Чефанов В.М. Основы гидравлики: Учебное пособие

Подождите немного. Документ загружается.

Основы гидравлики

жидкости образуются полости – кавитационные пузыри или каверны, заполненные

паром, газом или их смесью. Кавитационные каверны образуются в тех местах, где

давление в жидкости становится ниже некоторого критического. Критическое

давление, при котором происходит разрыв жидкости, зависит от многих факторов:

чистоты жидкости, содержания растворенного газа, состояния поверхности, на

которой возникает кавитация.

Если давление в жидкости снижается вследствие возрастания местных

скоростей потока жидкости, то кавитация называется гидродинамической; если

снижение давления вызвано прохождением акустических волн, то кавитация

называется акустической.

Впервые с явлением динамической кавитации встретились в судостроении в

1894 году при испытании английского миноносца «Дэринг». На режимах полного

хода винт резко изменял свои характеристики, что приводило к падению скорости

корабля. Тогда же Фрудом был введен термин «кавитация». Примерно в то же время

Рейнольдс исследовал возможность разрыва жидкости в трубках с горловиной.

В жидкости, свободной от примесей, при давлении, равном давлению ее

насыщенных паров, происходит вскипание жидкости. Это явление называется

паровой кавитацией. Образовавшиеся пузырьки пара переносятся потоком в область

повышенного давления, где пар конденсируется, пузырьки схлопываются. Однако в

потоке жидкости, как правило, содержится некоторое количество газа, мельчайшие

пузырьки которого имеют радиус порядка 10

-9

м и невидимы невооруженным

глазом. Эти пузырьки воздуха – нуклеоны (зародыши) – переносятся потоком

жидкости и, попадая в область низкого давления, начинают расти. Через

поверхность пузырька происходит диффузия газа: внутрь пузырька или из него в

зависимости от концентрации газа в пузырьке и окружающей его жидкости. Это

явление называется газовой кавитацией. Практически почти всегда наблюдается

парогазовая кавитация.

В.М. Чефанов

Основы гидравлики

При попадании в область повышенного давления кавитационный пузырек

уменьшается в размерах, а может схлопываться. Схлопывание сопровождается

звуковыми импульсами и гидравлическими ударами, способными разрушить

обтекаемую поверхность (кавитационная эрозия).

Кавитация вызывает:

а) снижение рабочих показателей у гидравлических машин: напора и подачи у

насосов, мощности у турбин, упора у гребных винтов, подъемной силы у гидрокры-

льев и, как следствие этого, уменьшение к.п.д.;

б) увеличение коэффициентов местных потерь ζ у трубок Вентури, диафрагм,

клапанов, кранов и т.п.;

в) разрушение (эрозию) поверхности обтекаемых или направляющих стенок в

районе исчезновения кавитационных пузырьков (на участке повышения давления

жидкости);

г) появление шума и вибрации в гидравлических устройствах. Как правило,

кавитация ухудшает характеристики гидравлических устройств и машин. Однако

существуют и вновь разрабатываются технологии, использующие явление кавита-

ции для получения положительного эффекта.

2.8. Облитерация. Заращивание узких щелей и зазоров вследствие

адсорбции (отложения) полярноактивных молекул жидкости на их стенках

называется облитерацией. Примыкающий к стенкам слой жидкости приобретает

свойства квазитвердого тела, вязкость которого отличается по величине от вязкости

жидкости. Поэтому часть пограничного слоя прилипает к поверхности щели.

Толщина этого слоя для масел равна 4…5 мкм, что может существенно уменьшить

поперечное сечение щелевых каналов и зазоров или даже полностью их зарастить.

2.9. Особые свойства воды

В.М. Чефанов

Основы гидравлики

Из общего количества воды на Земле, равного1386 млн куб. км, только 5 млн.

куб. км (2,5%) приходится на долю пресных, все остальные – 97,5% - соленые воды

Мирового океана, минерализованные подземные воды и воды соленых озер.

Пресной называют воду, в 1 л которой содержится не более 1 г растворенных

веществ (солей), т.е. воду соленостью не более 0,1%. Соленость океанской воды

равна в среднем 3,5% (в 1 л воды содержится 35 г солей), соленость крови человека,

очень близкой по составу к морской воде составляет около 1% - это соленость воды

средней части Балтийского моря. Человек для поддержания своей жизни должен

получать около 2,5 л воды в сутки – в виде напитков и вместе с пищей. В тканях

взрослого человека содержится 65 – 70% воды.

Почти 70% пресной воды заключена в ледяных покровах полярных стран и в

горных ледниках, 30% - в водоносных слоях под землей, а в руслах всех рек

содержится одновременно лишь 0,006% пресных вод. А речные воды – это самый

удобный для пользования вид природных вод. Водами рек с глубокой древности

удовлетворяет человек основные хозяйственные нужды: бытовое и промышленное

водоснабжение, орошение земель, энергетику, транспорт. Через пески подземные

воды движутся со скоростью 4 – 12 км в сутки, через суглинки – 3-5 м в сутки.

Языки ледников движутся еще медленнее, проходя за сутки не более1 м. Скорость

течения речных вод в открытых руслах в десятки тысяч раз больше (40-60 км в

сутки).

Вода имеет следующую структуру молекулы: атом кислорода и два атома

водорода образуют у центрального атома кислорода угол 10427, что приводит к не

полной компенсации внутримолекулярных сил, избыток которых обусловливает

асимметрию распределения зарядов, создающих полярность воды. Эта полярность у

воды более значительная, чем у других веществ, определяет ее исключительную

способность как растворителя. В природных водах содержится добрая половина

всех известных нам химических элементов. Главное, вода является инертным

растворителем, так как сама химически не изменяется.

В.М. Чефанов

Основы гидравлики

Несмотря на то, что воду принимали в качестве эталона различных величин,

она является самым аномальным веществом. Этих удивительных аномалий у воды

много, рассмотрим некоторые из них.

Все вещества при нагревании увеличивают свой объем и уменьшают

плотность. У воды наблюдается тоже самое, за исключением интервала температур

от 0 до 4С, когда с возрастанием температуры объем не увеличивается, а

уменьшается. Таким образом, для воды зависимость между объемом и температурой

двузначна, например, при температурах 3 и 5 масса воды занимает один и тот же

объем.

При замерзании воды ее объем внезапно возрастает примерно на 11% и также

внезапно, скачком, уменьшается при таянии льда, при температуре 0С. Увеличение

объема воды при замерзании имеет громадное значение в природе и технике.

Рассмотренные процессы протекают лишь при значении абсолютного

давления, равного 10

Па. С увеличением давления температура замерзания

понижается примерно на градус через каждые 130 атм. Так при давлении 500 атм

замерзание наступает при температуре -4С, а при давлении 2200 атм – при -22С.

При дальнейшем увеличении давления точка замерзания начинает расти, достигая

при 16500 атм +60С.У других веществ подобное поведение не встречается.

Подобная аномалия воды очень важна в природе. Даже без учета растворенных в

воде солей в океане, на больших глубинах вода не замерзает. Например, при

температуре -3 С она не замерзает даже на глубине около 4000м.

Следующая аномалия воды связана с ее теплоемкостью. Она в 5-30 раз выше,

чем у других веществ. У всех тел, кроме ртути и жидкой воды, удельная

теплоемкость с повышением температуры возрастает. У воды она в интервале

температур от 0 до 35 С падает, а затем снова начинает возрастать. При одинаковом

получении солнечного тепла вода в водоеме нагреется в 5 раз меньше, чем сухая

песчаная почва на берегу, но при этом вода во столько же раз дольше будет

сохранять тепло по сравнению с песком. Соотношение теплоемкости воды и воздуха

В.М. Чефанов

Основы гидравлики

таково, что если стометровый слой воды в океане охладится на 0,1С, то воздух над

ним нагреется на 6С.

2.10. Газ как рабочее тело пневмопривода

Воздух является смесью газов и имеет следующий состав: около 78% объема

составляет азот, около 21% кислород, кроме того, он содержит небольшое

количество двуокиси углерода, аргона, водорода, неона, гелия, криптона, ксенона и

паров воды.

Для обеспечения надежной работы пневматической системы необходимо

использовать воздух высокого качества. Наиболее важны следующие параметры

воздуха: уровень давления, влажность воздуха, уровень очистки воздуха.

Как правило, пневматические устройства промышленного назначения

проектируются на максимальное рабочее давление 800-100 кПа (8-10 бар). В

транспортных устройствах оптимальное значение давления может иметь большую

величину. Оптимальное значение рабочего давления на стационарных установках

обычно не превышает 600 кПа (6 бар).

При заборе воздуха из атмосферы в пневмосистему попадают водяные пары.

Абсолютная влажность воздуха – это масса паров воды, содержащаяся в 1 м

Влажность насыщенного пара – это наибольшая масса паров воды, которая может

содержаться в 1м

воздуха при данной температуре. Относительная влажность

воздуха, измеряемая в процентах, определяется по формуле:

%100

параонасыщенногВлажность

влажностьАбсолютная

влажностьаяОтностельн

Точкой росы называется температура, при которой относительная влажность

становится равной 100%. При понижении температуры ниже точки росы начинается

конденсация содержащихся в воздухе паров воды. Температура точки росы воздуха

должна быть на 2-3С ниже температуры окружающей среды. Повышенная

В.М. Чефанов

Основы гидравлики

влажность воздуха уменьшает долговечность пневматической системы. Поэтому для

ее снижения применяют различные способы осушки.

Различные функции подготовки сжатого воздуха (фильтрация, регулирование

и смазка элементов пневматической системы) могут выполняться отдельными

элементами или одним устройством – блоком подготовки воздуха. В современных

системах подача смазки в сжатый воздух не всегда нужна. Влага, загрязнения и

избыток масла могут привести к износу движущихся частей и уплотнений. Важную

роль играет выбор воздушного фильтра. Основным параметром фильтра сжатого

воздуха является размер ячеек фильтрующего элемента, от которого зависит размер

наименьших частиц, задерживаемых фильтром. В нормальных фильтрах размер

ячеек находится в диапазоне от 5 до 40 микрометров (мкм). Под степенью

фильтрации понимается процент твердых частиц, определенного размера, которые

могут отделяться от потока воздуха. Например, степень фильтрации 99,99%

гарантируется для частиц размером от 5 мкм. В фильтрах тонкой очистки могут

отфильтровываться 99,999% частиц величиной более 0,01 мкм. Для определения

срока замены фильтра необходимо проводить визуальный осмотр или измерение

перепада давления на фильтре.

2.11. Модели жидкости

При изучении движения жидкости далеко не всегда возможно получить

решение с учетом всех свойств, которыми обладает жидкость. Поэтому вместо

реальной жидкости рассматривают ее модель – жидкость, лишенную каких-либо

свойств, которые при условиях задачи можно считать несущественными. Такими

моделями жидкости могут быть:

- несжимаемая жидкость;

- идеальная жидкость – жидкость, лишенная вязкости;

- идеальный или совершенный газ – газ, в котором отсутствуют силы

межмолекулярного взаимодействия. С достаточной степенью точности газы можно

считать идеальными в тех случаях, когда рассматриваются их состояния, далекие от

В.М. Чефанов

Основы гидравлики

областей фазовых превращений. Параметры состояния газа связаны между собой

уравнением Клапейрона-Менделеева. В идеальном газе вязкость отсутствует.

Примеры

Пример 2.1. Для периодического аккумулирования воды при изменении

температуры в системах центрального водяного отопления устраивают

расширительные резервуары, которые присоединяются к системе в верхней ее точке

и сообщаются с атмосферой. Определить наименьший объем расширительного

резервуара, чтобы он полностью не опорожнялся. Допустимое колебание

температуры во время перерывов в топке



t=95-70=25С. Объем воды в системе V=

0,55 м

. Коэффициент температурного расширения воды



=0,0006 1/град (при

t=80C).

Решение. Наименьший объем расширительного резервуара, равный

изменению объема воды при изменении ее температуры на 25C, определим по

формуле:







t=0,00060,5525=0,0083 м

=8,3 л.

Пример 2.2. В отопительный котел поступает вода в объеме V=50 м

при

температуре t=70С. Сколько воды V

будет выходить из котла, если доводить нагрев

до температуры t

=90С (коэффициент температурного расширения воды принять

равным



=0,00064 1/град)?

Решение. Изменение объема воды при нагреве на



t=20 град вычисляем по

формуле:









t=0,000645020=0,64 м

;

=V+



V=50,64 м

Пример 2.3. В отопительной системе (котел, радиаторы и трубопроводы)

небольшого дома содержится V=0,4 м

воды. Сколько воды дополнительно войдет в

расширительный бачок при нагревании от 20 до 90C?

Решение. Плотность воды при температуре 20C (см. табл.)



=998 кг/м

;

В.М. Чефанов

Основы гидравлики

масса воды

m=V



0,4998=399 кг.

Плотность воды при температуре 90C



=965 кг/м

;

объем, занимаемый водой при температуре 90C:

V=m/





=399/965=0,414 м

Дополнительный объем воды, поступившей в расширительный бачок, составит:



V=0,414 - 0,04=0,014 м

Вопросы для самопроверки

1. Чем отличаются друг от друга твердое тело, жидкость и газ?

2. Какими свойствами обладают жидкости и газы?

3. Какими характеристиками определяются процесс выравнивания

неоднородностей в жидкости? Назовите механизм выравнивания

неоднородностей.

4. Какие жидкости могут рассматриваться при изучении их движения?

5. Перечислите основные физические характеристики жидкостей и газов и

укажите, какие свойства они определяют.

6. Назовите виды неньютоновских жидкостей.

7. В чем состоит отличие идеальных, реальных и аномальных жидкостей?

Задачи.

2.1. Нефть, имеющая удельный вес





=910

н/м

обладает при

температуре t=50C вязкостью



=5,88410

-3

кг/мс. Определить ее кинематическую

вязкость.

Ответ.



=6,410

-6

/с.

В.М. Чефанов

Основы гидравлики

2.2. Кинематическая вязкость нефти при температуре t=10C составляет 12

сантистоксов. Определить динамическую вязкость



при температуре t=20C;

плотность нефти равна



=0,890 кг/см

Ответ.



=0, 01068 кг/м



с.

2.3. Зависимость динамического коэффициента вязкости от температуры

может быть выражена формулой вида



=a exp b/T, где a и b – некоторые постоянные

для данной жидкости величины, не зависящие от температуры.

Найти эти постоянные для машинного масла, если известно, что при

температуре t=+14С



=21 пуаза, а при температуре t=+30С



=6,02 пуаза.

Определить также динамическую вязкость масла при температуре t=+20C.

Ответ.



=5,6810

-10

exp 6994/T пуаза;



=13,2 пуаза

2.4. В автоклав объемом V

=50 л под некоторым давлением закачано 50,5 л

эфира. Определить, пренебрегая деформацией стенок автоклава, повышение

давления в нем



p, если коэффициент объемного сжатия эфира при t=20C



=1,9510

-9

/н.

Ответ.



p51,410

Па.

2.5. Автоклав с диаметром цилиндрической части d=1 м и длиной l=2 м

имеет днище и крышку в форме полусферы. Определить объем воды



V, который

требуется дополнительно закачать в него для того, чтобы поднять давление p от 0 до

1000 ати (избыточных), считая коэффициент объемного сжатия воды



=4,1910

-10

1/Па. Увеличением объема сосуда пренебречь.

Ответ.



V=86,1 л.

2.6. Винтовой пресс Рухгольца для градуировки пружинных манометров

работает на масле с коэффициентом объемного сжатия



=6,2510

-5

см

/кгс.

Определить, на сколько оборотов надо повернуть маховик винта, чтобы поднять

давление на 1 ат, если начальный объем рабочей камеры пресса V

=628 см

диаметр плунжера d=20 мм, шаг винта h=2 мм. Стенки рабочей камеры считать

недеформируемыми.

В.М. Чефанов

Основы гидравлики

Ответ. n=1/16 оборота.

к задаче 2.5

к задаче 2.6

В.М. Чефанов