Министерство образования и науки РФ
Образовательное учреждение высшего профессионального образования
Воронежская государственная лесотехническая академия
Кафедра “Гидравлики, теплотехники и электротехники”
Контрольная работа по дисциплине
“Гидравлика”
Выполнил: студент 643 гр. ФЗО
Солодовников И.О.
Проверил:_____________________
_____________________
_____________________
Воронеж 2011
Содержание
1. Размещение рабочих фильтров…………………………………….
2. Гидрораспределители. Назначениею Основные виды. ………..
3. Список использованной литературы……………………………….
1.Размещение рабочих фильтров
При выборе места для установки фильтра всего расхода руководствуются следующими соображениями. Для предохранения насоса (Н), который наиболее чувствителен к загрязнениям жидкости, фильтр желательно устанавливать на всасывающей линии насоса (рис.1, а). Опыт показывает, что при установке фильтров в линии всасывания повышается срок службы насосов.
Однако фильтр увеличивает сопротивление всасывающей линии и тем самым ухудшает условия заполнения насоса жидкостью. Фильтры, устанавливаемые на линии нагнетания, могут быть рассчитаны на более высокое сопротивление, однако корпус фильтра в этом случае будет находиться под рабочим давлением.
Учитывая, что основным источником внутреннего загрязнения является насос, целесообразно (рис. 1, б) устанавливать фильтр после насоса (на линии нагнетания).
Фильтр, установленный на сливной линии (рис. 1, в), хотя непосредственно и не предохраняет агрегаты от загрязняющих частиц, однако не препятствует всасыванию и не находится под рабочим давлением.
Фильтр часто устанавливают на сливной линии по схеме, представленной на рис. 1, г. По этой схеме через фильтр можно пропускать часть сливаемой жидкости, что позволяет применить фильтры тонкой очистки. Количество жидкости, пропускаемой через фильтр, регулируется подпорным клапаном а. Конструкция фильтра должна быть такой, чтобы при замене фильтрующего элемента не требовалось демонтировать фильтр и сливать жидкость из гидросистемы; для этой цели фильтры снабжают автоматическими блокирующими устройствами, запирающими жидкость в системе при замене фильтрующих элементов.
Рисунок 1- Схемы установки фильтров.
2. Гидрораспределители. Назначение. Основные виды.
Распределитель (распределительное устройство) предназначен
для управления потоком рабочей жидкости между участками и
агрегатами гидросистемы. С помощью распределителей
обеспечивается направление рабочей жидкости к соответствующему
исполнительному гидромеханизму, а также осуществляется реверс
механизмов.
По конструктивному исполнению распределители жидкости
разделяют в основном на золотниковые, крановые и клапанные.
ЗОЛОТНИКОВЫЕ РАСПРЕДЕЛИТЕЛИ
Рабочим органом распределителей этого типа является
перемещающийся в осевом направлении во втулке (гильзе)
цилиндрический плунжер, на котором выполнено несколько кольцевых
проточек. В золотниковых распределителях более сложной
конструкции, помимо осевых, использованы также и поворотные
движения плунжера вокруг оси, что повышает их позиционность.
Подвод и отвод жидкости производится через окна питания
во втулке и соответствующие проточки плунжера.
По количеству подключенных внешних линий (каналов питания),
по которым рабочая жидкость подводится к распределителю и
отводится от него, различают распределители четырехлинейные
(четырехходовые), трехлинейные и двух линейные.
На рис. 2 показаны схемы четырехходовых золотниковых
распределителей, предназначенных для управления двусторонним
движением гидродвигателя, осуществляемого путем подачи
поступающей от насоса жидкости под давлением в одну из двух
полостей (рабочую) гидродвигателя при одновременном отводе ее
из противоположной (нерабочей) полости в резервуар.
Жидкость от насоса подводится к каналу 4 (рис. 2, а), из
которого в зависимости от положения плунжера 2 поступает в ту
или иную (рис. 2, б) полости гидравлического двигателя 1,
одновременно с этим вторая (нерабочая) полость гидродвигателя
соединяется с каналом 3, ведущим в резервуар.
Основным преимуществом золотниковых распределителей
является то, что их плунжеры уравновешены от осевых статических
сил давления жидкости, поскольку рабочее давление жидкости
действует на пояски плунжера в противоположных направлениях.
Рисунок 2- Принципиальные схемы золотниковых распределителей.
В таких золотниках легко осуществляется многопозиционность и, кроме того, они обладают при соответствующем выполнении относительно небольшим трением
. Для уравновешивания плунжера от сил давления рсл жидкости, могущего быть в сливной линии (в каналах 3 и 5), плунжер золотника, показанного на рис. 2, в снабжен с левой стороны ложным хвостовиком. При отсутствии такового (рис. 3, а) давление Pсг в сливной линии, с которой соединены каналы 3 и 5, будет действовать на неуравновешенную площадь плунжера
(где D и d — диаметры плунжера и его хвостовика), стремясь
сместить его вправо. Это неуравновешенное усилие
давления жидкости равно:
Рисунок 3 – Схемы четырехходового золотника.
С этой же целью плунжер золотника, показанного на рис.3,
а, снабжен дополнительными поясками. Полости cud этого
золотника должны быть соединены непосредственно (минуя сливную
линию) с баком или атмосферой. При дистанционном управлении
в эти полости подается командное давление,
Уравновешивание плунжера золотника от сливного давления
может быть достигнуто также путем применения трехпояскового
золотника, выполненного по схеме, представленной на рис. 3, б.
Преимуществом таких золотников применительно к следящим
системам является то, что в них имеется всегда лишь
один контролируемый в производстве осевой размер, который
определяет характеристики следящих систем.
Применяют также трехходовые и реже — двухходовые
золотники, причем последние являются по существу перекрывными
Рисунок 4 – Схемы трехходовых золотников
кранами (вентилями). Трехходовые золотники (рис. 4, а)
применяют в основном в том случае, когда окно питания
гидродвигателя необходимо последовательно соединить с источником
давления (с насосом) или с резервуаром, т. е. в гидродвигателях
одностороннего действия. Однако в некоторых случаях их применяют
также и в двусторонних гидродвигателях.
Подобная схема с трехходовым золотником, допускающим изменение направления движения гидродвигателя, показана на рис. 4, б. В этой схеме применен силовой цилиндр двойного действия, в котором эффективная площадь поршня со стороны штока вдвое меньше площади поршня с противоположной стороны .
В положении плунжера, показанном на рис.4, б, жидкость поступает от источника питания одновременно как в левую, так и в правую полости цилиндра, в результате поршень будет перемещаться
вправо. Скорость V движения поршня и развиваемое им усилие Р
определяется в зависимости от расхода жидкости источника
питания Q по выражениям:
При соединении левой полости цилиндра со сливом и правой
с источником питания поршень будет перемещаться влево со
скоростью
По числу фиксируемых положений плунжера различают
двухпозиционные и трехпозиционные золотники. Если плунжер золотника не задерживается в среднем положении, такой золотникназывают двухпозиционным; если задерживается с помощью каких-либо устройств — трехпозиционным.
Рисунок 5 – Схемы перекрытий золотников.
По величине перекрытий поясками плунжера в среднем его положении расходных окон втулки (корпуса) различают распределители с положительным (рис. 5, а) и отрицательным (рис. 5, б) перекрытием. Реже применяются золотники с нулевым
перекрытием (рис. 5, в).
В золотниках первого типа (рис. 5, а) ширина h рабочего
пояска плунжера превышает ширину t проходного окна корпуса
золотника для протока жидкости, поэтому поясок плунжера
при симметричном его положении по отношению к этим окнам
h — t перекрывает соответствующее окно на длине .
В золотниках второго типа (рис. 5, б) ширина h рабочего
пояска меньше ширины t проходного окна, в результате чего при
среднем положении плунжера золотника по обеим сторонам его
пояска образуется начальный зазор, равный . Посколь-
ку при условии h < t величина перекрытия с, вычисленная по
выражению , будет иметь отрицательное значение,
подобное перекрытие окон уплотняющими поясками золотника условно называют «отрицательным перекрытием» .
Золотники третьего типа с нулевым перекрытием^ (t = h)
применяются в тех случаях, когда требуется, чтобы при любом
малом смещении плунжера из среднего положения образовывалась
расходная щель. К подобным случаям относятся гидравлические
следящие системы .
В зависимости от конструкции золотника рабочие полости
гидродвигателя в среднем положении плунжера либо фиксируются,
либо соединяются с резервуаром. На рис. 6 показаны возможные
соединения каналов питания при среднем положении плунжера.
В схеме с положительным перекрытием, представленной на рис.
6, а, перекрыты все каналы золотника; в схеме, представленной на рис. 6, б, блокирован лишь канал питания, каналы же, соединенные с полостями гидродвигателя, соединены с баком; в схеме с отрицательным перекрытием, представленной на рис. 6, в, все каналы соединены с баком.
Гидравлические характеристики золотника определяются его сопротивлением, которое для золотников с острыми отсечными кромками принято выражать коэффициентом \i расхода. В этом случае расход жидкости Q и сопротивление Ар в расходной щели золотника можно определить, применяя соотношения для истечения жидкости из отверстия в тонкой стенке :
Рисунок 6 – Схемы канализации золотников.
Коэффициент расхода для ламинарного потока является
функцией числа Рейнольдса, однако для турбулентного потока,
который в золотниках является преобладающим, этот
коэффициент при Re =-—— > 260, где V — скорость жидкости, можно
принимать без учета влияния сопротивления подводящих каналов
постоянным.
Для минеральных масел и щелей с острыми кромками можно в практических расчетах принимать для последних условий \х = 0,60 ч- 0,62. Для закругленных кромок или кромок с фасками \i = 0,75 -г- 0,8.
При числах Re < 200—260, соответствующих малым
смещениям золотника (открытиям окон), коэффициент \i может быть
приближенно принят в среднем равным jut = 0,5. Размеры
золотника определяются в основном расходом и
допустимой скоростью жидкости в его каналах, которая, в свою
очередь, зависит от назначения золотника и рабочего давления
в системе.
Скорость течения жидкости в каналах корпуса золотника
и в проточках плунжера обычно выбирают, в целях
уменьшения габаритов, в 2—2,5 раза выше скорости жидкости
в подводящих трубах, однако потеря напора в золотнике не
должна превышать примерно 2% рабочего давления.
Практически скорость жидкости выбирают равной 6—10 м'сек и реже до 15 м/сек.
При расчете сечений каналов исходят также из условия, чтобы
площадь сечения потока жидкости в любом месте канала была
не меньше ~ 40— 50% площади сечения подводящей трубы.
В ряде рекомендаций принято, что отношение квадрата
проходного сечения каналов распределителя к квадрату сечения
трубопровода равно -р- = 0,1.
Подвод жидкости в камеры золотника и отвод из них обычно
производится через круговые (кольцевые) проточки а в корпусе
(в гильзе), занимающие 360°, соединенные с трубопроводами
(см. рис. 6, а). Благодаря подобному выполнению каналов
питания по всей окружности контакта плунжера с гильзой
достигают максимального значения размера как проходное окно по
окружности, так и его площадь S = ndh, где d и h — диаметр плунжера и ширина окна вдоль оси.
Кроме того, золотники в подобном исполнении отличаются
простотой, а также тем, что подобные кольцевые щели обладают
свойством самоочищения от частичек загрязнителя, которые при
открытии щели уносятся потоком жидкости.
Диаметр d, шейки плунжера золотника (см. рис. 6, а) должен
быть таким, чтобы было обеспечено требуемое проходное сечение
между шейкой и втулкой золотника и
одновременно с этим была сохранена требуемая поперечная жесткость плунжера; обычно соблюдается условие
Для обеспечения герметичности минимальный диаметральный
зазор в золотниках обычно выбирается равным 0,004—0,01 мм.
При более жестких требованиях к герметичности диаметральный
зазор для диаметров золотника до 25 мм и давления р = 150 —
200 кГ/см2 составляет 0,004—0,007 мм.
Ниже приведены рекомендуемые по зарубежным источникам
зазоры между гильзой и плунжером для общего машиностроения:
необходимо учитывать температурное расширение материалов, из которых изготовлены детали плунжерной пары, с тем чтобы было устранено защемление плунжера при изменениях температуры. В тех случаях, когда золотник и корпус распределителя изготовлены из материалов с различными коэффициентами теплового расширения, изменение зазора может быть вычислено по выражению ^
Величину диаметра и длину плунжера золотника, а также
величину его хода выбирают с учетом обеспечения требуемого
расхода жидкости при допустимом сопротивлении потоку жидкости.
При выборе диаметра плунжера исходят также из необходимости уменьшения трения. Так как трение плунжера золотника зависит от его диаметра, величину последнего выбирают минимальной.
Материал для изготовления плунжеров и втулок должен быть
твердым и скорее хрупким, чем пластичным. При повышении
твердости деталей плунжерной пары уменьшается вероятность
заклинивания при попадании в зазоры твердых частиц, которые в этом
случае обычно разрушаются твердыми рабочими поверхностями.
При хрупком материале попавшие в зазор твердые частицы
загрязнителя лишь процарапывают со снятием стружки
поверхности деталей, не оставляя на них вспучин, могущих вызвать
заклинивание плунжера, тогда как при пластичном материале
твердые частицы загрязнителя процарапывают поверхности,
вспучивая их.
Для уменьшения возможности заклинивания плунжеров
проточки на плунжере и окна гильзы выполняют с острыми
кромками, что способствует перерезанию загрязняющих жидкость
неметаллических частиц.
Для повышения износостойкости плунжерных пар применяют
хромирование рабочих поверхностей плунжеров, что повышает
срок их службы в 1,5—2 раза; толщина хромового покрытия 18 —
25 мкм.
ДВУХСТУПЕНЧАТЫЕ ЗОЛОТНИКОВЫЕ РАСПРЕДЕЛИТЕЛИ
В случае необходимости снижения командного усилия, требующегося для перемещения золотника и одновременно обеспечения необходимого расхода жидкости, применяют двухступенчатые распределительные золотники, которые получили название золотников с серводействием и дисервозолотников.
Рисунок 7 – Схемы двухступенчатых золотников с серводействием.
Схема одного из подобных золотников показана на рис. 7, а.
Основной распределительный золотник1, питающийисполнитель ный гидродвигатель, управляется с помощью вспомогательного золотника (датчика) 2 малого сечения, диаметр которого зачастую доводится до 2— 2,5 мм. В случае необходимости в установке основного золотника в среднее положение применяют схему, представленную на рис. 7, б.
Золотники с электроприводом. Для привода золотников, и в
частности вспомогательного золотника двухступенчатого
распределителя, часто применяют электромагнит и электрические двигатели.
Поскольку плунжер вспомогательного золотника в двухступенчатом распределителе обычно имеет небольшие размеры (диаметр около 3—4 мм), для привода его может быть применен маломощный электромагнит.
Типовые схемы двухпозиционных электромагнитных
золотников прямого действия изображены на рис. 8. В золотнике с
одним электромагнитом (рис. 8, а) плунжер золотника перемещается
в одну сторону под действием электромагнита и в другую (по обесто-
чивании электромагнита) — под действием пружины. В золотнике
с двумя электромагнитами(рис. 8,6) перемещение плунжера в обе стороны осуществляется электромагнитами. Ход плунжера обычно равен 5—6 мм, мощность управляющего электротока 20 вт, диаметр плунжера в схеме прямого действия обычно до 30 мм. Время срабатывания электромагнитных золотников распространенной мощности находится в пределах 0,02—0,1 сек.
Схема и конструктивное выполнение двухпозиционного распределителя с электроприводом показаны на рис. 9, а и б. Плунжер 9, и основного золотника при выключенном электромагните 4 удерживается в крайнем левом положении действием усилий пружины 5 и давлением жидкости, поступающей из рабочей магистрали через канал 3 в камеру 7, В этом положении золотника жидкость из рабочей магистрали S, соединенной с насосом, поступает в канал 10, связанный с силовым цилиндром.
При включенном электромагните жидкость из магистрали 8
через проточку вспомогательного золотника 2 и канал 1 поступает
в левую полость 11 основного золотника. Так как рабочая
площадь плунжера 9 больше площади вспомогательного плунжера 6,
плунжер 9 переместится вправо. При этом рабочая магистраль 8
соединяется каналом 12, связанным с силовым цилиндром.
Рисунок 9 – Схема и конструкция двухпозиционного золотникового распределителя с серводействием и электромагнитным управлением.
КРАНОВЫЕ РАСПРЕДЕЛИТЕЛИ
В крановых распределителях рабочий элемент (пробка) конусного (рис. 10, а и б) или цилиндрического (рис. 11, а и б) типа совершает поворотные движения. Пробка крана должна быть уравновешена от статических сил давления жидкости, так как в противном случае она будет прижата к одной стороне, вследствие чего могут развиваться большие силы трения.
Уравновешивания в кране, схема которого представлена на рис. 11, а, достигают диаметрально противоположным действием давления жидкости на пробку.
Рисунок 10 – Крановые распределители жидкости с конусной пробкой.
Рисунок 11 – Крановые распределители жидкости с цилиндрической пробкой.
В кранах с конусной пробкой плотность герметизирующего
контакта (контактное давление) обеспечивается с помощью пружины
(рис. 10, а), усилие которой должно превышать противодействие
давления жидкости, стремящейся вытолкнуть кран из гнезда.
Поскольку пружина в этом случае рассчитывается на максимальное рабочее давление, то при малом и нулевом давлениях для поворота крана требуются значительные усилия и в особенности, если последний рассчитан на высокие давления. Ввиду этого эти краны применяются при давлении < 100 кГ/см2ч.
На рис. 10, б показан, кран контакт конусной пробки 1
которого с поверхностью гнезда корпуса осуществляется давлением
жидкости, подводимой по каналам 3 и 7 к гибким стальным
диафрагмам 4; давление жидкости деформирует диафрагму и через
опору 5 и регулировочный штифт 2 нагружает пробку 1.
Диафрагмы 4 служат также пружинами, затяжка которых регулируется
штифтом 2, что обеспечивает необходимую герметичность крана
при нулевом и малом давлении жидкости. Диафрагмы уплотнены
прокладками 6.
Для уменьшения трения поворотные краны часто
центрируются на подшипниках качения, например игольчатых (см. рис. 11, б).
При этом может быть обеспечен постоянный концентричный зазор между пробкой крана и гильзой, который может быть сведен до 4—6 мк. Эти краны отличаются малым моментом трения, величина которого при давлении 200 кГ/см2 обычно не превышает~0,1 кГ/см2.
Кроме того, благодаря малым гарантированным зазорам утечка не превышает 20 см/1мин. Подобные распределители имеют особые преимущества в гидравлических следящих устройствах.
КЛАПАННЫЕ РАСПРЕДЕЛИТЕЛИ
В гидросистемах некоторых машин распространены также
клапанные распределители, которые просты в изготовлении и
надежны в эксплуатации, а также могут обеспечить высокую
герметичность.
Схема действия клапана показана на рис. 12, а и б. Клапаны
приводят в действие ручными и различными механическими и
электротехническими устройствами. Из ручных устройств наиболее
простым является качающийся рычаг (рис. 13, а и б). В
клапанном распределителе, представленном на рис. 13, б, канал 2,
связанный с линией потребителя, соединен при нерабочем положении
рукоятки 1 с каналом слива 4. При повороте рукоятки 1 перекрывается сперва канал слива, после чего нажимом толкателя 5 на шарик линия потребителя соединяется с каналом 3, через который подводится под давлением жидкость.
Распространены также распределители с кулачковым приводом,
схема подобного клапанного распределителя изображена на рис.
14. На валике 3 находятся четыре кулачка 2, которые при
повороте валика воздействуют на соответствующий конусный
клапан 1.
На рис. 15 показана схема трехпозиционного электромагнитного распределителя прямого действия с двумя клапанами, управляемыми электромагнитами 2 и 3, При выключенных электромагнитах 2 и 3 клапаны 1 и 4 прижаты своими пружинами к седлам. При этом магистраль нагнетания перекрыта, а потребители соединены со сливом. При включении электромагнита 2 клапан 7, сжимая пружину, переместится в крайнее левое положение и прижмется к противоположному седлу; в этом положении один из потребителей соединится с магистралью нагнетания. При включении электромагнита 3 при выключенном электромагните 2 сработает клапан 4, соединив второй потребитель с магистралью нагнетания.
Действующие силы. Величину усилия R (см. рис. 12, а), которую необходимо приложить к хвостовику т клапанного распределителя с острой уплотняющей кромкой для поднятия или удержания его в поднятом положении (без учета реактивных сил потока жидкости, и допуская, что давление на внешний торец хвостовика т не действует), можно вычислить по выражению:
Практически контакт затвора распределителя происходит не
по острой кромке, а по конусу седла (см. рис. 12, б), поэтому
значения сил, действующих на затвор, будут зависеть при этих
же условиях от ширины поверхности его контакта с седлом.
Если в конусной щели, образованной поверхностью затвора
и поверхностью гнезда, давление отсутствует, к хвостовику
затвора для отрыва его от седла необходимо приложить силу:
Рисунок 12 – Схема клапанного распределителя.
Рисунок 13 – Схемы клапанных распределителей с рычажным приводом.
Рисунок 14 – Схема клапанного распределителя с кулачковым приводом.
Следовательно, сила R будет больше силы R1 и в соответствии
с чем после отрыва затвора от гнезда усилие, необходимое для
дальнейшего его перемещения, снизится.
После открытия затвора давление в полости 2 повысится до
величины .
В соответствии с этим повысится также среднее давление в конусной щели, которое в этом случае будет равно:
Рисунок 15 – Схемы разгруженных клапанных распределителей.
Очевидно, что закон распределения давления по длине щели
клапанного распределителя, находящегося в покое, может быть и
степенным, причем кривая распределения давления может быть
как выпуклой, так и вогнутой ( см. рис. 12, б),
что наложит соответствующие коррективы на приведенные выкладки.
Список использованной литературы:
1. Машиностроительная гидравлика. Башта Т. М., «Машиностроение», 1971, стр. 672.
www.ronl.ru
Темы рефератов
Теперь пишем только на зеленые темы !!! К серым темам будут дополнительные санкции =)
| |
Теперь пишем только на зеленые темы !!!
Требования к оформлению
gidro.at.ua
Введение
Гидравлика представляет собой теоретическую дисциплину, изучающую вопросы,
связанные с механическим движением жидкости в различных природных и техногенных условиях. Поскольку жидкость (и газ) рассматриваются как непрерывные и неделимые физические тела, то гидравлику часто рассматривают как один из разделов механики так называемых сплошных сред, к каковым принято относить и особое физическое тело -жидкость. По этой причине гидравлику часто называют механикой жидкости или гидромеханикой; предметом её исследований являются основные законы равновесия и движения жидкостей и газов. Как в классической механике в гидравлике можно выделить общепринятые составные части: гидростатику, изучающую законы равновесия жидкости; кинематику, описывающую основные элементы движущейся жидкости и гидродинамику, изучающую основные законы движения жидкости и раскрывающую причины её движения.
Гидравлику можно назвать базовой теоретической дисциплиной для обширного круга прикладных наук, с помощью которых исследуются процессы, сопровождающие работу гидравлических машин, гидроприводов. С помощью основных уравнений гидравлики и разработанных ею методов исследования, решаются важные практические задачи, связанные с транспортом жидкостей и газов по трубопроводам, а также с транспортом твёрдых тел по трубам и другим руслам. Гидравлика также решает важнейшие практические задачи, связанные с равновесием твёрдых тел в жидкостях и газах, т.е. изучает вопросы плавания тел.
Широкое использование в практической деятельности человека различных гидравлических машин и механизмов ставят гидравлику в число важнейших дисциплин, обеспечивающих научно-технический прогресс.
Большой практический интерес к изучению механики жидкости вызван рядом объективных факторов. В - первых, наличие в природе значительных запасов жидкостей, которые легко доступны человеку. Во- вторых, жидкие тела обладают рядом полезных свойств, делающих их удобными рабочими агентами в практической деятельности человека. Немаловажным следует считать и тот фактор, что большинство жизненно важных химических реакций обмена протекают в жидкой фазе (чаще всего в водных растворах).
По этим причинам особый интерес человек проявил к жидкостям на самой ранней стадии своего развития. Вода и воздух (иначе жидкость и газ) были отнесены к числу основных стихий природы уже первобытным человеком. История свидетельствует об успешном решении ряда практических задач с использованием жидкостей уже на самих ранних стадиях развития человека. Первым же научным трудом по гидравлике следует
считать трактат Архимеда «О плавающих телах» (250 г. до н. э.)- Однако в дальнейшем на протяжении нескольких столетий в развитии человечества наступила эпоха всеобщего застоя, когда развитие знаний и практического опыта находились на весьма низком уровне. В последующую за этим эпоху возрождения началось бурное развитие человеческих знаний, науки, накопление практического опыта. Наравне с развитием других наук начала развиваться и наука об изучении взаимодействия жидких тел.
Первыми крупными работами в этой области следует считать работы Леонардо да Винчи (1548-1620) - в области плавания тел, движения жидкостей по трубам и каналам. В работах Галилео Галилея (1564 - 1642) были сформулированы основные принципы равновесия и движения жидкости; работы Эванджелиста Торичелли (1604 - 1647) были посве-щены решению задач по истечению жидкости из отверстий, а Блез Паскаль (1623 - 1727) исследовал вопросы по передаче давления в жидкости. Основополагающие и обобщающие работы в области механики физических тел, в том числе и жидких, принадлежат гениальному английскому физику Исааку Ньютону (1643 - 1727), который впервые сформулировал основные законы механики, закон всемирного тяготения и закон о внутреннем трении в жидкостях при их движении.
Развитию гидромеханики (гидравлики) как самостоятельной науки в значительной степени способствовали труды русских учёных Даниила Бернулли (1700 - 1782), Леонарда Эйлера (1707 - 1783), М.В. Ломоносова (1711 - 1765). Работы этих великих русских учёных обеспечили настоящий прорыв в области изучения жидких тел: ими впервые были опубликованы дифференциальные уравнения равновесия и движения жидкости Эйлера, закон сохранения энергии Ломоносова, уравнение запаса удельной энергии в идеальной жидкости Бернулли.
Развитию гидравлики как прикладной науки и сближению методов изучения теоретических и практических вопросов используемых гидравликой и гидромеханикой способствовали работы французских учёных Дарси, Буссинэ и др., а также работы Н.Е. Жуковского. Благодаря трудам этих учёных, а также более поздним работам Шези, Вейсбаха, Прандля удалось объединить теоретические исследования гидромеханики с практическими и экспериментальными работами, выполненными в гидравлике. Работы Базена, Пуа-зейля, Рейнольдса, Фруда, Стокса и др. развили учение о динамике реальной (вязкой жидкости). Дифференциальное уравнение Навье - Стокса позволило описать движение реальной жидкости как функцию параметров этой жидкости в зависимости от внешних условий. Дальнейшие работы в области теоретической и прикладной гидромеханики были направлены на развитие методов решения практических задач, развитие новых методов исследования, новых направлений: теория фильтрации, газо- и аэродинамика и др.
При решении практических вопросов гидравлика оперирует всеми известными методами исследований: методом анализа бесконечно малых величин, методом средних величин, методом анализа размерностей, методом аналогий, экспериментальным методом.
Метод анализа бесконечно малых величин - наиболее удобный из всех методов для количественного описания процессов равновесия и движения жидкостей и газов. Этот метод наиболее эффективен в тех случаях, когда приходится рассматривать движение объектов на атомно-молекулярном уровне, т.е. в тех случаях, когда для вывода уравнений движения приходится рассматривать жидкость (или газ) с молекулярно-кинетической теории строения вещества. Основной недостаток метода - довольно высокий уровень абстракции, что требует от читателя обширных знаний в области теоретической физики и умение пользоваться различными методами математического анализа, включая векторный анализ.
Метод средних величин - является более доступным методом, поскольку его основные положения базируется на простых (близких к обыденным) представлениях о строении вещества. При этом выводы основных уравнений в большинстве случаев не требуют знаний молекулярно-кинетической теории, а результаты, полученные при исследованиях, этим методом не противоречат «здравому смыслу» и кажутся обоснованными. Недостаток этого метода исследований связан с необходимостью иметь некоторые априорные представления о предмете исследований.
Метод анализа размерностей может рассматриваться в качестве одного из дополнительных методов исследований и предполагает всестороннее знания изучаемых физических процессов.
Методом аналогий - используется в тех случаях, кода имеются в наличии детально изученные процессы, относящиеся к тому же типу взаимодействия вещества, что и изучаемый процесс.
Экспериментальный метод является основным методом изучения, если другие методы по каким- либо причинам не могут быть применены. Этот метод также часто используется как критерий для подтверждения правильности результатов полученных другими методами.
В конечном счёте, метод изучения движения жидкости, а также уровень изучения (макро или микро) выбирается из условий практической постановки задач и соотношения характерных размеров. Основным мерилом для этих характерных размеров может быть длина свободного пробега молекул. Так для изучения движения жидкости на макро уровне необходимо, чтобы характерные размеры: L (некоторая длина) и d (ширина) по отношению к длине свободного пробега молекул А, находились в соответствии:
1. Общие сведения о жидкости 1.1. Жидкость как физическое тело
Чтобы представить и правильно понять характер поведения жидкости в различных условиях необходимо обратиться к некоторым представлениям классической физики о жидкости как физическом теле. Не ставя перед собой цель детального и всестороннего описания жидких тел, что подробно рассматривается в классическом курсе физики, напомним лишь некоторые положения, которые могут пригодиться при изучении гидравлики как самостоятельной дисциплины.
Так, согласно молекулярно-кинетической теории строения вещества все физические тела в природе (независимо от их размеров) находятся в постоянном взаимодействии между собой. Степень (интенсивность) взаимодействия зависит от масс этих тел и от расстояния между телами. Количественной мерой взаимодействия тел является сила, которая пропорциональна массе тел и всегда будет убывать при увеличении расстояния между телами. В зависимости от размеров тел (элементарные частицы, атомы и молекулы, макротела) характер взаимодействия будет различным. Согласно классическим представлениям физики можно выделить четыре вида взаимодействия тел. Каждый вид взаимодействия обусловлен наличием своего переносчика взаимодействия. Два вида взаимодействия относятся к типу дальнодействующих и повседневно наблюдаются человеком: гравитационное и электромагнитное. При электромагнитном взаимодействии происходит процесс излучения и поглощения фотонов. Именно этот процесс порождает электромагнитные силы, под действием которых протекают практически все процессы в природе, которые мы наблюдаем. Характерной особенностью этого (электромагнитного) взаимодействия является то, что его проявление зависит от многих внешних условий, которые приводят к различным наблюдаемым результатам. Так имея одну и туже природу взаимодействия (электромагнитную) мы изучаем, на первый взгляд, совершенно разные физические процессы: движение жидкости, трение, упругость, передачу тепла, движение зарядов в электрическом поле и т.д. И, как следствие, дифференциальные уравнения, описывающие эти процессы, одинаковые.
Согласно молекулярно-кинетической теории строения вещества молекулы находятся в равновесии и, как материальные объекты постоянно взаимодействуют друг с другом. Такое равновесие нельзя считать абсолютным, т.к. молекулы находятся в состоянии хаотического движения (колебания) вокруг центра своего равновесия. Расстояния между молекулами вещества будет зависеть от величин сил действующих на молекулы. Независимо от природы действующих сил их можно сгруппировать на силы притяжения и силы отталкивания.
Условие равновесия этих сил определяет оптимальные расстояния между молекулами. Однако, в связи с тем, что такое равновесие между действующими силами является динамическим равновесием, молекулы находятся в постоянном колебательном движении относительно друг друга, испытывая при этом действие некоторой равнодействующей силы порождаемой силами притяжения и отталкивания. Поэтому особенности состояния вещества будут зависеть от соотношения между кинетической энергией колебательного движения молекул вещества и энергией взаимодействия между молекулами вещества. Так при больших массах молекул энергия взаимодействия между молекулами многократно превышает кинетическую энергию колебательного движения вещества, вследствие чего молекулы вещества занимают устойчивое положение относительно друг друга, обеспечивая тем самым постоянство формы и размеров макротела. Такие вещества, как известно, относятся к категории твёрдых тел. Противоположными особенностями характеризуются вещества, состоящие из «лёгких» молекул (молекул обладающих малой массой). Такие вещества обладают кинетической энергией колебательного движения молекул вещества превышающей многократно энергию взаимодействия между молекулами, из которых вещество состоит. По этой причине молекулы такого вещества имеют очень слабую связь между собой и легко перемещаются в пространстве на любые расстояния. Такое свойство вещества носит название диффузии (летучести). Вещества, обладающие эти свойством, относятся к категории газов. В тех случаях, когда энергия взаимодействия имеет тот же порядок, что и величина кинетической энергии колебательного движения молекул, последние обладают свойством относительной подвижности, но, при этом, сохраняют целостность самого макротела. Такое тело обладает способностью легко деформироваться при минимальных касательных напряжениях, т. е. такое тело обладает текучестью. На самом деле колебательный процесс среди молекул жидких тел достаточно сложен, и с целью простого описания данного процесса можно нарисовать упрощенную картину взаимодействия молекул жидкости. Так в отличие от молекул в твёрдых телах, при колебательном процессе в жидкости центры взаимодействия молекул могут смещаться в пространстве на
о
столько, на сколько это допускают расстояния между молекулами (до величины 1x10 " см). Смещение центра равновесия сил в пространстве называется релаксацией. Время, за которое происходит такое смещение, называется временем релаксации, t0. При этом смещение центра равновесия осуществляется не постепенно, а скачком. Таким образом, время релаксации характеризует продолжительность «оседлой жизни» молекул жидкости. Если на жидкость будет действовать некоторая сила F, то при совпадении линии действия этой силы с направлением скачка, жидкость начнёт перемещаться. При этом необходимо выполнение дополнительного условия: продолжительность действия силы должна быть
больше длительности времени релаксации t0, т.к. в противном случае жидкость не успеет
начать своё движение, и будет испытывать упругое сжатие подобно твёрдому телу. Тогда процесс движения жидкости будет характеризовать свойство текучести присущее практически только жидким телам. Тела с такими свойствами относятся к категории жидких тел.
При этом следует отметить, что чётких и жёстких границ между твёрдыми, жидкими и газообразными телами нет. Имеется большая группа тел занимающих промежуточное положение между твёрдыми телами и жидкостями и между жидкостями и газами. Вообще говорить о состоянии вещества можно только при вполне определённых внешних условиях. В качестве стандартных условий приняты условия при температуре 20 °С и атмосферном давлении. Стандартные (нормальные) условия вполне соотносятся с понятием благоприятных внешних условий для существования человека. Понятие о состоянии вещества необходимо дополнить. Так при увеличении кинетической энергии молекул вещества (нагрев вещества) твёрдые тела могут перейти в жидкое состояние (плавление твёрдого тела) и твёрдые тела приобретут при этом некоторые свойства жидкостей. Подобно этому увеличение кинетической энергии молекул жидкого вещества может привести жидкость в газообразное состояние (парообразование) и при этом жидкость будет иметь свойства соответствующие газам. Аналогичным способом можно превратить расплавленное твёрдое тело в пар, если в большей степени увеличить кинетическую энергию колебательного движения молекул первоначально твёрдого вещества. Уменьшение кинетической энергии молекул (охлаждение вещества) приведёт процесс в обратном направлении. Газ может быть превращён в жидкое, а, затем и в твёрдое состояние
Изучение реальных жидкостей и газов связано со значительными трудностями, т.к. физические свойства реальных жидкостей зависят от их состава, от различных компонентов, которые могут образовывать с жидкостью различные смеси как гомогенные (растворы) так и гетерогенные (эмульсии, суспензии и др.) По этой причине для вывода основных уравнений движения жидкости приходится пользоваться некоторыми абстрактными моделями жидкостей и газов, которые наделяются свойствами неприсущими природным жидкостям и газам.
Идеальная жидкость - модель природной жидкости, характеризующаяся изотропностью всех физических свойств и, кроме того, характеризуется абсолютной несжимаемостью, абсолютной текучестью (отсутствие сил внутреннего трения), отсутствием процессов теплопроводности и теплопереноса.
Реальная жидкость - модель природной жидкости, характеризующаяся изотропностью всех физических свойств, но в отличие от идеальной модели, обладает внутренним трением при движении.
Идеальный газ - модель, характеризующаяся изотропностью всех физических свойств и абсолютной сжимаемостью.
Реальный газ - модель, при которой на сжимаемость газа при условиях близких к нормальным условиям существенно влияют силы взаимодействия между молекулами.
При изучении движения жидкостей и газов теоретическая гидравлика (гидромеханика) широко пользуется представлением о жидкости как о сплошной среде. Такое допущение вполне оправдано, если учесть, что размеры пространства занимаемого жидкостью, во много раз превосходят межмолекулярные расстояния (исключением можно считать лишь разряженный газ). При изучении движения жидкостей и газов последние часто рассматриваются как жидкости с присущими им некоторыми особыми свойствами. Всвязи с этим принято различать две категории жидкостей: капельные жидкости (практически несжимаемые тела, или собственно жидкости) и сжимаемые жидкости (газы).
1.2. Основные физические свойства жидкостей
Плотность и удельный вес. К основным физическим свойствам жидкостей следует отнести те её свойства, которые определяют особенности поведения жидкости при её движении. Такими являются свойства, характеризующие концентрацию жидкости в пространстве, свойства, определяющие процессы деформации жидкости, определяющие величину внутреннего трения в жидкости при её движении, поверхностные эффекты.
Важнейшим физическим свойством жидкости, определяющим её концентрацию в пространстве, является плотность жидкости. Под плотностью жидкости понимается масса единицы объёма жидкости:
где: М - масса жидкости,
W - объём, занимаемый жидкостью.
В международной системе единиц СИ масса вещества измеряется в кг, объём жидкого тела в м 3 , тогда размерность плотности жидкости в системе единиц СИ - кг/м 3. В системе единиц СГС плотность жидкости измеряется в г/см 3.
Величины плотности реальных капельных жидкостей в стандартных условиях изменяются в системе единиц СИ в широких пределах от 700 кг/м 3до 1800 кг/м 3, а плотность ртути достигает 13550 кг/м , плотность чистой воды составляет 998 кг/м 3. В системе единиц СГС пределы изменения плотности жидкости от 0,7 г/см до 1,8 г/см 3, плотность чистой воды 0,998 г/см . Величины плотности газов меньше плотности капельных жидкостей приблизительно на три порядка, т.е. в системе единиц СИ плотности газов при атмосферном давлении и температуре О °С изменяются в пределах от 0,09 кг/м 3до 3,74 кг/м , плотность воздуха составляет 1,293 кг/м 3.
| Плотность капельных жидкостей при стандартных условиях, р кг/м 3 | Плотность газов при атмосферном давлении и температуре 0 °С, р кг/м 3 | ||
| Азотная кислота | 1510 | Азот | 1,251 |
| Анилин | 1020 | Аммиак | 0,771 |
| Ацетон | 791 | Аргон | 1,783 |
| Бензин | 680-720 | Ацетилен | 1,173 |
| Бензол | 879 | Водород | 0,090 |
| Бром | 3120 | Воздух | 1,293 |
| Вода, Н2О | 998 | Гелий | 0,178 |
| Вода тяжёлая, DaO | 1109 | Кислород | 1,429 |
| Глицерин | 1260 | Криптон | 3,740 |
| Морская вода | 1010-1030 | Неон | 0,900 |
| Нефть | 760-995 | Озон | 2,139 |
| Серная кислота | 1830 | Углекислота, СОа | 1,977 |
| Этиловый спирт | 790 | Хлор | 3,220 |
где: р и р20 - плотности жидкости (газа) при температурах соответственно
ГиГо=20°С,
βi - коэффициент температурного расширения.
Исключительными особенностями обладает вода, максимальная плотность которой отмечается при 4 °С
| Плотность воды при различных температурах и атмосферном давлении | |||||
| Т,°С | р кг/м | Т,°С | р кг/м | Т, °С | р кг/м |
| -10 | 998,15 | 10 | 999,73 | 200 | 869,00 |
| -5 | 999,30 | 20 | 998,23 | 250 | 794,00 |
| 0 | 999,87 | 50 | 988,07 | 300 | 710,00 |
| 2 | 999,97 | 100 | 958,38 | 350 | 574,00 |
| 4 | 1000,00 | 150 | 917,30 | 374,15 | 307,00 |
5
• где: - плотность капельной жидкости при атмосферном давлении рат ,
- коэффициент объёмного сжатия капельной жидкости.
Плотность идеальных газов при давлениях отличных от атмосферного можно определить по известному закону газового состояния Менделеева-Клайперона:
давление,
удельный объём газа
универсальная газовая постоянная
температура газа
при
Кроме абсолютной величины плотности капельной жидкости, на практике пользуются и величиной её относительной плотности, которая представляет собой отношение ве-
личины абсолютной плотности жидкости к плотности чистой воды при температуре 4 °С: . Относительная плотность жидкости - величина безразмерная.
Имеется аналогичная характеристика и для газов. Под относительной плотностью газа (по воздуху) понимается отношение величины абсолютной плотности газа к плотности воздуха при стандартных условиях.
О плотности жидкости косвенно можно судить по весовому показателю, - удельному весу жидкости. Под удельным весом жидкости (газа) понимается вес единицы объёма жидкости (газа):
G вес жидкости (газа),
где: ..
W объем, занимаемый жидкостью (газом).
Связь между плотностью и удельным весом жидкости такая же как и между массой тела и её весом:
Размерность удельного веса жидкости в системе единиц СИ н/м 3 , удельный вес чистой воды составляет 9810 н/м3. Аналогично вводится понятие об относительном удельном весе жидкости,
На практике величина плотности жидкости определяется с помощью простейшего прибора - ареометра. По глубине погружения прибора в жидкость судят о её плотности.
www.coolreferat.com
