Кавитационные течения - раздел Приборостроение, Гидравлика. Конспект лекций В Некоторых Случаях При Движении Жидкости Возникают Явления, Связанные С Изме...
В некоторых случаях при движении жидкости возникают явления, связанные с изменением её агрегатного состояния, а именно, с превращением некоторых её частиц в газообразное состояние.
Например, при течении жидкости через местное сужение трубы происходит увеличение скорости и падение давления. Если абсолютное давление при этом уменьшается до значения, равного упругости насыщенных паров этой жидкости при данной температуре, или до давления, при котором начинается интенсивное выделение из нее газов, то в данном месте потока начинается интенсивное парообразование и выделение газов. В расширяющейся части потока скорость уменьшается, а давление возрастает, и выделение паров и газов прекращается; выделившиеся пары частично или полностью конденсируются, а газы постепенно растворяются.
Это местное нарушение сплошности течения с образованием паровых и газовых пузырей (каверн), обусловленное местным падением давления в потоке, называется кавитацией.
Если в прозрачной трубке, диаметр которой сначала плавно уменьшается, а затем еще более плавно увеличивается, течёт поток жидкости, скорость которого регулируется, то можно визуально наблюдать следующие явления.
При малой скорости жидкости падение давления в узком месте трубки незначительно, поток вполне прозрачен. При увеличении скорости в трубке абсолютное давление в соответствии с уравнением Бернулли будет падать и при некотором значении
,
где Pнп - давление насыщенных паров,
в трубке появляется отчетливо видимое помутнение жидкости, обусловленное появлением пузырьков газа. Это и есть зона кавитации.
При дальнейшем увеличении скорости размеры зоны кавитации возрастают. Кавитация сопровождается характерным шумом, а при длительном её воздействии также и эрозионным разрушением твёрдых, как правило, металлических стенок. Последнее объясняется тем, что конденсация пузырьков пара (и сжатие пузырьков газа) происходит со значительной скоростью, частицы жидкости, заполняющие полость конденсирующегося пузырька, устремляются к его центру и в момент завершения конденсации вызывают местный гидравлический удар, т. е. значительное местное повышение давления. Разрушение материала при кавитации происходит не там, где выделяются пузырьки, а там, где они конденсируются вследствие длительного воздействия знакопеременных сил.
Кавитация в обычных случаях явление нежелательное.
При кавитации также возрастает сопротивление трубопроводов и, следовательно, уменьшается их пропускная способность.
«Кавитация может возникать во всех устройствах, где поток претерпевает местное сужение с последующим расширением, например, в кранах, вентилях, задвижках, диафрагмах, жиклерах и т.п. В отдельных случаях возникновение кавитации возможно также и без расширения потока вслед за его сужением, а также в трубах постоянного сечения при увеличении нивелирной высоты и гидравлических потерь.
Кавитация может иметь место в гидромашинах (насосах и гидротурбинах), а также на лопастях быстровращающихся гребных винтов. В этих случаях следствием кавитации являются резкое снижение коэффициента полезного действия машины и затем постепенное разрушение ее деталей, подверженных воздействию кавитации. В гидросистемах кавитация может возникать в трубопроводах низкого давления - во всасывающих трубопроводах. В этом случае область кавитации распространяется на значительную часть всасывающего трубопровода или даже на всю его длину. Поток в трубопроводе при этом становится двухфазным, состоящим из жидкой и паровой фаз.
В начальной стадии паровыделения паровая фаза может быть в виде мелких пузырьков, распределённых по объему движущейся жидкости приблизительно равномерно. При дальнейшем парогазовыделении происходит укрупнение пузырьков, которые в случае горизонтального расположения трубы движутся преимущественно в верхней части ее сечения.
В дальнейшем возможны случаи полного разделения парогазовой и жидкой фаз и движения их самостоятельными потоками, первая фаза - в верхней, вторая - в нижней части сечения трубопровода. При небольших диаметрах трубопровода возможно образование парогазовых пробок и движение фаз, жидкой и газовой, чередующимися столбиками.
С увеличением парогазовой фазы пропускная способность трубопровода значительно уменьшается. Конденсация выделившихся паров и растворение газа происходит в насосах, где давление значительно повышается, и в напорных трубопроводах, по которым жидкость движется под высоким давлением от насоса к потребителю.
Кавитация, обусловленная выделением паров жидкости, происходит по-разному в однокомпонентных (простых) и многокомпонентных (сложных) жидкостях. Для однокомпонентной жидкости давление, соответствующее началу кавитации, вполне определяется упругостью насыщенных паров, зависящей только от температуры, и кавитация протекает так, как было описано выше.
Многокомпонентная жидкость состоит из так называемых легких и тяжелых фракций. Первые обладают большим значением упругости паров, чем вторые, поэтому при кавитации сначала вскипают легкие фракции, а затем тяжелые. Конденсация же паров происходит в обратном порядке, сначала выпадают тяжелые фракции, затем - легкие.
При наличии легких фракций многокомпонентные жидкости более склонны к кавитации, и паровая фаза в них удерживается дольше, но процесс кавитации выражен менее резко, чем у однокомпонентных жидкостей».
Для характеристики течения с кавитацией применяется безразмерный критерий χ, называемый числом кавитации и равный
где P - абсолютное давление,
Pп - давление парообразования,
V - скорость потока.
Обычно число кавитации 
определяют на входе в тот или иной агрегат, внутри которого возможно возникновение кавитации.
Значение , при котором в агрегате начинается кавитация, называется критическим числом кавитации. При 
>
коэффициент агрегата 
от 
не зависит, а при 
< 
возрастает с уменьшением 
.
Обычно стремятся к тому, чтобы кавитацию в гидросистемах не допускать.
Но можно отметить, что иногда это явление оказывается полезным. Его используют в так называемых кавитационных регуляторах расхода, обеспечивающих практически постоянный расход через зону кавитации. На принципе использования гидравлических микроударов, происходящих при кавитации, построены устройства для регенерации (очистки от загрязнений) очищающих элементов фильтров.
Все темы данного раздела:
Сазанов И. И.
Гидравлика. Конспект лекций. Учебное пособие. — М.: ИЦ МГТУ
Станкин, 2004 — 292 с.
В учебном пособии рассмотрены основные законы и уравнения гидравлики, охватывающие разделы сво
Жидкость как объект изучения гидравлики
Передачу энергии в гидравлических системах обеспечивают рабочие жидкости, поэтому чтобы эффективно их применять, надо знать какими свойствами они обладают.
Жидкости,как и все вещес
Гипотеза сплошности
Рассматривать и математически описывать жидкость как совокупность огромного количества отдельных частиц, находящихся в постоянном непрогнозируемом движении, на современном уровне науки не представл
Плотность
Плотность жидкости , так же как любых других тел, представляет собой массу единицы
Удельный вес
Удельным весом жидкости - называется вес единицы её объёма. Эта величина выражаетс
Сжимаемость жидкости
Сжимаемость жидкости это свойство жидкостей изменять свой объём при изменении давления.
Температурное расширение жидкости
Температурное расширение жидкостисостоит в том, что она может изменять свой объем при изменении температуры. Это свойство характеризуется температурным коэффициентом объемного расширения
Растворение газов
Растворение газов-способность жидкости поглощать (растворять) газы, находящиеся в соприкосновении с ней. Все жидкости в той или иной степени поглощают и растворяют газы. Это свойство характе
Кипение
Кипение – способность жидкости переходить в газообразное состояние. Иначе это свой
Сопротивление растяжению жидкостей
Сопротивление растяжению жидкостей заключается в способности жидкости противостоять растягивающим силам.
Вязкость
Вязкость – свойство жидкости оказывать сопротивление относительному сдвигу ее слоев. Вязкость проявляется в том, что при относительном перемещении слоев жидкости на поверхностях их соприкосновения
Анализ свойства вязкости
Для капельных жидкостей вязкость зависит от температуры t и давления Р, однако последняя зависимость проявляется только при больших изменениях давления, порядка не
Неньютоновские жидкости
Особенностью ньютоновских жидкостей является полное отсутствие трения покоя. Однако существуют жидкости (растворы полимеров, коллоидные суспензии, строительные растворы, пищевые и кормовые смеси и
Определение вязкости жидкости
Вязкость жидкости определяется экспериментально с помощью приборов, которые называ
Лекция 3. Эксплуатационные свойства жидкостей
Кроме рассмотренных физических свойств жидкостей при их использовании в технологических машинах нужно учитывать и другие характеристики. Они не влияют на математическое описание гидравлических явле
Загрязнение во время поставки, хранения и заправки
Различные присадки и добавки, предназначенных для улучшения эксплуатационных свойств жидкости в процессе транспортировки и хранения могут выделяться из жидкости, превращаясь в загрязняющие вещества
Последствия загрязнения рабочей жидкости
Надежность работы гидропривода находится в непосредственной зависимости от чистоты рабочей жидкости. В большинстве случаев наблюдаются следующие нарушения работы и повреждения, вызванные загрязнени
Применяемые жидкости
В гидросистемах машин технологического назначения чаще всего применяют специальные жидкости минерального происхождения с диапазоном вязкости при 500 С примерно10–175
Лекция 4. Гидростатика
Гидростатика – раздел гидромеханики, изучающий законы равновесия неподвижной жидкости, находящейся под действием внешних сил.
Вследствие действия этих сил внутри жидкости возни
Массовые силы
Массовые силы это силы, пропорциональные массе жидкости. В случае однородной жидко
Силы поверхностного натяжения
Молекулы жидкости притягиваются друг к другу с определённой силой. Причём внутри жидкости силы, действующие на любую молекулу, уравновешиваются, т.к. со всех сторон от неё находятся одинаковые моле
Силы давления
Свойства гидростатического давления
Первое свойство формулируется следующим образом: на внешней поверхности жидкости гидростатическое давление всегда направлено по нормали внутрь рассматриваемого объёма.
В привед
Основное уравнение гидростатики
Определим теперь величину давления внутри покоящейся жидкости. С этой целью рассмо
Следствия основного уравнения гидростатики
Во-первых, из основного уравнения гидростатики следует, что для любой точки жидкости в состав величины давления входит P0 - давление, которое приложено к граничной поверхно
Приборы для измерения давления
Существует два основных типа приборов для измерения давления в жидкости.
К приборам первого типа можно отнести пьезометры. Они представляют собой вертикальную трубку, обычно прозрачную. Е
Лекция 5. Дифференциальные уравнения равновесия покоящейся жидкости
Дифференциальные уравнения равновесия покоящейся жидкости иначе называют
Частные случаи интегрирования уравнений Эйлера
Покой жидкости под действием силы тяжести
Сначала рассмотрим прос
Физический смысл основного закона гидростатики
Полученный выше основной закон гидростатики несложно вывести, опираясь на следующие рассуждения. Они не носят строгого математического характера, но правильно отражают физику явления.
Прямолинейное равноускоренное движение сосуда с жидкостью
Если сосуд с жидкостью неравномерно движется, то на жидкость действуют силы веса и инерционные силы. Под их действием частицы жидкости принимают новое положение. Если движение равноускоренное, то н
Покой при равномерном вращении сосуда с жидкостью
Рассмотрим сосуд с жидкостью, вращающийся вокруг вертикальной оси с постоянной скоростью ω. На жидкость действуют внешнее давление, силы тяжести и инерционные силы. В результате
Сила давления жидкости на плоскую стенку
Рассмотрим произвольную площадку ds, расположенную на плоской наклон
Центр давления
Распределённую нагрузку, действующую на наклонную стенку, заменим сконцентрированной. Для этого найдём на наклонной стенке положение точки D, в которой приложена равнодействующая силы
Сила давления жидкости на криволинейную стенку
Чаще всего необходимо определить силу, действующую на цилиндрическую поверхность,
Круглая труба под действием гидростатического давления
В гидравлических системах технологического назначения жидкость в основном передаётся по трубам круглого сечения. В водопроводах, канализационных и многих других трубопроводных системах, гидротехнич
Гидростатический парадокс
Рассмотрим три сосуда разной формы, заполненные жидкостью до одного уровня hc. Все сосуды такие, что имеют одинаковую площадь дна.
Основы теории плавания тел
Будем считать, что в жидкость плотностью ρ погружено тело объёмом V. Выберем систему координат, ось Z которой направим вниз, а оси X и
Лекция 7. Кинематика жидкости
Основной задачей этого раздела гидравлики является определение следующих зависимостей скорости u и давления P в каждой точке потока жидкости, которые являются соответств
Виды движения (течения) жидкости
Течение жидкости вообще может быть неустановившимся (нестационарным) или установившимся (стационарным).
Типы потоков жидкости
Совокупность элементарных струек жидкости представляет собой поток жидкости. Различают следующие типы потоков (или типы движений жидкости).
Гидравлические характеристики потока жидкости
В гидравлике различают следующие характеристики потока: живое сечение, смоченный периметр, гидравлический радиус, расход, средняя скорость.
Живым сечением потока назы
Струйная модель потока
В гидравлике рассматривается струйная модель движения жидкости, т.е.
Уравнение неразрывности для элементарной струйки жидкости
Уравнение неразрывности в гидравлической форме для потока жидкости при установившемся движении
Если просуммировать расходы всех элементарных струек в каждом живом сечении потока, то получится уравнение неразрывности для потока при установившемся движении. Обычно его записывают
Дифференциальные уравнения неразрывности движения жидкости
Уравнения, рассмотренные выше, представлены в интегральной форме и не учитывают всех условий движения потока жидкости.
Рассмотрим то же самое движение жидкости, опираясь на важнейший зако
Лекция 9. Динамика жидкостей
Главная задача данного раздела, вместе с разделом кинематики жидкостей, заключается в установлении связей между силами, существующими в потоке жидкости и характеристиками движения этой жидкости. На
Дифференциальные уравнения Эйлера для движения идеальной жидкости
Рассмотрим произвольную точку А в потоке жидкости. Давление в этой точке обозначим буквой P. Выделим вблизи неё прямоугольный объём жидкости размерами dx, dy, dz.
Преобразование уравнений Эйлера
Так же как и в статике, чтобы избавиться от частных производных, умножим эти уравнения соответственно на dx, dy и dz и сложим их:
Исследование уравнений Эйлера
В правую часть дифференциальных уравнений Эйлера для движущейся идеальной жидкости входит величина dux. Её можно представить как полный дифференциал функции независимых пер
Дифференциальные уравнения движения вязкой жидкости (уравнения Навье-Стокса)
До сих пор мы не рассматривали влияние сил вязкого трения на движение жидкости. Попытаемся учесть эти силы. Для простоты рассмотрим движение реальной (вязкой) жидкости в проекции на одну координ
Лекция 10. Интегрирование уравнений Эйлера
Интегрирование уравнений Эйлера рассмотрим на широко распространённом примере движения жидкости под действием силы тяжести. Примерами такого движения могут служить: течение реки, ручья или любого д
Уравнение Бернулли для струйки идеальной жидкости
Рассмотрим элементарную струйку идеальной жидкости при установившемся движении, в которой выделим два сечения 1-1 и 2-2. Площади живых сечений потока обозначим dω
Геометрическая интерпретация уравнения Бернулли
Положение любой частицы жидкости относительно некоторой произвольной линии нулевого уровня 0-0 определяется вертикальной координатой Z. Для реальных гидравлически
Энергетическая интерпретация уравнения Бернулли
Выше было получено уравнение Бернулли с использованием энергетических характе
Уравнение Бернулли для потока идеальной жидкости
Поток идеальной жидкости, как указывалось ранее, можно представить совокупностью э
Уравнение Бернулли для потока реальной жидкости
В реальных потоках жидкости присутствуют силы вязкого трения. В результате слои жидкости трутся друг об друга в процессе движения. На это трение затрачивается часть энергии потока. По этой причине
Два режима течения жидкости
Физический смысл числа Рейнольдса
Физический смысл числа Рейнольдса заключается в смене режимов течения жидкости. В настоящее время не существует строгого научно доказанного объяснения этому явлению, однако наиболее достоверной гип
Основные особенности турбулентного режима движения
Как уже отмечалось выше, на практике встречаются оба режима движения жидкости, однако наибольшие особенности имеют турбулентные потоки. Перечислим основные из них.
ü По характеру дви
Возникновение турбулентного течения жидкости
Если на каком-то участке трубопровода существует турбулентный поток, то это не значит, что такой же характер сохраняется во всей трубе. На различных участках трубопровода и даже на одних и тех же у
Возникновение ламинарного режима
В реальных гидросистемах, даже при ламинарном режиме течения жидкости в круглых трубах, на пути потока встречаются участки с другой геометрией. Это могут быть соединения труб, изгибы, гидроаппараты
Сопротивление потоку жидкости
Гидравлическая жидкость в гидросистемах технологического оборудования, как уж
Гидравлические потери по длине
Потери напора по длине, иначе их называют потерями напора на трение , в чистом ви
Ламинарное течение жидкости
Напомним, что ламинарное течение - это упорядоченное слоистое течение, математическое описание которого основано на законе трения Ньютона.
Лекция 13. Турбулентное течение жидкости
Напомним, что турбулентное движение жидкости отличается интенсивным вихреобразованием, приводящим к перемешиванию слоёв. В потоке наблюдаются постоянные пульсации давлений и скоростей, как по велич
Вязкое трение при турбулентном движении
Выделим в турбулентном потоке, движущимся параллельно твёрдой стенке, элементарную площадку ΔS и определим касательное напряжение τ, возникающее за счёт пульса
Турбулентное течение в трубах
Несмотря на то, что в общем случае турбулентное движение жидкости является неустойчивым, если рассматривать некоторые усредненные по времени характеристики потока, среднюю скорость, среднее распред
Турбулентное течение в гладких трубах
Гладкие или точнее технически гладкие трубы это такие, шероховатость внутренних поверхностей которых настолько мала, что практически не влияет на потери энергии на трение. К таким трубам относят
Турбулентное течение в шероховатых трубах
Исследование течения жидкости в шероховатых трубах практически полностью основываются на экспериментальных исследованиях. На их результатах основаны зависимости и расчётные формулы, применяющиеся д
Местные гидравлические сопротивления
Местными гидравлическими сопротивлениями называются любые участки гидравлической системы, где имеются повороты, преграды на пути потока рабочей жидкости, расширения или сужения, вызывающ
Внезапное расширение. Теорема Борда - Карно
В этом случае, одном из немногих, выражение для потери напора можно найти теоретическим путем.
Внезапное сужение потока
При внезапном сужении, так же как и при внезапном расширении потока, создаются пространства с завихрениями вращающейся жидкости, которые образуются в пристенном пространстве широкой части трубы. Та
Постепенное расширение потока
Постепенное расширение трубы называется диффузором. Движение жидкос
Постепенное сужение потока
Такое сопротивление представляет собой коническую сходящуюся трубку – конфу
Внезапный поворот потока
Такое местное сопротивление, называемое обычно коленом, очень сильно влияет на по
Плавный поворот потока
Постепенный поворот трубы (отвод или закруглённое колено) значительно уменьшает вихреобразование и, следовательно, потери энергии. Величина потерь существенно зависит от отношения
Лекция 15. Критерии подобия
В процессе проектирования различных гидросистем, трубопроводов, гидротехнических сооружений, гидравлических и газовых систем химических и нефтехимических предприятий нередко возникает необходимость
Основы теории подобия, геометрическое и динамическое подобие
Гидродинамическое подобие - это подобие потоков несжимаемой жидкости, включающее в себя подобие геометрическое, кинематическое и динамическое.
Критерий подобия Ньютона
В подобных потоках силы, с которыми поток воздействует на препятствия - твердые с
Критерий подобия Эйлера
Вначале рассмотрим наиболее простой случай - напорное движение идеальной жидкости, т. е. такое движение, при котором отсутствуют силы вязкости. Для этого случая уравнение Бернулли для сечений
Критерий подобия Рейнольдса
Посмотрим, какому условию должны удовлетворять те же геометрически и кинематически подобные потоки для того, чтобы было обеспечено их гидродинамическое подобие при наличии сил вязкости, а, следоват
Лекция 16. Истечение жидкости из отверстий и насадков
Истечение жидкости из отверстий и насадков (коротких трубок различной формы и сечений) характерно тем, что в этом процессе потенциальная энергия жидкости на очень коротком расстоянии и за очень кор
Сжатие струи
При вытекании жидкости из резервуара через отверстие в тонкой стенке, диаметр кот
Истечение через малое отверстие в тонкой стенке
Рассмотрим большой резервуар с жидкостью, из которого через малое отверстие в боковой стенке вытекает струйка. Термины «большой резервуар» и «малое отверстие» означает, что эти размеры не сказывают
Истечение через насадки
Лекция 17. Гидравлический расчет трубопроводов
Жидкость движется по трубопроводу благодаря тому, что ее энергия в начале трубопровода (у источника гидравлической энергии) больше, чем в конце. Этот перепад (разница) уровней энергии может быть со
Простые трубопроводы постоянного сечения
Все трубопроводы могут быть разделены на простые и сложные. К простым трубопроводам относятся трубопроводы без разветвлений, а к сложным - трубопроводы, имеющие хотя бы одно разветвление (или место
Последовательное соединение трубопроводов
Последовательный трубопровод состоит из нескольких труб различной длины и различного диаметра, соединённых между собой.
В каждом из этих трубопроводов могут иметься свои местные сопротивл
Параллельное соединение трубопроводов
Отличительной особенностью таких трубопроводов является то, что поток жидкости де
Трубопроводы с насосной подачей жидкости
В большинстве гидравлических систем технологического оборудования в качестве исто
Лекция 18. Гидравлический удар в трубопроводах
Теоретическое и экспериментальное исследование гидравлического удара в трубопроводах впервые было проведено известным русским учёным Николаем Егоровичем Жуковским в 1899
Скорость распространения гидравлической ударной волны в трубопроводе
Изменения давления и скорости потока в трубопроводах происходят не мгновенно в св
Ударное давление
Для выяснения величины подъёма давления Р применим теорему о сохранении ко
Разновидности гидроудара
Если трубопровод перекрыть не полностью, то скорость жидкости изменится не до нуля, а до значения V1 . В этом случае может возникнуть неполный гидроудар, при
Ламинарное течение в плоских зазорах
Рассмотренные выше зависимости, как уже отмечалось, действительны для труб круглого сечения, но они нуждаются в уточнении, если форма сечения потока отличается от окружности. Такие потоки имеют мес
Ламинарное течение в плоских зазорах с подвижной стенкой
В процессе работы гидроаппаратов и гидромашин может встречаться ситуация, когда о
Ламинарное течение в кольцевых зазорах
Зазоры в виде цилиндрического кольца встречаются практически в каждом конструктивном элементе гидросистем: в любых гидравлических аппаратах, гидромашинах, гидравлической арматуре. Эти зазоры могут
Ламинарное течение в трубах прямоугольного сечения
Для определения потерь энергии в таких трубах используют формулу Дарси (напомним
Смазочный слой в подшипнике
Особым случаем ламинарного движения жидкости в кольцевом зазоре является относительное вращение двух цилиндрических поверхностей, образующих кольцевую щель между вращающейся цапфой и неподвижным вк
Течение с облитерацией
При течении жидкости через капилляры, а также малые зазоры наблюдается явление, которое нельзя объяснить законами гидравлики. Это явление заключается в том, что расход жидкости через капилляр или з
Течение с теплообменом
В рассмотренных выше случаях ламинарного течения не учитывалось изменение температуры и, следовательно, изменение вязкости жидкости как в пределах поперечного сечения, так и вдоль потока, т.е. пред
Течение при больших перепадах давления
В высоконапорных гидромашинах, например гидравлических прессах, может происходить ламинарное течение жидкости через малые зазоры при больших перепадах давлений порядка нескольких десятков и даже со
Новости и инфо для студентов