ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Общие сведения По гидравлике из "Процессы и аппараты химической технологии Часть 1" В химической технологии процессы переноса наиболее часто протекают в жидкой, газовой или паровой фазах, обычно при их движении или перемешивании. При этом скорость процессов переноса в значительной мере зависит от гидродинамических условий в аппаратах, в которых эти процессы осуществляются. Во многих случаях гидродинамические условия предсказуемы и их можно направленно регулировать с целью создания в аппаратах оптимальных режимов, поскольку они основаны на достаточно хорошо изученных законах гидродинамики. Поэтому прежде чем перейти к выводу основных законов переноса количества движения, энергии и массы, следует рассмотреть некоторые понятия и определения, лежащие в основе гидравлики, необходимые при выводе этих законов. [c.32] Гидравлика-это наука, изучающая законы равновесия и движения различных жидкостей (не только воды ). В отличие от теоретической гидромеханики, которая оперирует сложным и строгим математическим аппаратом, гидравлика, являясь технической наукой, при решении различных практических задач использует те или иные упрощающие допущения и предположения, ограничиваясь во многих случаях анализом одномерного движения. Поэтому гидравлические решения зачастую носят приближенный характер. Очень часто они основываются непосредственно на результатах экспериментов (лабораторных и натурных), поэтому в гидравлике приводится много различных экспериментальных зависимостей. При решении задач гидравлики стремятся к оценке только главных характеристик изучаемого явления и часто оперируют теми или иными осредненными величинами, которые дают достаточно надежную (для решения технических задач) характеристику рассматриваемого явления например, часто пользуются средними скоростями движения частиц жидкости в том или ином сечении потока. [c.32] Гидравлику подразделяют на гидростатику (законы равновесия жидкостей в состоянии покоя) и гидродинамику (законы движения жидкостей). При этом принято объединять жидкости, газы и пары под единым наименованиемпоскольку при скоростях потоков, значительно меньших, чем скорость звука, законы движения жидкостей без существенных поправок справедливы для газов и паров. Поэтому в дальнейшем под жидкостями будем понимать все вещества, обладающие текучестью. [c.33] В гидромеханике при выводе основных законов используют понятие так называемой идеальной жидкости, под которой (в отличие от реальной) подразумевают жидкость, абсолютно несжимаемую, не изменяющую своей плотности под действием температуры и давления и не обладающую вязкостью. [c.33] Реальные жидкости подразделяют на капельные и упругие (газы или пары). Капельные жидкости можно считать практически несжимаемыми, они обладают относительно малым коэффициентом объемного расширения. [c.33] Жидкость в состоянии покоя или движения находится под действием различных сил, которые можно разделить на объемные и поверхностные. [c.33] Объемные силы. Эти силы действуют на каждый элемент данного объема жидкости и пропорциональны массе, заключенной в данном объеме. К ним относятся силы тяжести, силы инерции и центробежные силы. [c.33] Поверхностные силы. Они действуют на поверхности, ограничивающей данный объем жидкости и отделяющей его от окружающей среды. К ним относятся силы давления и силы внутреннего трения силы вязкости). При равновесии покоящейся жидкости на нее действуют силы тяжести и силы давления, в то время как закономерности движения жидкостей (реальных) определяются действием не только сил тяжести и давления, но и в очень большой степени силами внутреннего трения (силами вязкости). [c.34] Параметром, отражающим действие сил давления жидкости на дно и стенки сосуда, в котором она находится, а также на поверхность любого погруженного в нее тела, является гидростатическое давление. Выделим внутри жидкости, находящейся в покое, площадку AS. На эту площадку по нормали к ней внутрь жидкости будет действовать сила давления столба жидкости АР. Отношение AP/AS представляет собой среднее гидростатическое давление, а предел этого отношения при AS О называют гидростатическим давлением в данной точке, или просто гидростатическим давлением Р. [c.34] В гидромеханике напряжения считают положительными, если они направлены вдоль нормали к поверхности S из объема V, поэтому нормальные напряжения, сжимающие данный объем, т.е. направленные внутрь объема, отрицательны. В дальнейшем будем рассматривать только напряжения сжатия, так как растягивающих напряжений реальные жидкости не выдерживают. [c.35] В системе единиц СИ гидростатическое давление выражают в Па (Н/м ), в технике же часто-в ат, кгс/см или в единицах высоты (Я) столба манометрической или рабочей жидкости. Для пересчета давления, выраженного в одних единицах, в другие можно воспользоваться формулой Р = рдН, а также соотнощениями между различными единицами давления (1 ат = 1 кгс/см = 10 кг/м = = 10 м вод. ст. = 98 100 Па A 0,1 МПа). [c.35] Возникновение касательных напряжений обусловлено переносом количества движения (импульса) в движущихся жидкостях при неравномерном распределении скорости. Скорость распределена неравномерно как в жидкостях, текущих в каналах, так и у поверхности тел, перемещающихся в жидкостях. Неравномерность распределения скоростей объясняется взаимодействием между соседними слоями жидкости, а также взаимодействием частиц жидкости с поверхностью канала или перемещающегося тела. Взаимодействие между соседними слоями выражается во взаимном обмене хаотически перемещающимися молекулами и во взаимном притяжении близко расположенных молекул соседних слоев. [c.35] Таким образом, движущееся твердое тело, например пластина (рис. 3-1, й), способствует ускорению ближайших слоев жидкости, передавая им импульс те, в свою очередь, взаимодействуют с ближайшими к ним слоями, ускоряют их, передавая импульс все более и более дальним слоям жидкости. [c.36] При движении жидкости в канале отдаленные от стенки более быстрые слои жидкости тормозятся, отдавая количество движения слоям, близко расположенным к стенке, скорость которых ниже. Таким образом, в текущей жидкости с неоднородным полем скоростей осуществляется перенос импульса от тормозящихся более быстрых слоев к ускоряющимся более медленным слоям. Причиной переноса является непосредственный хаотический переход молекул из слоя в слой, что характерно для газов и частично-для капельных жидкостей. Кроме того, причиной переноса импульса в капельных жидкостях может быть непосредственное взаимодействие молекул соседних слоев жидкости, ввиду того что силы притяжения между плотно упакованными молекулами капельных жидкостей велики. [c.36] Передача импульса от слоя к слою эквивалентна появлению трения между слоями, поскольку, согласно второму закону Ньютона, сила равна производной импульса по времени. Эта сила препятствует взаимному перемещению соприкасающихся слоев жидкости. Таким образом, напряжение сил трения равно плотности потока импульса через граничную поверхность между слоями текущей жидкости. [c.36] Уравнение (3.6) выражает закон внутреннего трения Ньютона. Жидкости, в которых напряжения внутреннего трения подчиняются этому закону, называют ньютоновскими. Жидкости, при течении которых напряжения внутреннего трения не описываются уравнением (3.6), называют неньютоновскими. В технике обычно приходится иметь дело с ньютоновскими жидкостями, поэтому в дальнейшем основное внимание будет уделено именно этим жидкостям. [c.37] Вязкость характеризует сопротивление жидкости смещению ее слоев и является одним из основных физических свойств жидкостей. Вязкость жидкостей, как правило, уменьшается с повышением температуры вследствие увеличения расстояния между молекулами из-за ослабления сил притяжения между ними. Кроме того, с ростом температуры уменьшается ассоциация молекул капельных жидкостей. [c.37] Вязкость газов растет с повышением температуры, поскольку увеличивающаяся скорость теплового движения интенсифицирует обмен импульсом между слоями потока. С ростом давления вязкость газов также увеличивается. [c.37] Коэффициент пропорциональности V = ц/р (м /с) называют кинематической вязкостью. [c.37] Таким образом, коэффициенты динамической (ц) и кинематической (у) вязкости характеризуют сопротивление жидкости смещению ее слоев и одновременно служат мерой интенсивности переноса импульса в текущей жидкости, поскольку являются отношением плотности потока импульса к градиенту скорости или импульса. [c.37] Вернуться к основной статье