Жидкости

· Предмет гидравлики.Исторически механика жидкости выросла из двух отраслей научного знания: эмпирической гидравлики и классической (теоретической) гидромеханики, построенной на точном математическом анализе течения сплошной жидкой среды. Эти две науки имели один и тот же объект изучения – законы равновесия и движения жидкости, но методы их, так же как и задачи, были различными. В настоящее время в гидравлике все больше применяют методы теоретической гидромеханики, а теоретическая гидромеханика все чаще начинает прибегать к эксперименту как к критерию достоверности своих выводов. Таким образом, различие в методах этих двух направлений одной и той же науки постепенно исчезает. Указанные дисциплины наряду с аэродинамикой и газовой динамикой в настоящее время могут рассматриваться как разделы единой науки - механики жидкости.

В гидравлике термину «жидкость» придается более широкое значение, чем в обыденной жизни. В понятие «жидкость» включают все тела, которые обладают свойством текучести, т.е. способностью сильно изменять свою форму под действием сколь угодно малых сил. Таким образом, в это понятие включают как капельные жидкости, так и газы.

Важной особенностью капельных жидкостей является то, что они ничтожно мало изменяют свой объем при изменении давления, поэтому их обычно считают несжимаемыми. Газы, наоборот, могут значительно уменьшаться в объеме под действием давления и неограниченно расширяться при отсутствии давления, т.е. они обладают большой сжимаемостью.

Гидравлика – наука о законах равновесия и движения жидкости и способах применения этих законов для решения практических задач.

В гидравлике рассматривают, главным образом, потоки жидкости, ограниченные твердыми стенками, т.е. течения в открытых и закрытых каналах. Например, русла рек, различные трубопроводы, насадки, элементы гидромашин и других устройств, внутри которых протекает жидкость. Таким образом, в гидравлике изучают в основном внутренние течения жидкостей и решают так называемую внутреннюю задачу.

Внешняя задача связана с обтеканием тел сплошной средой, которое имеет место при движении твердого тела в жидкости или газе (воздухе). Внешнюю задачу рассматривают в аэродинамике в связи с потребностями авиации (теория крыла, динамика полета) и судостроения.

В современной гидравлике метод исследования движения жидкости заключается в следующем. Исследуемые явления сначала упрощают и к ним применяют законы механики. Затем полученные результаты сравнивают с данными опытов, выясняют степень расхождения, уточняют и исправляют теоретические выводы и формулы для практического их использования. Явления, которые из-за сложности крайне трудно поддаются теоретическому анализу, исследуют экспериментальным путем, а результаты представляют в виде эмпирических формул.

Само слово «гидравлика» произошло от двух греческих слов. Первое слово «хюдор» значит вода, а второе слово «аулос» - труба, канал, струя. Как видно, ранее считали, что гидравлика занимается изучением движения или покоя только воды. В настоящее время объектом изучения в гидравлике является любая жидкость.

Естественно, рассматривая предмет гидравлики, мы должны коснуться вопроса – что дает гидравлика для практики.

Гидравлика дает методы расчета и проектирования разнообразных гидротехнических сооружений (плотин, каналов, водосливов, трубопроводов для подачи всевозможных жидкостей), гидромашин (насосов, гидротурбин, гидропередач), а также других гидравлических устройств, применяемых во многих областях техники.

Особенно велико значение гидравлики в машиностроении, где приходится иметь дело с напорными течениями в трубопроводах, т.е. с потоками без свободной поверхности и с давлением, отличным от атмосферного. Гидросистемы, состоящие из насосов, трубопроводов, различных гидроагрегатов широко используют в машиностроении в качестве систем жидкостного охлаждения, топливоподачи, смазочных и др.

Ни одна современная машина не мыслима без оснащения ее гидромашинами. Гидромашины - устройства для преобразования гидравлической энергии в механическую и наоборот (насосы, гидромоторы, турбины). По сравнению с передачами других видов (зубчатыми, электрическими и т.п.) гидромашины имеют ряд существенных преимуществ:

- простота преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное;

- возможность плавного (бесступенчатого) изменения соотношения ско­ростей входного и выходного звеньев;

- компактность конструкций и малая масса гидромашин при заданной мощности по сравнению, например, с электромашинами и др.

Гидромашины и различного рода гидравлические устройства образуют отдельный тип приводов - гидропривод. Благодаря перечисленным преимуществам гидропривод широко используют в различных металлообрабатывающих станках, на летательных аппаратах (самолетах, вертолетах, ракетах), на сухопутных транспортных машинах (колесных, гусеничных), в строительно-дорожных и подъемно-транспортных машинах, в прокатных станах и прессах, спасательном оборудовании МЧС и т.п.

Гидроприводы, гидроавтоматика и различные гидравлические устройства являются весьма перспективными элементами для автоматизации и механизации производства. Знания в области гидравлики, теории гидромашин и гидропривода необходимы инженеру для расчета, проектирования и эксплуатации гидроприводов, систем автоматического регулирования и других устройств с гидромашинами и гидроавтоматикой.

Гидравлика является инженерной дисциплиной, так как ее выводы направлены на решение технических задач. Это - одна из наук, составляющих фундамент инженерных знаний.

· Гидравлика жидкостных ракетных двигателей.Развитие авиации и ракетной техники поставили перед механикой жидкости и газа целый ряд принципиально новых задач:

- движения тел сквозь атмосферу со сверхзвуковыми и гиперзвуковыми (космическими) скоростями;

- движение газов в камерах сгорания и соплах двигателей.

Исследования в области движения газов с большими скоростями привело к возникновению газовой динамики.

Кроме того, работа ракетных двигателей сопровождается сверхвысокими температурами. Это вызывает в газах сложные физические процессы, например:

- диссоциацию и ионизацию газа;

- явления, связанные с разреженностью атмосферы на больших высотах полета;

- разрушение (плавление и испарение) твердой поверхности обтекаемого газом тела;

- излучение тепла поверхностью тела и самим газом;

- движения реагирующих между собой смесей газов (например, при горении) и многими другими физическими и химическими процессами.

Решение этих задач послужило основанием к созданию новой дисциплины - аэротермодинамики.Она объединяет механику и термодинамику газа, движущегося с большими скоростями.

Магнитная гидродинамика– еще один раздел механики жидкости.При использовании потоков ионизированного газа (плазмы) для непосредственного превращения тепла в электрическую энергию в магнитогидродинамическом генераторе необходимо рассматривать взаимодействие движущегося газа не только с твердыми телами, но и с электрическими и магнитными полями.

Все сказанное о газе относится, хотя и в несколько меньшей степени, и к жидкостям. В настоящее время жидкости широко используются в различных отраслях промышленности:

- как носители тепла в атомной энергетике;

- процессы тепломассопереноса в жидкостях лежат в основе многих химических производств;

- металлургия с успехом применяет магнитную гидродинамику для управления потоками жидких металлов в процессах плавки и др.

Вот почему предмет механика жидкости и газа нельзя сводить к одному механическому движению и механическому взаимодействию их с твердыми телами. Механические движения сопровождаются общими движениями материи - сложными физическими процессами, которые следует иметь в виду. Эти процессы во многих практических задачах играют главную роль, оставляя механическим движениям вспомогательное, подчиненное значение.

В ракетно-космической технике с жидкостными ракетными двигателями (ЖРД) до 85% массы летательного аппарата составляет жидкое топливо. Двигательная установка с ЖРД включает систему подачи компонентов топлива и камеру сгорания двигателя. В свою очередь систему подачи можно разделить на три основные части.

1. Агрегаты для создания давления и подачи компонентов.

2. Система агрегатов и трубопроводов, обеспечивающих запуск, останов и работу двигателя. В общем случае такая система включает гидро-, пневмо-, пиро- и электроческие приводы. Электрические и пиротехнические приводы используются в основном в системах управления ДУ с ЖРД.

3. Топливные баки горючего - «Г» и окислителя – «О».

Основным агрегатом насосной системы подачи компонентов топлива является турбонасосный агрегат (ТНА). С помощью ТНА в ЖРД осуществляется подача топлива по гидравлическим магистралям в камеру сгорания и системы гидроавтоматики. Главными элементами ТНА являются насосы, подающие компоненты с заданным давлением и турбина, рабочим телом которой является газ, вырабатываемый в газогенераторе. Расчеты, проводимые при проектировании ТНА, можно разделить на гидравлические (для насосов и магистралей топлива), газодинамические (для турбин) и прочностные.

Таким образом, при проектировании двигательной установки гидравлические расчеты занимают значительное место и являются основополагающими для принятия решения о конструктивном исполнении жидкостного ракетного двигателя.

На рисунке В.1 изображена пневмогидравлическая схема ЖРД с турбонасосной подачей горючего и окислителя. Турбонасосная система питания включает в себя баки окислителя (1) и горючего (2), выходы (16 и 17) из баков в трубопроводы (19, 20), мембраны принудительного прорыва (3,4), насосы окислителя (6) и горючего (5), газогенератор (7), регулятор тяги (8), регулятор соотношения компонентов (10), рубашку охлаждения (9), форсунки горючего (11) и окислите­ля (12), турбины (13), колена (14,15), тройник (18).

Для подачи горючего и окислителя на вход в насосы в то­пливные баки подается под давлением нейтральный газ.

Схема жидкостного ракетного двигателя

Горючее подается насосом (5) через рубашку охлаждения (9) и форсунки (11) в камеру сгорания. Часть горючего после насоса (5) в газогенератор (7), в который поступает весь окис­литель из насоса (6). Газогенератор (7) вырабатывает рабочее тело для турбины (13). После турбины рабочее тело, обладаю­щее свойствами окислителя поступает в камеру сгорания через форсунки (12).

Регулятор тяги (8) по величине давления в камере сгора­ния следит за тягой двигателей и при отклонении ее от задан­ного значения путем изменения соотношения компонентов в газогенераторе восстанавливает тягу до нормы.

Регулятор соотношения компонентов (10) обеспечивает одновременную выработку компонентов топлива из баков.

Мембраны прорыва (3,4) герметично отделяют топливные баки от системы. При запуске двигателя они прорываются специальными устройствами.

При работе двигателя давление подачи компонентов топли­ва на выходе из насосов определяются давлением в камере сго­рания, перепадом давления на форсунках, перепадом давления на турбине и сопротивлением гидравлической магистрали на выходе из насоса.

· Методы гидравлики и гидромеханики.Сложные задачи науки обычно не могут быть решены с учетом всех действующих факторов. Да это чаще всего это и не требуется, так как некоторые из этих факторов очень слабо влияют на основной эффект, составляющий содержание поставленной задачи. Успех научного исследования зависит от умения исследователя пренебречь второстепенными для данной задачи явлениями и выдвинуть на первый план основные, решающие свойства, явления, процессы, Известно, например, что попытка Ньютона в ХVII в. учесть в "ударной теории" сопротивления жидкости дискретность жидкого тела, а в другом случае даже ее вязкость (которую он называл "недостатком скользкости") привела к результатам, противоречащим открытому позднее закону сохранения вещества и энергии. И наоборот, труды Эйлера (XVIII в.) в которых жидкость рассматривается как среда, непрерывно распределенная в пространстве (континуум) и лишенная сил внутреннего трения, позволили ему и его современнику Даниилу Бернулли впервые сдвинуть гидродинамику с мёртвой точки и четко сформулировать ряд ее основных законов. (Характерно, что само слово «гидродинамика» было впервые употреблено как название этой науки Д. Бернулли в 1738 г.).

Сложность и порой противоречивый характер многочисленных теплофизических и физико-механических свойств жидкости требуют и от современного исследователя правильного построения модели жидкости, наделенной одними (важными для данной конкретной задачи) свойствами реальной жидкости и лишенной других ее свойств. Первым шагом в такой схематизации является принятие сформулированного выше условия сплошности, или постулата Эйлера о непрерывности распределения жидкости. Это допущение, оправданное малостью расстояний между молекулами по сравнению с размерами, характерными для данной задачи, дает возможность широко использовать при исследовании аппарат математики непрерывных функций. Сами понятия «давление в точке», «скорость в точке», а в случае сжимаемой жидкости и «плотность в точке» потеряли бы смысл при наличии разрывов в жидкости. На условии сплошности построены все так называемые континуальные модели жидкости, различающиеся между собой по характеру приписываемых им других свойств. К этим моделям относятся «идеальная несжимаемая жидкость», «вязкая несжимаемая жидкость», «идеальная сжимаемая жидкость», «вязкая сжимаемая жидкость».

Модели могут быть оснащены и другими свойствами реальной жидкости. Так, например, И.С Громеко и Н.Е. Жуковский очень продуктивно использовали модель идеальной жидкости, усложненную предположением о существовании в ней извечных во времени и бесконечных по своей протяженности вихревых шнуров. Даже в наше время актуальные задачи гидромеханики теоретически решаются на основе модели идеальной жидкости с последующим введением в аналитически полученные уравнения эмпирических числовых коэффициентов, учитывающих влияние вязкости.

У каждой из перечисленных моделей существуют свои пределы применимости. Так, нельзя на модели несжимаемой жидкости решать задачу о гидравлическом ударе или о движении газа при больших перепадах давления и больших скоростях потока. Точно так же следует помнить о пределах применимости самого условия сплошности, которое становится неприемлемым при наличии в жидкости разрывов, соизмеримых с размерами обтекаемого тела, сечения канала и т.д. Исследование обтекания летательных аппаратов на больших высотах, где путь свободного пробега молекул сравним с размерами частей самого аппарата, требует решения задачи на молекулярном уровне, что и отличает быстро развивающуюся в наше время науку, получившую название динамики разреженных газов. Приходится также отказываться от континуумальных моделей жидкости и при исследовании некоторых вопросов, связанных с явлением кавитации, т.е. с образованием в жидкости разрывов при местном её закипании из-за понижения давления и последующей резкой конденсации паров в области повышенного давления.

· Исторический обзор развития гидравлики и механики жидкости.Гидравлика в своем историческом развитии прошла длинный путь. Некоторые принципы гидростатики были установлены еще Архимедом в трактате «О плавающих телах» (250 лет до н.э.), а затем возрождены и развиты в трудах по гидростатике Симона Стевина (1548-1620 гг.), Галилео Галилея (1564-1642 гг.) и Блеза Паскаля (1623-1662 гг.).

Первые начала гидродинамики также относятся к античному периоду. В эпоху возрождения. Леонардо да Винчи (1452-1519 гг.) поставил первые лабораторные опыты и положил начало экспериментальной гидравлике, исследовав некоторые вопросы движения воды в каналах, через отверстия и водосливы. Торичелли (1608-1647 гг.) дал известную формулу для скорости жидкости, вытекающей из отверстия, а Ньютон (1642-1724 гг.) высказал основные положения о внутреннем трении в движущихся жидкостях.

Следующий этап в развитии относится к XVIII в. и связан с именами членов Петербургской академии наук Даниила Бернулли (1700-1782 гг.) и Леонарда Эйлера (1707-1783 гг.), разработавших общие уравнения движения идеальной жидкости и тем самым положивших начало теоретической гидромеханике. Однако применение этих уравнений (так же как и разработанных несколько позже уравнений движения вязкой жидкости) к практическим задачам, которые выдвигала бурно развивавшаяся техника, приводило к удовлетворительным результатам лишь в немногих случаях.

В связи с этим с конца XVIII в. многочисленные ученые и инженеры (Шези, Дарен, Базен, Вейсбах и др.) опытным путем изучали движение воды в различных частных случаях и получили значительное количество эмпирических формул гидравлики. Создавшаяся таким путем чисто практическая гидравлика все более отдалялась от теоретической гидродинамики. Сближение между ними наметилось лишь к концу XIX в., когда развитие авиации сформировало новые взгляды на движение жидкости, основанные на исследовании структуры потока.

Тонкие экспериментальные исследования закона внутреннего трения в жидкостях при ламинарном течении (в работах Н.П. Петрова, 1836-1920 гг.) и условий перехода от ламинарного к турбулентному течению (в работах Рейнольдса, 1848-1912 гг.) позволили глубже проникнуть в физическую природу гидравлических сопротивлений и положили начало учению о турбулентном движении. К этому же периоду относятся блестящие исследования в различных областях механики жидкости, выполненные Н.Е. Жуковским (1847-1921 г.г.), основателем крупнейшей научной школы в аэродинамике.

Несколько позже работы Л. Прандтля (1875-1953 гг.) продвинули вперед изучение турбулентных потоков, которое завершилось созданием полуэмпирических теорий турбулентности, получивших широкое практическое применение.

В XX веке стремительный рост авиационной и космической техники, гидромашиностроения, гидротехнического строительства и теплоэнергетики привел к бурному развитию механики жидкости, которое основывается на синтезе теоретических и экспериментальных методов исследования.

· Первая часть учебного пособия содержит основы гидростатики и динамики установившихся напорных течений несжимаемой жидкости; рассмотрены особенности поведения жидкости в условиях невесомости, основы гиддродинамического подобия, особое внимание уделено анализу гидравлических потерь при ламинарном и турбулентном режимах течения.

Во второй части будут рассмотрены задачи истечения капельной жидкости, неустановившееся и относительное движение, расчёт трубопроводов для капельных жидкостей, гидравлические характеристики основных элементов ЖРД: камеры сгорания, смесительной голоки, насосов и трубопроводов, приведены теоретические и экспериментальные данные, необходимые для расчёта и проектирования магистралей двигателя.

Пособие предназначено для студенов, обучающихся по специальности 160302 «Проектирование жидкостных ракетных двигателей», а также может быть полезно для студентов машиностроительных и электротехнических специальностей, изучающих курс «Гидравлика».