Prelegere 1. INTRODUCERE. SUBIECTUL HIDRAULIC ȘI ISTORIA SCURTĂ A DEZVOLTĂRII
Soluția diverselor probleme tehnice legate de mișcare întrebări fluidelor în paturi deschise sau închise, precum și problemele legate de impactul fluidului de putere pe pereții vaselor de sânge sau lichid solide raționalizate a dus la crearea științei extinse numit hidromecanică, care este împărțit în două secțiuni: Mecanica tehnica fluidelor și teoretice lichid și gaz (Fig.1.1).
Fig. 1.1. Secțiuni hidromecanice
Hidraulica (mecanica tehnica a fluidelor) este o parte aplicata a hidromecanicii, care foloseste unele sau alte ipoteze pentru rezolvarea problemelor practice. Ea are metode de calcul relativ simple în comparație cu mecanica teoretică a fluidelor, unde este folosit un aparat matematic complex. Cu toate acestea, sistemele hidraulice oferă suficientă pentru caracterizarea aplicațiilor tehnice a fenomenelor luate în considerare.
1.1. Scurt istoric al dezvoltării hidraulicii
Din punct de vedere istoric, hidraulica este una dintre cele mai vechi stiinte din lume. Studiile arheologice arată că, chiar și pentru 5000 de ani î.Hr., în China, și apoi în alte țări ale lumii antice descrierea dispozitivului de diferite structuri hidraulice, prezentate sub formă de desene (primul desen). Firește, nu au fost făcute calcule pentru aceste structuri și toate au fost construite pe baza aptitudinilor și regulilor practice.
Prima orientare privind abordarea științifică a rezolvării problemelor hidraulice se referă la anul 250 î.Hr. când Arhimede a descoperit legea echilibrului unui corp scufundat într-un lichid. Apoi, în cursul a 1500 de ani de schimbări speciale hidraulicii nu au primit. Știința în acea vreme aproape că nu sa dezvoltat deloc, sa format un fel de stagnare. Și doar în secolele XVI-XVII d.Hr., în timpul Renașterii, sau Renașterii, spun istoricii, au fost munca lui Galileo, Leonardo da Vinci, Pascal, Newton, care a pus un motiv bun pentru îmbunătățirea în continuare a științei de sisteme hidraulice.
Cu toate acestea, numai activitatea de bază St. Petersburg Academia de Științe a lui Daniel Bernoulli și Euler Leonhard care a trăit în secolul al XVIII-lea, a creat o bază solidă pe care să se bazeze o sisteme hidraulice moderne. În secolele XIX-XX o contribuție semnificativă la hidrodinamică a fost făcută de "tatăl aviației ruse" Nikolai Zhukovsky.
Rolul hidraulicii în ingineria modernă este greu de supraestimat. Orice mașină, aeronavă, navă de mare nu se poate face fără utilizarea sistemelor hidraulice. Adăugați aici construcția de baraje, baraje, conducte, canale, șanțuri. În producție, pur și simplu nu există nici o modalitate de a face fără prese hidraulice capabile să dezvolte eforturi enorme. Dar un fapt interesant din istoria construcției Turnului Eiffel. Înainte de instalarea finală a structurii metalice multitone a turnului pe baze de beton, a fost dată o poziție verticală strictă cu ajutorul a patru prese hidraulice instalate sub fiecare suport.
Hidraulica urmărește o persoană peste tot: la serviciu, la domiciliu, la dacha, în transport. Natura însăși a determinat o persoană să organizeze sisteme hidraulice. Pompă de inimă, filtru ficat, rinichi - supape de siguranță, vase de sânge - conducte, a căror lungime totală în corpul uman este de aproximativ 100 000 km. Inima noastră pompează 60 de tone de sânge pe zi (acesta este un rezervor întreg de cale ferată!).
1.2. Fluidul și forțele care acționează asupra lui
Un fluid în hidraulică este un corp fizic capabil să-și schimbe forma atunci când este supus unor forțe arbitrar mici. Există două tipuri de lichide: picături de lichid și gaze lichide (figura 1.2). Fluidele picurate sunt lichide în sens obișnuit, general acceptat al cuvântului (apă, ulei, kerosen, ulei, etc.). Lichide gazoase - gaze, în condiții normale, sunt substanțe gazoase (aer, oxigen, azot, propan, etc.).
Fig. 1.2. Tipuri de lichide
Principala caracteristică distinctivă a picăturilor și a lichidelor gazoase este capacitatea de a comprima (modifica volumul) sub influența forțelor exterioare. Fluidele de scurgere (denumite în continuare pur lichide) sunt dificil de comprimat, iar lichidele gazoase (gazele) sunt comprimate destul de ușor, i. E. sub influența forțelor mici își pot schimba volumul de mai multe ori (figura 1.3).
Fig. 1.3. Compresia lichidelor și a gazelor
Fluidele reale și ideale sunt considerate în domeniul hidraulic. Lichidul ideal, spre deosebire de un lichid real, nu are frecare internă și, de asemenea, frecare împotriva zidurilor vaselor și a conductelor de-a lungul cărora se mișcă. Fluidul ideal are, de asemenea, o incompresibilitate absolută. Un astfel de lichid nu există în realitate și a fost inventat pentru a facilita și simplifica o serie de concluzii și studii teoretice.
Lichidul este influențat în mod constant de forțele externe, care sunt împărțite în masă și suprafață.
Mass. gravitatea și inerția. Gravitatea în condițiile terestre acționează constant asupra fluidului și forța de inerție numai atunci când volumul fluidului accelerează (pozitiv sau negativ).
Suprafață. sunt cauzate de efectul volumelor vecine de fluid pe un volum dat sau de impactul altor corpuri.
Luați în considerare un vas plin cu lichid. Dacă selectați un volum infinitezimal de lichid în el, atunci această forță va fi acționată de forțele volumelor infinitezimale vecine (figura 1.4). În plus, suprafața liberă a lichidului este acționată de forța de presiune atmosferică Pamm și forța din partea pereților vasului.
Fig. 1.4. Forțele de suprafață
Dacă o anumită forță externă acționează asupra lichidului, atunci se spune că lichidul este sub presiune. De obicei, pentru a determina presiunea fluidului cauzată de acțiunea forțelor de suprafață asupra acesteia, formula
unde F este forța care acționează asupra lichidului, H (newtons);
S este aria în care acționează această forță, m˛ (metru pătrat).
Dacă presiunea P este măsurată de la zero absolută, atunci se numește presiune absolută. Dacă presiunea este măsurată de presiunea atmosferică, atunci se numește excesul de Rizb. Presiunea atmosferică este constantă Ra = 103 kPa (figura 1.5).
Fig. 1.5. Schema de determinare a presiunilor
Pentru unitatea de presiune din Sistemul Internațional de Unități (SI), pascal este adoptat - presiunea cauzată de forța de 1 N, uniform distribuită pe o suprafață normală de 1 mІ:
1 Pa = 1 N / ml = 10-3 kPa = 10-6 MPa.
Dimensiunea presiunii este desemnată ca "Pa" (pascal), "kPa" (kilopascal), "MPa" (megapascal). În inginerie, în prezent se utilizează sistemul de unități ICSU, în care se iau 1 kgf / mІ ca unitate de presiune.
1 Pa = 0,102 kgf / ml sau 1 kgf / ml = 9,81 Pa.
1.3. Caracteristicile mecanice și proprietățile de bază ale lichidelor
Caracteristici mecanice de bază
Una dintre principalele caracteristici mecanice ale unui lichid este densitatea sa. Densitatea unui lichid este masa de lichid închisă pe unitatea de volum.
Greutatea specifică este greutatea unui volum unitar de lichid, care este determinată de formula:
Cu temperatură în creștere, greutatea specifică a lichidului scade.
Proprietăți fizice de bază
1. Compresibilitatea - proprietatea unui fluid de a-și schimba volumul sub influența presiunii. Compresibilitatea unui lichid este caracterizată de coeficientul de comprimare a volumului, care este determinat de formula
unde V este volumul inițial al lichidului,
dV este schimbarea în acest volum, cu o creștere a presiunii cu o valoare a dP.
Viteza reciprocă a V este numită modulul vrac al fluidului:
Modulul în vrac nu este constant și depinde de presiune și temperatură. În calculele hidraulice, compresibilitatea unui lichid este de obicei neglijată, iar lichidele sunt considerate practic incompresibile. Comprimarea lichidelor se datorează în principal comprimării gazului dizolvat în ele.
Comprimabilitatea scade rigiditatea transmisiei hidraulice, deoarece energia este folosită pentru compresie. Comprimabilitatea poate provoca auto-oscilații în sistemul hidraulic, creează o întârziere în funcționarea echipamentelor hidraulice și a dispozitivelor de acționare.
Uneori, compresibilitatea lichidelor este utilă - este utilizată în amortizoare hidraulice și arcuri.
2. Extinderea temperaturii - variația relativă a volumului lichidului cu temperatură în creștere de 1 ° C la P = const. Caracterizat de coeficientul de expansiune a temperaturii
Deoarece pentru lichidele care se scurg, coeficientul de dilatare termică este neglijabil, în calcule practice nu este luat în considerare.
3. Rezistența la întindere. S-a arătat prin experimente fizice speciale că un lichid de odihnă (în special apă, mercur) este uneori capabil să reziste forțelor foarte mari de tracțiune. Dar, în condiții normale, acest lucru nu se întâmplă și, prin urmare, se crede că lichidul nu este capabil să reziste forțelor de tracțiune.
Fig. 1.6. Forțele de tensionare a suprafeței
4. forțe de tensiune superficială - aceste forțe tind să dea o formă sferică a lichidului. Forțele de tensiune superficială sunt cauzate de forțele de suprafață și sunt întotdeauna direcționate în interiorul volumului în cauză perpendicular pe suprafața liberă a lichidului. Considerăm un volum infinitezimal al unui lichid pe o suprafață liberă. Aceasta va acționa pe baza volumelor vecine. Ca rezultat, dacă combinăm vectorii tuturor forțelor care acționează asupra volumului considerat, forța totală a componentei va fi direcționată perpendicular pe interiorul volumului considerat.
5. Viscozitatea unui lichid este o proprietate a unui lichid care rezistă la alunecarea sau forfecarea straturilor sale. Esența sa constă în apariția unei forțe interne de frecare între straturile în mișcare ale lichidului, determinată de formula lui Newton
unde S este zona de straturi lichide sau de perete care intră în contact cu lichidul, m2,
?- Coeficientul de vâscozitate dinamic, sau forța de frecare vâscoasă,
d / dy este gradientul de viteză perpendicular pe suprafața de forfecare.
Din acest motiv vâscozitatea dinamică este
în cazul în care. tensiunile tangențiale ale unui lichid. = T / S.
În timpul curgerii unui fluid vâscos de-a lungul unui perete solid, debitul se oprește datorită vâscozității (figura 1.7). Viteza scade odată cu scăderea distanței y de perete. La y = 0, viteza scade la zero, iar alunecarea are loc între straturi, însoțită de apariția solicitărilor tangențiale.
Fig. 1.7. Profilul de viteză pentru un fluid vâscos de-a lungul unui perete
Inversa coeficientului dinamic de vâscozitate (1 /?) Se numește fluxul de fluid.
Raportul dintre coeficientul vâscozității dinamice și densitatea fluidului se numește coeficientul vâscozității cinematice:
Valoarea. (pronunțat "nud") egal cu 1 cm / s se numește Stokes (St) și 0,01 St - 1 centistokes (cSt).
Procesul de determinare a vâscozității se numește vâscozimetrie, iar instrumentele prin care se determină prin viscozimetrie. În plus față de estimarea viscozității folosind coeficientul de vâscozitate dinamică și cinematică sunt condiționate - grade Engler (E). Vâscozitate, exprimată în grade Engler, este raportul dintre fluid de testare cm³ expirare timp de 200 prin capilar d = 2,8 mm pentru un timp de curgere a aceluiași volum de apă la t = 20 ° C
Un astfel de dispozitiv este numit vascozimetrul Engler. Pentru a recalcula gradele lui Engler în Stokes pentru uleiuri minerale, formula
Astfel, pentru a estima vâscozitatea unui lichid, pot fi utilizate trei cantități care sunt interconectate de la sine
Fig. 1.8. Metode de evaluare a vâscozității unui lichid
Viscozitatea lichidului depinde de temperatură și presiune. Cu o temperatură în creștere, vâscozitatea lichidului scade și invers. Efectul invers se observă în gaze: vâscozitatea crește odată cu creșterea temperaturii, iar cu scăderea temperaturii scade.
6. Spumarea. Descărcarea aerului din lichidul de lucru cu cădere de presiune poate provoca spumarea. Intensitatea spumare afectează fluidul de lucru conținut în apă: chiar dacă o cantitate neglijabilă de apă (mai puțin de 0,1% în greutate din fluidul de lucru), există o spumă stabilă. Formarea și stabilitatea spumei depinde de tipul de fluid de lucru, de temperatura și dimensiunea bulelor, de materialele și acoperirile echipamentului hidraulic. În special spumarea are loc intens în lichide contaminate și se folosește în trecut. La o temperatură a lichidului de peste 70 ° C, apare o scădere rapidă a spumei.
7. Rezistența chimică și mecanică. Caracterizează capacitatea unui lichid de a-și păstra proprietățile fizice inițiale în timpul funcționării și depozitării.
Oxidarea lichidului este însoțită de precipitarea gudronului și a zgurilor provenite din acesta, care sunt depozitate pe suprafața elementelor de acționare hidraulice sub forma unei acoperiri solide. Viscozitatea scade, iar culoarea lichidului se modifică. Produsele de oxidare provoacă coroziunea metalelor și reduc fiabilitatea echipamentelor hidraulice. Placa provoacă blocarea articulațiilor în mișcare, perechi de pistoane, găuri de șoc, distrugerea sigiliilor și depresurizarea sistemului hidraulic.
8. Compatibilitate. Compatibilitatea fluidelor de lucru cu materialele structurale și în special cu materialele de etanșare este foarte importantă. Lichidele de lucru pe bază de ulei sunt compatibile cu toate metalele folosite în ingineria hidraulică și sunt puțin compatibile cu garniturile din cauciuc sintetic și din piele. Lichidele sintetice de lucru nu se potrivesc bine cu unele materiale structurale și nu sunt compatibile cu garniturile de cauciuc rezistente la ulei.
9. Evaporabilitatea lichidului. Evaporarea caracteristic tuturor intensității picăturilor de evaporare, dar variază în diferite lichide și depinde de condițiile în care este localizată, de temperatura zonei de evaporare, presiunea și asupra vitezei mediului gazos deasupra suprafeței libere a lichidului (vânt).
10. Solubilitatea gazelor în lichide se caracterizează prin volumul de gaz dizolvat per unitate de volum de lichid și se determină în conformitate cu legea lui Henry:
unde V este volumul gazului dizolvat; VЖ - volumul unui lichid; k este coeficientul de solubilitate; P este presiunea; Pa este presiunea atmosferică.
Coeficientul k are următoarele valori la 20 ° C: pentru apă 0,016, kerosen 0,13, uleiuri minerale 0,08, lichid AMG-10 0,1. Când presiunea este redusă, se eliberează un gaz solubil în lichid. Acest fenomen poate afecta negativ funcționarea sistemelor hidraulice.