещения — центр тяжести А объёма, отсекаемого плоскостью возможной грузовой ватерлинии; 5) поверхность центров водоизмещения — поверхность II, являющаяся геометрическим местом центров водоизмещения.

 

 

13. В покоящейся жидкости всегда присутствует сила давления, которая называется гидростатическим давлением. Жидкость оказывает силовое воздействие на дно и стенки сосуда. Частицы жидкости, расположенные в верхних слоях водоема, испытывают меньшие силы сжатия, чем частицы жидкости, находящиеся у дна.

Рассмотрим резервуар с плоскими вертикальными стенками, наполненный жидкостью (рис.2.1, а). На дно резервуара действует сила P равная весу налитой жидкости G = γ V, т.е. P = G.

Если эту силу P разделить на площадь дна Sabcd, то мы получим среднее гидростатическое давление, действующее на дно резервуара.

Гидростатическое давление обладает свойствами:

Свойство 1. В любой точке жидкости гидростатическое давление перпендикулярно площадке касательной к выделенному объему и действует внутрь рассматриваемого объема жидкости.

Свойство 2. Гидростатическое давление неизменно во всех направлениях.

Свойство 3. Гидростатическое давление в точке зависит от ее координат в пространстве.

 

Вопрос №14 «Основные понятия гидродинамики»

Гидродинамика изучает законы движения жидкости и её взаимодействия с покоящимися и движущимися твёрдыми телами.

1. Поле скоростей – это картина скоростей в каждый момент времени.

2. Поле давлений – это картина гидродинамических давлений, в каждый данный момент времени.

3. Гидродинамическое давление – это сила взаимодействия между частицами жидкости отнесённая к единице площади. Гидродинамическое давление в любой точке потока отлично от атмосферного (это движение жидкости в трубе при перекачивании насосами.).

4. Установившееся движение – если скорость и давление в каждой данной точке пространства заполненного жидкостью остаются постоянными во времени.

5. Неустановившееся движение – поле скоростей и поле давлений будет непрерывно изменятся.

6. Живое сечение потока – это площадь сечения потока, проведённого нормалью линий к направлению линий тока, т.е. к направлению скоростей элементарных струек.

7. Напорное движение – если стенки сосуда полностью ограничивают поток.

8. Безнапорное движение - когда часть живого сечения ограничена открытой поверхностью (твёрдые стенки ограничивают любое сечение частично) Пример: в открытых каналах реки.

9 . Смоченный периметр – это часть периметра живого сечения по которому поток соприкасается с ограничивающими его стенками.

10. Гидравлический радиус сечения – это отношение площади живого сечения к смоченному периметру. R = S / X.

11. Расход потока – это количество жидкости протекающее через его живое сечение в единицу времени. Q_v – объёмный расход, м³/с. Q_M – массовый расход, кг/с. Q_G – весовой расход, н/с. Весовой расход соответствует силе тяжести жидкости проходящей через живое сечение потока в единицу времени. Q_G = Q_M * g = Q_V *p*g.

12. Средняя скорость потока(фиктивная) – это воображаемая скорость с которой должны двигаться через живое сечение потока все частицы для того, чтобы расход жидкости был равен расходу получаемому при движении жидкости с действительными неодинаковыми для различных частиц скоростями.

13. Равномерное движение – если движение жидкости установившееся, размеры и форма живых сечений вдоль потока не изменяется и средние скорости во всех поперечных сечениях равны.

14. Неравномерное движение – это установившееся движение, по длине потока изменяются его поперечное сечение, средние скорости не постоянны.

15. Эквивалентный диаметр - это диаметр такой трубы которая обеспечит тот же расход, что и реальное сечение потока.

16. Ковитация – местное нарушение сплошности течения с образованием в жидкости паровых и газовых каверн, вызванное местным падением давления, при этом в жидкости образуются паровые и газовые полости (коверны).

 

 

15.ДВИЖЕНИЕ ЖИДКОСТИ основной вопрос, изучаемый гидромеханикой и гидравликой в разделе гидродинамика. Основные виды движения жидкости: равномерное и неравномерное; установившееся и неустановившееся; напорное и открытое (безнапорное); ламинарное и турбулентное.

Установившееся неравномерное движение представляет практич. интерес только для открытых русел, т. к. трубопроводы обычно имеют постоянное по длине сечение, а относительно короткие переходные участки (конфузоры и диффузоры), характеризующиеся нек-рыми особенностями в отношении работы трения, учитываются как местные сопротивления в основном расчетном ур-нии Бернулли.

Неравномерное движение в открытом русле может быть плавноизменяющимся или относительно резкоизменяющимся. В первом случае конвективная сила инерции играет небольшую роль и зачастую ею можно пренебрегать по сравнению с силой трения, во втором случае эти силы по меньшей мере соизмеримы.

Значительное увеличение скорости на участке малой длины достигается в случае водосливов, перепадов, быстротоков (см. Гидравлика сооружений); такое же уменьшение скорости возможно в случае прыжка гидравлического.

Неустановившееся равномерное движение практически возможно лишь в трубах постоянного сечения. Напр., в трубопроводе, питаемом поршневым насосом; в трубопроводе, подающем воду к турбине при колебаниях нагрузки ГЭС.

Перед инерционным напором ставится знак плюс, если скорость в трубе с течением времени увеличивается, и минус, если скорость уменьшается. Потерянный напор hT при неустановившемся движении отличается от его значений в соответствующих условиях (при одинаковых шероховатости, вязкости, скорости, диаметре) установившегося движения, причем и при положительном и при отрицательном ускорении hT возрастает по сравнению с установившимся движением. При турбулентном движении это возрастание невелико, при ламинарном же может оказаться существенным.

При очень большом локальном ускорении в трубах возникает особое явление, наз. гидравлическим ударом.

 

 

Режимы движения жидкости

При наблюдении за движением жидкости в трубах и каналах, можно заметить, что в одном случае жидкость сохраняет определенный строй своих частиц, а в других - перемещаются бессистемно. Однако исчерпывающие опыты по этому вопросу были проведены Рейнольдсом в 1883 г.

Установка состоит из резервуара А с водой, от которого отходит стеклянная труба В с краном С на конце, и сосуда D с водным раствором краски, которая может по трубке вводиться тонкой струйкой внутрь стеклянной трубы В.

Если уменьшить скорость потока, то восстановится ламинарное течение.

Итак, ламинарным называется слоистое течение без перемешивания частиц жидкости и без пульсации скорости и давления. При ламинарном течении жидкости в прямой трубе постоянного сечения все линии тока направлены параллельно оси трубы, при этом отсутствуют поперечные перемещения частиц жидкости.

Турбулентным называется течение, сопровождающееся интенсивным перемешиванием жидкости с пульсациями скоростей и давлений. Наряду с основным продольным перемещением жидкости наблюдаются поперечные перемещения и вращательные движения отдельных объемов жидкости. Переход от ламинарного режима к турбулентному наблюдается при определенной скорости движения жидкости. Эта скорость называется критической υ кр.

Значение этой скорости прямо пропорционально кинематической вязкости жидкости и обратно пропорционально диаметру трубы.

Как показывает опыт, для труб круглого сечения Reкр примерно равно 2300.

Таким образом, критерий подобия Рейнольдса позволяет судить о режиме течения жидкости в трубе. При Re < Reкр течение является ламинарным, а при Re > Reкр течение является турбулентным. Точнее говоря, вполне развитое турбулентное течение в трубах устанавливается лишь при Re примерно равно 4000, а при Re = 2300…4000 имеет место переходная, критическая область.

Режим движения жидкости напрямую влияет на степень гидравлического сопротивления трубопроводов.

 

20.Раскажите об опыте и чесле Рейнольдса?Охарактеризуйте режимы движения жидкости?

Рейнольдс проводил опыты на такой установке:

 

Установка состоит из бака 1 с исследуемой жидкостью и стеклянной горизонтальной трубы 2 с краном 3 для регулирования расхода. Для измерения расхода имеется мерная емкость 4. Над баком 1 имеется небольшая емкость 5 с подкрашенной жидкостью, которая может поступать через краник 6 по тоненькой трубочке 7 на вход трубы 2.

Опыты проводились следующим образом. Открывались краны 3 и 6, измерялся расход жидкости и одновременно проводились наблюдения за струйкой окрашенной жидкости в прозрачной трубе 2. При малых скоростях движения в трубе 2 окрашенная струйка не расплывается и имеет вид натянутой линии, т.е. течение имеет слоистый характер и отсутствует перемешивание жидкости. Такой режим течения получил название ламинарным.

При увеличении скорости течения в трубке 2 струйка краски начинает колебаться, затем размываться и перемешиваться, причем становится заметным вихреобразования и вращательное движение жидкости. Такой режим течения называется турбулентным. Движение отдельных частиц жидкости при таком режиме оказывается хаотичным, появляются нормальные к направлению течения составляющие скорости.

Существует еще некоторый переходной режим течения, при котором струйка краски еще не размывается полностью, но и не имеет вид прямолинейной.

Рейнольдс установил общие условия, при которых возможно существование ламинарного и турбулентного режимов движения жидкости и переход от одного к другому. Оказалось, что режим течения жидкости в трубе зависит от безразмерного числа, которое учитывает среднюю скорость U, диаметр трубы d, плотность жидкости Б и ее вязкость ј. Это число, которое получило название число Re, имеет вид:

Re = UdБ / ј = Ud / Ѕ

Опытным путем было установлено, что при значениях числа Re=2320 происходит переход от ламинарного режима течения к турбулентному. Это значение называется критическим Re и обозначается Reкр. Таким образом по числу Re можно судить о режиме течения.

При Re<Reкр- режим течения ламинарный, при Re>Reкр - турбулентный.

Переходный режим считается при Re= 2320–4000.

Таким образом, зная скорость движения жидкости, ее вязкость и диаметр трубы можно расчетным путем найти число Re и определить режим течения жидкости.

Ламина́рное тече́ние — течение, при котором жидкость или газ перемещается слоями без перемешивания и пульсаций (то есть беспорядочных быстрых изменений скорости и давления).

Турбулентное течение — явление, заключающееся в том, что при увеличении скорости течения жидкости или газа в среде самопроизвольно образуются многочисленные нелинейные волны (завихрения).

Переходное течение 2300<Re<10000

 

Вопрос

Потери энергии (уменьшение гидравлического напора) можно наблюдать в движущейся жидкости не только на сравнительно длинных участках, но и на коротких. В одних случаях потери напора распределяются (иногда равномерно) по длине трубопровода - это линейные потери; в других - они сосредоточены на очень коротких участках, длиной которых можно пренебречь, - на так называемых местных гидравлических сопротивлениях: вентили, всевозможные закругления, сужения, расширения и т.д., короче всюду, где поток претерпевает деформацию. Источником потерь во всех случаях является вязкость жидкости.

 

Следует заметить, что потери напора и по длине и в местных гидравлических сопротивлениях существенным образом зависят от так называемого режима движения жидкости.

 

При наблюдении за движением жидкости в трубах и каналах, можно заметить, что в одном случае жидкость сохраняет определенный строй своих частиц, а в других - перемещаются бессистемно. Однако исчерпывающие опыты по этому вопросу были проведены Рейнольдсом в 1883 г.

 

При движении реальных жидкостей по трубам имеет место потери давления. Они обусловлены сопротивлением трения и местным сопротивлением. Потери на трение – имеют место на всей длинне трубопровада и зависят от режима движения потока увеличенный с возврастанием турбулентности.
Потери на местные сопротивление возникают при любых изменениях скорости потока при изменении направления(внезапные расширения, краны, сужения, вентерил)
Полное гидравлическое споротивление сети будет расчитываться