Гидромеханические процессы и аппараты

Общие положения

Гидромеханика — это наука о движении жидкостей и газов. Законы гидромеханики и их практические приложения изучаются в гидравлике, состоящей из двух разделов — гидростатики, рас­сматривающей законы равновесия и состояние покоя, и гидродина­мики, рассматривающей законы движения жидкостей и газов.

В промышленности строительных материалов многие техноло­гические операции (перемешивание литых и пластичных смесей, транспортирование их, а также различных дисперсных материалов с помощью пневмотранспорта, движение теплоносителя в печах и сушилках, формование изделий и др.) связаны с общими законами гидродинамики. Однако изучение этих законов невозможно без рассмотрения некоторых основных понятий гидростатики.

В гидравлике принято объединять жидкости, газы и пары под единым наименованием — жидкость. Объясняется это тем, что за­коны движения жидкостей и газов в интервале обычных инженер­ных расчетов одинаковы.

При выводе основных закономерностей в гидравлике вводят по­нятие об идеальной жидкости, которая в отличие от реальной (вяз­кой) жидкости абсолютно несжимаема под действием нагрузки, не изменяет плотности при изменении температуры и не обладает вязкостью. Реальные жидкости подразделяются на капельные и упругие. Капельные жидкости практически несжимаемы и незна­чительно изменяются в объеме при изменении температуры.

Давление в любой точке жидкости одинаково по всем направ­лениям, иначе бы также происходило перемещение жидкости внут­ри занимаемого ею объема.

При движении реальной жидкости в ней возникают силы внут­реннего трения, препятствующие этому движению. Свойство жид­кости оказывать сопротивление сдвигу называется вязкостью.

Пусть жидкость течет вдоль плоской стенки параллельными ей слоями. Вследствие тормозящего влияния стенки слои жидкости будут двигаться с разными скоростями, значения которых возрастают по мере удаления от стенки. Рассмот­рим два слоя, двигающихся на расстоянии Δу друг от друга. Слой I движется со скоростью v, а слой II — со скоростью v + Δv. За определенную единицу времени вследствие разности скоростей слой II сдвинется по от­ношению слоя I на величину Δv, являющуюся абсолютным сдвигом слоя II по слою I. Отношение Δv /Δу, характеризующее относительный сдвиг, называется градиентом скорости. Для того чтобы сдвинуть слой II по слою I, к слою II необходимо приложить силу F тем большую, чем больше градиент скорости и площадь соприкоснове­ния этих слоев. Следовательно, можно записать

F = ηA(Δv /Δу), (4.1)

где η — коэффициент пропорциональности.

Возникающая внутри жидкости сила сопротивления R равна приложенной силе F и направлена в противоположную сторону (F = — R). Отношение этой силы к поверхности соприкосновения слоев (А) обозначают через τ и называют напряжением сдвига (τ = R/A). При малых Δv и Δу их можно заменить на dv и dy и записать

τ = - η (dv / dy), (4.2)

Уравнение (4.2) называют законом внутреннего трения Ньюто­на, а коэффициент пропорциональности η — динамическим коэф­фициентом вязкости, динамической вязкостью или просто вязкостью.

Жидкости, подчиняющиеся закону внутреннего трения Ньютона, часто называют ньютоновскими. В промышленной практике чаще приходится иметь дело с неньютоновскими жидкостями, обладаю­щими аномальными свойствами. К ним относятся все пасты, суспен­зии, коллоидные растворы, многие полимеры и др.