Движение жидкости состоит из чрезвычайно сложного перемещения отдельных молекул.

В целях упрощения методики расчета вводится понятие о струйчатой модели движения. Согласно этой модели, поток состоит из отдельных элементарных струек, изучение которых в отдельности дает возможность понять закономерности потока в целом. Отдельные частицы жидкости, заполняющие некоторое пространство, перемещаются в различных направлениях и с раз личными скоростями.

Движение жидкости, при котором скорость и давление зависят не только от координат пространства, но и от времени, называется неустановивишмся, или нестационарным.

Установившееся движение жидкости характеризуется независимостью скорости движения, давления и расхода от времени. Установившееся движение жидкости, при котором средние скорости по длине потока не изменяются, называется равномерным.

Линией тока называется кривая, которая совпадает в каждый момент с вектором скорости.

При установившемся движении линии тока совпадают с траекториями движущихся частиц жидкости.

Совокупность линий тока, проходящих через контур элементарной площадки, составляет трубку тока. Жидкость, заполняющая трубку тока, называется элементарной струйкой. Скорости и площади живых сечений (перпендикулярных скоростям движения жидкости) элементарной струйки могут меняться. Скорости же в пределах одного живого сечения элементарной струйки вследствие его малых размеров одинаковы.

Периметр живого сечения, по которому поток соприкасается с руслом, называется смоченным периметром, а та часть периметра, поток которой соприкасается с воздушной средой, называется ее свободной поверхностью.

Потоки, имеющие свободную поверхность, называют безнапорными (каналы, реки, ручьи), а потоки без свободной поверхности — напорными (напорные трубопроводы).

Расход жидкости — это объемное или весовое количество жидкости, проходящей через живое сечение потока в единицу времени. Скорости в различных точках одного и того же живого сечения потока различны из-за наличия сил трения между слоями жидкости, а также между жидкостью и стенками трубы. В круглой трубе, например, скорости потока по оси трубы максимальны, тогда как у стенок трубы они равны нулю.

Для измерения скорости в точках потока широко используют трубку Пито, загнутый нижний открытый конец которой

Измерение скорости потока и расхода жидкости направлен навстречу потоку, движущемуся со скоростью и, а верхний открытый конец трубки находится под действием атмосферного давления Рат.

Гидравлические сопротивления

Потери энергии (уменьшение гидравлического напора) можно наблюдать в движущейся жидкости не только на сравнительно длинных участках, но и на коротких. В одних случаях потери напора распределяются (иногда равномерно) по длине — это гидравлические путевые потери; в других — они сосредоточиваются на очень коротких участках, длиной которых можно пренебречь,— на так называемых местных гидравлических сопротивлениях: вентилях, всевозможных закруглениях, сужениях расширениях и т. д.

Следует заметить, что потери напора по длине и в местных гидравлических сопротивлениях существенным образом зависят от так называемого режима движения жидкости.

Еще Д. И. Менделеев заметил, что жидкости, перемещаясь в трубах и каналах, в одном случае сохраняют определенный строй своих частиц, в других — перемещаются бессистемно. Исчерпывающие опыты по этому вопросу были проведены Рейнольдсом в 1883 г. На рис. 3 изображена установка, аналогичная той, на которой Рейнольдс производил свои опыты. Из резервуара жидкость по прозрачной трубе при открытом вентиле может выливаться в атмосферу. Над резервуаром помещен сосуд с подкрашенной жидкостью, из которого последняя по трубке, оканчивающейся соплом, может вводиться в стеклянную трубу.

При малом открытии вентиля поток в стеклянной трубе будет перемещаться с малой скоростью. Если теперь пустить подкрашенную жидкость в поток, то последняя будет перемещаться, не смешиваясь с потоком. Это создает впечатление, что отдельные слои жидкости при малых скоростях движения перемещаются независимо, обособленно один от другого. Наблюдается послойное называется ламинарным.

Движение потока остается стройньш только до открытия вентиля, т. е. до определенной скорости движения жидкости в прозрачной трубе, после чего слоистое течение жидкости нарушается и движение становится беспорядочным — турбулентным.

Скорость, при которой нарушается слоистое движение жидкости, называют критической.

Распределение скоростей при ламинарном и турбулентном течении жидкости в круглой трубе. При ламинарном течении максимальная скорость находится на оси трубы. От стенок трубы к ее оси скорости нарастают плавно. График распределения скоростей по поперечному сечению потока представляет собой параболоид вращения, а сечение параболоида осевой плоскостью — квадратичную параболу.

При турбулентном режиме движения жидкости в трубах распределение скоростей показано на рис. 4, б. В тонком пристенном слое толщиной д жидкость течет в ламинарном режиме. Все остальные слои перемещаются в турбулентном режиме и называются турбулентным ядром. Таким образом, строго говоря, турбулентного движения в чистом виде не существует, ©но сопровождается ламинарным движением у стенок, хотя слой с ламинарным режимом весьма мал по сравнению с турбулентным ядром.

Кавитация жидкости. Кавитация — это явление разрыва потока жидкости при давлении, стремящемся к нулю. При этом в жидкости образуются пустоты в виде пузырьков. Явление кавитации отрицательно сказывается на работе гидравлического привода, особенно в высокооборотных гидронасосах, вызывая ударные нагрузки на поршень или прекращая поступление жидкости в насос. Давление, при котором возникает кавитация минеральной жидкости, лежит в пределах от нуля до 0,9 кгс/см3.

Скорость передачи гидравлического импульса. При резком изменении управляющего сигнала регулятора возникает импульс» который начинает перемещаться вдоль трубы. Скорость передачи гидравлического импульса в жидкости равна примерно 1000 мм/сек. При такой малой скорости динамические характеристики гидроприводов могут ухудшаться, так как движение вала гидромотора начнется позже подачи импульса. Особенно это заметно в гидроприводах с длиной основной гидромагистрали более 2 м. Поэтому гидромагистрали, соединяющие золотник с гидродвигателем, должны быть как можно короче.

Потери давления в трубопроводах

Потери давления в трубах при ламинарном режиме течения пропорциональны скорости потока.

Внезапное расширение трубы. Если труба имеет внезапное расширение, то скорость потока на коротком участке падает с до V2. Поток со скоростью V1 ударяется о столб жидкости, который движется с меньшей скоростью V2. В результате удара жидкость завихряется, что приводит к потере ею энергии и, следовательно, давления.

Расход жидкости через капиллярные щели. В гидравлических механизмах наблюдается много мест с капиллярными щелями. Такими местами являются сопряжения поверхностей плунжеров золотников с гильзами, поршней с цилиндрами и т. п., где используют щелевые уплотнения.

Коэффициент местных потерь для таких труб зависит от радиуса изгиба трубы и ее диаметра.

Потери по длине гидромагистрали равны сумме потерь на каждом последовательно включенном сопротивлении.

Иногда при расчете систем трубопроводов или маслопроводов с большим числом местных сопротивлений потери напора в них вычисляют по их эквивалентным длинам. Длиной, эквивалентной данному местному сопротивлению, считается такая длина прямой трубы (того же диаметра, что и номинальный диаметр рассчитываемого трубопровода), гидравлические потери в которой равны потерям в данном сопротивлении. В результате такой замены все местные сопротивления в системе устраняются, а длины труб соответственно увеличиваются. Далее рассчитывается только прямолинейный трубопровод.

Если номинальный зазор щели равен сумме толщин адсорбированных слоев или меньше нее, может произойти полное заращивание щели (полная облитерация). Облитерированный слой обладает твердостью, поэтому при полной облитерации требуется приложить достаточно большое усилие, чтобы сдвинуть с места, например плунжер.

При неполной облитерации уменьшение расхода происходит до определенного значения.

Гидравлический удар в трубопроводах

Если при движении жидкости по длинному трубопроводу из резервуара в резервуар. быстро закрыть задвижку, то по инерции жидкость некоторое время будет перемещаться в прежнем направлении, создавая у задвижки зону повышенного давления. Величина повышенного давления, иногда во много раз превосходящая нормальное давление (давление до закрытия задвижки), называется величиной гидравлического удара, а сам процесс резкого повышения давления называется положительным гидравлическим ударом.

Впервые процесс гидравлического удара в 1899 г. подробно описал выдающийся ученый Н. Е. Жуковский, жидкости, находящиеся слева от задвижки, т. е. иными словами, фронт остановившейся жидкости будет перемещаться от задвижки к резервуару. Рассмотрим этот фронт в сечении а — а. В остановившемся объеме между задвижкой и сечением а — а возникнет дополнительное давление ДР, называемое величиной гидравлического удара.

Первая фаза. Допустим, что задвижка мгновенно закрылась. Частицы жидкости у задвижки остановились, а вся жидкость, находящаяся в трубе, продолжает перемещаться с прежней скоростью. С течением времени начнут останавливаться и частицы

Итак, слева от сечения а — а жидкость находится под прежним нормальным давлением Р и движется вправо со скоростью Справа от сечения а — а жидкость неподвижна и испытывает давление Р+АР. Фронт сжатия от сечения а — а быстро перемещается в сторону резервуара. Скорость перемещения этого фронта называется скоростью распространения ударной волны. Описанный процесс послойного сжатия будет продолжаться до тех пор, пока ударная волна не дойдет до стенок резервуара. Этим заканчивается первая фаза гидравлического удара. В конце этой фазы вся жидкость в трубе неподвижна, сжата и находится под давлением Р+ДР. Часть жидкости из резервуара вошла в трубу.

Вторая фаза. Жидкость в трубе сжата. Если отпустить поршень в насосе при перекрытом отверстии, то воздух, расширяясь, заставит перемещаться поршень вверх; в самом цилиндре при этом начнется движение газа вверх в сторону поршня. Точно так же и жидкость в трубе, расширяясь, заставит свои частицы перемещаться в сторону резервуара. Сначала придут в движение слои жидкости поблизости от резервуара, а затем и более отдаленные, т. е. фронт а — а спада давления до нормального станет теперь перемещаться от резервуара к задвижке. К концу второй фазы вся жидкость в трубе будет перемещаться со скоростью v в сторону резервуара, а давление в трубе восстановится до нормального.

Третья фаза. Начало третьей фазы характерно тем, что жидкость в трубе перемещается в сторону резервуара со скоростью о и по инерции старается оторваться от задвижки. У задвижки возникает слой жидкости, в котором давление на величину ДР меньше нормального. Теперь фронт а — а пониженного давления перемещается в сторону резервуара: слева от него давление нормальное, скорость направлена влево, справа жидкость неподвижна, давление в ней на ДР меньше нормального. Третья фаза заканчивается приходом фронта а — а к. резервуару.

Четвертая фаза. Начало четвертой фазы характеризуется тем, что давление у входа в трубу со стороны резервуара нормальное, т. е. равно Р, а со стороны трубы — меньше нормального на ДР, т. е. равно Р—ДР. Неуравновешенное состояние приводит к тому, что жидкость из резервуара начинает вливаться в трубу со скоростью v, повышая давление в последней до нормального. Итак, фронт нормального давления а — а теперь перемещается в сторону задвижки. Как и прежде, скорость перемещения слоя а — а равна скорости распространения ударной волны. К концу четвертой фазы скорость во всей трубе равна v, а давление нормальное.