Попов Д.Н. - Динамика и регулирование гидропневмосистем (1067565), страница 32
Текст из файла (страница 32)
Однако возможны случаи, когда в системах образуются комбинации жидкость — газ, и тогда приходится рассматривать рабочую среду как двухфазную. Например, нарушение однофазности 'рабочей среды может произойти из-за наличия нерастворенного воздуха в гидросистеме или из-за возникновения кавитации в каком-либо устройстве: насосе, золотнике, клапане.
Жидкость с растворенным в ней воздухом ведет себя как однофазная среда. Рабочие среды, обеспечивая передачу энергии в гидро- и пневмосистемах, находятся в постоянном взаимодействии с различными деталями механизмов и машин, поэтому от свойств рабочих сред во многом зависят долговечность и надежность систем. Кроме того, видом рабочей среды определяются те ограничения, которые накладываются на условия эксплуатации систем: минимальные и максимальные температуры для окружающей и для рабочей среды, стойкость к воспламенению, радиационная стойкость и др. 12, 781. Выбор рабочей среды часто предопределяет конструкцию, вес и наибольшую мощность устройств, используемых в гидро- или пневмосистеме.
При расчетах и исследованиях режимов регулирования гидро- и пневмосистем необходимо знать свойства рабочих сред, так как они могут оказывать существенное влияние на различные характеристики как отдельных элементов, так и всей системы в целом. Здесь мы остановимся только иа тех свойствах рабочих сред, которые имеют наиболыпее значение для изучения динамики процессов, протекающих в гидро- и пневмосистемах. К этим свойствам относятся инерция, вязкость, сжимаемость.
Инерция рабочих сред проявляется при ускорении или при замедлении их движения. Мерой инерции рабочих сред, как известно, служит масса — одна из важнейших характеристик, с которой приходится иметь дело при изучении движения любых тел. Отношение массы тела к его объему определяет плотность тела. Для жидкости или газа, сплошь заполняющих пространство, плотность р есть функция координат точки этого пространства и определяется пре- 174 дельным выражением Лт р= Игп —, ди за~ где Лт — масса среды в объеме Ьг', Величина плотности зависит от природы рабочей среды и усло- вий, в которых она находится.
Плотность рабочей среды в общем случае является функцией давления р и температуры Т', т. е. р=1М, т'). Зависимость плотности от давления и температуры оказывается существенно различной для жидкостей и для газов. Плотность жидкостей изменяется значительно меньше с температурой и сдав- лением, чем плотность газов. Это объясняется тем, что объем жид- кости по сравнению с объемом газа мало меняется под действием давления, а коэффициенты объемного теплового расширения обычно используемых в гидросистемах жидкостей невелики.
Вязкостью называется обусловленная подвижностью молекул способность жидкости или газа сопротивляться относительному сдвигу ее слоев. Если возникающие при сдвиге касательные напря- жения подчиняются закону вязкого трения Ньютона, т. е. изменя- ются пропорционально скорости сдвига, то жидкости называются ньютоновскими.
Существуют также неньютоновские жидкости, у которых касательные напряжения могут отличаться от нуля при равных нулю скоростях сдвига. Эти напряжения могут также зависеть от продолжительности процесса сдвига слоев жидкости. В последнее время для улучшения вязкостно-температурных свойств в некоторые жидкости, применяемые в гидросистемах, вводятся полимерные загустители. Вследствие этого действительная вязкость жидкости отличается от определяемой в обычных вискозиметрах тем больше, чем больше скорости относительного сдвига слоев. Такие жидкости могут только приближенно приниматься ньюто- новскими. Для воздуха и газов закон вязкого трения Ньютона.
является справедливым, Коэффициент пропорциональности в законе вязкого трения Ньютона называется динамической вязкостью. В гидромеханике используется также кинематическая вяз- кость ч, равная отношению динамической вязкости р к плотности жидкости: =М' (8.1) Вязкость зависит от рода и состояния жидкости или газа. С увеличением температуры вязкость жидкостей уменьшается, а газов возрастает, что объясняется различным молекулярным строением этих веществ 112). На рис. 8.1 даны зависимости от температуры кинематической вязкости воздуха и некоторых ньютоновских жидкостей, применяемых в гидросистемах. Вязкость жидкостей и газов изменяется также с изменением давления.
Для жидкостей зависимость динамической вязкости от 175 давления имеет вид (78) Р=1сое и (8.2) У, сгвг ГОВО баб а,б 176 где р и )во — динамические вязкости соответственно при избыточном давлении р и атмосферном давлении; Ь вЂ” коэффициент, характеризующий изменение вязкости в зависимости от давления; для широко применяемых в гидросистемах масел Ь = 0,02 —; 0,03 1/МПа. По формуле (8.2) можно найти, что при повышении давления на 10 МПа ( 100 кгс/смв) динамическая вязкость жидкости уве. личится приблизительно на 20- 35%.
Динамическая вязкость воздуха при изменении давления изменяется незначительно (76). УОО Более существенно зависит от давления кинематическая вязкость воздуха, что связано с пега ременностью его плотности. Вязкость среды, как известно из гидромеханики, непосредственно влияет на гидродинамическую устойчивость потоков, б Х при нарушении которой происходит смена ламинарных течений турбулентными. При этом изменяются коэффициенты гидравлиОт ческих сопротивлений и соответ' — ОО -ВО О ВО ВО бб ВО'С ственно изменяются потери ме- ханической энергии в гидро- или Рис. 83. Зависимость кинематического коэффициента вязкости от темпера- в пневмосистеме.
От вязкости туры; рабочей среды зависят также -р ° з; э — ° дэ; силы трения, возникающие при 3 — жидкость Амгоа: 4 — воадук' 3 = относительных перемещениях де керосин; З вЂ” вода' талей, зазоры между которыми заполнены жидкостью или газом. Действие этих сил также сопровождается потерями механической энергии. Таким образом, вязкость рабочей среды играет важную роль в диссипации механической энергии и вследствие этого может оказывать существенное влияние на демпфирование гидро- или пневмосистем.
Кроме рассмотренной вязкости, называемой иногда сдвиговой, большинство жидкостей, включая жидкие металлы, обладают еще объемной вязкостью. Эта вязкость обнаруживается при сравнении экспериментальных коэффициентов поглощения ультразвука с расчетными значениями, полученными с учетом только сдвиговой вязкости и потерь энергии из-за теплопроводности среды. В отличие от жидкостей у одноатомных газов объемная вязкость отсутствует и у большинства однородных газов близка к нулю.
Объемная вязкость жидкостей вызывается различными причинами. В неассоциированных жидкостях основной причиной является релаксация поворотной изомерии и релаксация внутримолекулярных колебаний. В ассоциированных жидкостях объемная вязкость связана со структурной релаксацией, сопровождающейся изменением объема между различными равновесными состояниями молекул.
При этом релаксационные процессы в случае сдвига слоев и объемной деформации жидкости имеют одинаковую природу, чем, в частности, объясняется одинаковое влияние температуры и давления на оба вида вязкости у ряда жидкостей. Объемная вязкость характеризуется величиной рю измеряемой в тех же единицах, что и динамическая вязкость. Соотношения между этими величинами для некоторых жидкостей даны в табл. 8.1.
Таблица 8.1 Значении р /!а длн некоторых жидкостей температура, 'с Жидкость м,пас 15 — 14 ЗО 888 0,0011 61,6 0,21 0,1! 5 2,8! 1,ОЗ 1,ЗЗ 20,8 Вода .. Глицерин Минеральное масло Расплавленный хлористый натрий 17? Несмотря на соизмеримые значения р и рю а для ряда жид костей и значительное превышение ру над р, наличие объемной вязкости необходимо учитывать только при рассмотрении процессов, связанных с большими скоростями объемной деформации жидкостей. В гидросистемах объемная вязкость обычно не влияет на процессы, свойственные операциям управления. При расчетах и исследованиях процессов по частотам, близким к ультразвуковым, пренебрежение объемной вязкостью жидкостей может привести к неточностям в определении показателей демпфирования этих процессов. Сжимаемостью называется свойство жидкостей и газов изменять свой объем при изменении давления.
Несмотря на то, что у жидкостей это свойство выражено значительно слабее, чем у газов, сжимаемость жидкостей может быть одной из главных причин возникновения колебательных процессов в гидросистемах и нарушения их устойчивой работы. Для оценки сжимаемости жидкостей и газов применяется коэффициент сжимаемости ! а!у (8.3) где !7 — объем, занимаемый жидкостью или газом при давлении р. Знак «минус» в формуле (8.3) учитывает, что при положительном приращении (увеличении) давления имеет место отрицательное при. ращение (уменьшение) объема, занимаемого жидкостью или газом.
Коэффициент сжимаемости может быть также определен через относительное изменение плотности р среды: 1 ч'р сж нр Величина, обратная коэффициенту сжимаемости, называется модулем объемной упругости среды: В =-1Фсж; В = р с(р7пр. (8.4) (8.6) Формулы (8.3) и (8.4) показывают, что чем выше модуль объемной упругости, тем менее податлива среда и тем меньше ее объемная деформация при повышении давления. Для расчета модуля объемной упругости по формуле (8.6) необходимо иметь зависимость, связывающую величины р и р.
Этой зависимостью является уравнение состояния рабочей среды. В общем случае уравнение состояния может содержать еще температуру рабочей среды, для определения которой необходимо рассматривать процессы теплообмена, протекающие в данной системе. При решении такой общей задачи обычно встречается ряд трудностей, вызванных тем, что уравнение состояния среды составляется только после принятия определенных допущений, а описание процессов теплообмена в реальной системе приводит к сложным математическим моделям с дополнительными неизвестными параметрами. Вследствие этого для жидкостей значения модулей объемной упругости находятся экспериментальным путем. Для газов принимаются допущения относительно вида процесса изменения его состояния, и тогда модули объемной упругости выражаются непосредственно через давление.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
