Классификация жидких сред. Реологические среды
Изучение деформационного поведения и течения реальных жидких сред привело к открытию ряда явлений, не присущих ньютоновским жидкостям. Для них характерно изменение вязкости с изменением скорости сдвига (эффект аномалии вязкости), явление тиксотропии, релаксации, реопекции, высокоэластичные и упругие виды деформации, возникновение нормальных напряжений, существование предельных напряжений сдвига и т.д. Проявление тех или иных аномальных явлений при приложении Необходимо отметить, что ньютоновская жидкость соответствует только узкому специальному случаю. В природе и в промышленности встречаются, в основном, неньютоновские жидкости (реологические среды). Например, продукты фармацевтической, пищевой, лакокрасочной и бумажной промышленности; нефтепродукты и буровые растворы; полимерные материалы, получаемые и перерабатываемые в химической промышленности; высокотемпературные теплоносители на основе полимеров и суспензий; высококонцентрированные наполненные ракетные топлива и топливные смеси в энергетике и т.д. Реологические среды по своим механическим свойствам занимают промежуточное положение между идеально вязкими (ньютоновскими) жидкостями и идеально упругими гуковкими телами. В материале
Здесь Упругая деформация развивается в начальный момент приложения нагрузки, скорость её распространения равна скорости звука в данной среде. После снятия нагрузки она с той же скоростью исчезает. Высокоэластичная деформация развивается во времени, причем скорость этого развития существенно зависит от температуры среды. Величина
В отличие от твердых тел, жидкость не обладает способностью сохранять свою форму, она подвижна и течет под действием силы тяжести. В гидравлике жидкости рассматриваются как сплошные среды, заполненные массой непрерывно. Ниже предлагается классификация жидкостей:
Раздел гидравлики, изучающий деформационное поведение неньютоновских жидкостей, является частью реологии. Реология изучает механическое поведение сред – от ньютоновских жидкостей до твердых тел, подчиняющихся закону Гука. Газообразные жидкости. Газообразные жидкости под действием силы тяжести занимают весь объем сосуда, не имея поверхности раздела; сжимаемы, при этом сильно нагреваются, маловязкие. Несмотря на это, при малых изменениях давления и температуры (при малых изменениях объема) газы подчиняются тем же законам движения, как и капельные жидкости. Значительные изменения объема при движении газа наступают при скоростях, близких к скорости звука. В отличие от гидравлики, аэродинамика изучает движение газа при небольших скоростях с учетом его сжимаемости, а газодинамика – при скоростях, близких к скорости звука и сверхзвуковых. Капельные жидкости. Капельные жидкости, почти несжимаемые, под действием силы тяжести занимают объем сосуда, имея поверхность раздела. В определенных условиях, в отличие от газов, на твердой поверхности образуют капли. Капельные жидкости не оказывают сопротивления к растягивающимся нагрузкам, не воспринимают сосредоточенных нагрузок: силы (нагрузки) должны быть рассредоточены по поверхности. В гидравлике изучается поведение капельных жидкостей.
Идеальные жидкости. Идеальные жидкости абсолютно Реальные жидкости. Ньютоновская жидкость. Для случая одномерного течения молекулярный перенос импульса может быть представлен в виде:
где t – напряжение сдвига, m – коэффициент динамический вязкости жидкости, Закону Ньютона подчиняются, в основном, низкомолекулярные жидкости. Аномально-вязкие жидкости. Жидкости, вязкость которых зависит от гидродинамической ситуации, называются аномально-вязкими. Экспериментальные исследования показывают, что зависимость Как установлено, для псевдопластических жидкостей (рис. 2.1
Рис. 2.1. Кривые течения реальных жидкостей: 1 – ньютоновская; 2 – псевдопластичная; 3 – дилатантная
Рис. 2.2. Кривые изменения вязкости (обозначения по рис. 2.1)
Значение m с ростом – наибольшей ньютоновской вязкости – переменной (эффективной) вязкости – наименьшей ньютоновской вязкости Установлено, что соотношение Для описания кривой течения псевдопластичных жидкостей предложены многочисленные зависимости. Наибольшее распространение получила эмпирическая зависимость в виде степенного закона:
где
В этом случае Аномалия вязкости для суспензий, содержащих асимметричные частицы, объясняется ориентационными эффектами. Вязкость убывает Для дилатантных жидкостей (рис. 2.1 и рис. 2.2, кривая 3) вязкость повышается с увеличением градиента скорости. Для описания деформационного поведения дилатантных жидкостей может быть использована зависимость (2.3). Но в этом случае Увеличение вязкости связано с увеличением объема (разбухание), занимаемого дисперсной фазой, при этом объем жидких прослоек возрастает. Для новой структуры двухфазной среды жидкости недостаточно для смазки трущихся друг о друга частиц. Этот эффект внешне проявляется как увеличение вязкости суспензии.
Аномально-вязкие жидкости, реологические характеристики которых зависят от времени. Многие реальные жидкости не могут быть описаны уравнениями типа (2.2) и (2.3). Имеются материалы, для которых связь Тиксотропия связана с разрушением внутренних связей структуры жидкости. Скорость разрушения зависит от числа связей до начала разрушения структуры. С течением времени число связей уменьшается (уменьшается В реопектических жидкостях структурообразование происходит при сдвиге. Например, 42 %-ный водный раствор гипса. После встряхивания этот материал затвердевает в покое за 40 минут, а при медленном встряхивании за 20 секунд. Следует сказать, что аномалия вязкости, также как и все остальные особенности механического поведения реологических сред, является следствием релаксационного механизма деформации и что все деформационные характеристики среды можно рассчитать, если известна основная релаксационная характеристика среды – её релаксационный спектр. Вязко-пластическая среда. Вязко-пластическая среда (рис. 2.1, линия 4) характеризуется предельным напряжением сдвига Такое поведение жидкостей объясняется тем, что они способны
где m – коэффициент пластической вязкости. Сравнивая зависимости (2.2) и (2.5), введем понятие кажущейся вязкости
По характеру течения к вязко-пластическим жидкостям относятся буровые глинистые растворы, шламы, масляные краски, консистентные смазки, пасты и т.д. Встречаются случаи, когда процесс течения характеризуется
В вязко-пластических средах реализуется два вида деформации – упругая и вязкого течения. Вязко-упругая жидкость. Вязко-упругая жидкость проявляет Для вязко-упругих жидкостей характерно в условиях простого сдвига наличие нормальных напряжений, ортогональных к плоскости сдвига. Для полимерных материалов нормальные напряжения могут превосходить напряжение сдвига более чем на один порядок. В области малых градиентов скорости они незначительны, в области эффективной вязкости нормальные напряжения резко возрастают. Для вязко-упругих жидкостей характерны релаксационные свойства. Рассмотрим связь между деформациями и напряжениями в вязко-упругой жидкости при постянном режиме нагружения (s = const) (рис. 2.3).
Рис. 2.3. Деформационное поведение вязко-упругой жидкости
В начальный момент приложения нагрузки при Реологическое уравнение вязко-упругой жидкости как минимум должно описывать аномалию вязкости и возникновение нормальных напряжений. Оно должно быть достаточно простым для решения прикладных задач и содержать относительно небольшое число материальных констант, определяемых из простых, например, вискозиметрических экспериментов. Всем этим требованиям соответствует уравнение Уайта – Метцнера:
Здесь s – тензор напряжений, Обобщенная эффективная вязкость может быть определена через интенсивности скорости деформации сдвига Е:
Коэффициент нормальных напряжений
Начальный модуль высокоэластичности В настоящее время известны магнитные жидкости, для которых градиент скорости зависит от напряжения сдвига и приложенного магнитного поля. В заключение можно сказать, что «каждый материал обладает реологическими свойствами, хотя и в различной степени» (Рейнер – основоположник реологии). 2.2. Поток жидкости. Геометрические элементы
Потоком называется масса движущейся жидкости, ограниченная направляющими твердыми поверхностями. В зависимости от характера Геометрические элементы потока. Живое сечение S – это поверхность в пределах потока, во всех точках нормальная к направлению вектора скорости (рис. 2.4).
Рис. 2.4. Живое сечение потока
В общем случае площадь живого сечения потока S может быть криволинейной. Однако в инженерных расчетах для упрощения, при небольших углах a, вместо S принимают Смоченный периметр c – часть периметра живого сечения потока, Гидравлический радиус
Эквивалентный диаметр
Эквивалентный диаметр является важнейшим линейным параметром живого сечения потока. Например, при определении режима течения потока жидкости критерий Рейнольдса определяется с помощью Определим для характерных сечений геометрические элементы потока.
Примечание: для кожухотрубного теплообменника определены параметры межтрубного пространства. Гидравлические параметры потока. Расходом называется количество жидкости, проходящее через живое сечение потока за единицу времени. Различают объемный, массовый и весовой расходы:
Скорость жидкости в различных точках живого сечения различна Средняя скорость потока
В реальных потоках вязкой жидкости местные скорости в различных точках живого сечения будут различными. Зная закон распределения скорости по сечению потока, можно найти объемный расход, следовательно, среднюю скорость потока:
В реальном потоке частицы жидкости кроме основного поступательного движения осуществляют пульсационное беспорядочное движение. Если проекция пульсационной скорости на основное направление течения обозначим через
Тогда осредненная по времени скорость (рис. 2.5) данной точки
Необходимо отметить, что время наблюдения (осреднения) Линией тока называется линия, в каждой точке которой в данный момент времени вектор скорости жидкости совпадает направлением касательной к этой точке (рис. 2.6, а). При установившемся движении линия тока и траектория частицы совпадают.
а) б) Рис. 2.6. Элементы потока: а – линия тока; б – и элементарная струйка
Выделим в жидкости элементарную площадку dS и через все точки на её контуре проведем линии тока (рис. 2.6, б). Полученная поверхность называется трубкой тока. Содержимое трубки тока называется элементарной струйкой. Живым сечением струйки dS называется сечение, нормальное в каждой точке к линии тока. Свойства элементарной струйки: – стенки элементарной струйки непроницаемы для частиц жидкости; – скорости по сечению элементарной струйки одинаковы; – для установившегося движения форма элементарной струйки В общем случае скорости w и площади живых сечений dS по длине струйки могут изменяться. Расход (объемный) через живое сечение элементарной струйки можно записать в таком виде:
Совокупность элементарных струек образует поток жидкости.
Воспользуйтесь поиском по сайту: ![]() ©2015 - 2025 megalektsii.ru Все авторские права принадлежат авторам лекционных материалов. Обратная связь с нами...
|