Гидромеханические процессы

Результатом проведения гидромеханических  процессов цожет быть либо разделение неоднородных систем на составные части, либо образование их путем смешения.

К числу важнейших гидромеханических  процессов относятся осаждение, фильтрование, псевдоожижение твердого зернистого материала и перемешивание в жидкой среде.

При рассмотрении гидромеханических  процессов условия равновесия заключаются  в равенстве сил или давлений и в самостоятельном рассмотрении обычно не нуждаются. Направление течения  этих процессов вполне очевидно.

Таким образом, гидромеханические  процессы, происходящие во время движения поршня, описываются шестью уравнениями, из которых уравнения ( 268), ( 269) и ( 270) интегродифференциальные.

Первая группа - гидромеханические  процессы, скорость которых определяется только законами гидродинамики.

Первая группа - гидромеханические  процессы, скорость которых определяется законами гидродинамики. К ним относятся  осаждение взвешенных в жидкой или  газообразной среде частиц под действием  силы тяжести, центробежной силы или  сил электрического поля, фильтрование жидкостей или газов через  слой зернистого материала под действием  разности давлений, перемешивание в  жидкой среде, псевдоожижение твердого зернистого материала.

 

Характеристика 

 

К неоднородным относятся системы, которые состоят по крайней мере из двух различ-ных фаз, одна из которых распределена в другой. Фаза, в которой распределена другая фаза, называется дисперсионной или сплошной, а распределенная в ней фаза — дисперсной. На практике могут встретиться различные сочетания дисперсионной и дисперсной фаз. Так, в жидкости (сплошная фаза) могут находиться жидкие, твердые или газообразные включения, в газе — жидкие и твердые частицы.

В зависимости от типа дисперсионной  и дисперсной фаз различают следующие  неодно-родные системы:

эмульсия — система, состоящая  из капелек одной жидкости, взвешенных в другой. Чтобы образовалась эмульсия, жидкости, ее составляющие, должны быть взаимно нерастворимыми;

пыль или дым — взвесь твердых  частиц в газе;

туман — система, образованная взвешенными  в газе капельками жидкости;

пена представляет собой систему, состоящую из жидкой фазы, в   которой   распределен   газ;

суспензия — жидкость, содержащая взвешенные в ней твердые частицы.

Неоднородные системы характеризуются  концентрацией дисперсной фазы, размерами  ее частиц и их полидисперсностью. В зависимости от размеров частиц различают следующие типы суспензий: грубые — с частицами размером более 100 мкм, тонкие — с частицами от 0,5 до 100 мкм, мути — с частицами меньше 0,5 мкм и коллоидные растворы с частицами менее 0,1 мкм.

Полидисперсность характеризует процентное содержание частиц соответствующего раз-мера в системе. Монодисперсные системы содержат частицы одинакового размера.

Для разделения неоднородных систем применяют различные способы, цель которых:

выделить из неоднородной системы  соответствующие продукты или обеспечить очистку одной из фаз от содержащихся в ней примесей. Разделение жидких неоднородных систем может производиться  под действием различных сил:

тяжести — отстаивание;

центробежной — центрифугирование, центробежная фильтрация, очистка в циклонах и гидроциклонах;

электрической — электроочистка газов, электрообессоливание и обезвоживание;

давления — фильтрация.

Частицы размером менее 0,5 мкм под  действием ударов молекул приобретают  хаотическое движение, и их выделение  отстаиванием практически  невозможно. .

При выборе аппаратуры приходится учитывать  много факторов. Прежде всего следует иметь в виду требования, предъявляемые к качеству разделения. Они могут быть вызваны экологическими соображениями (обеспечение чистоты атмосферного воздуха, водое¬мов и т. п.), требованиями технологии (например, защитой вентиляторов или насосов от быстрого износа в результате эрозии лопастей твердыми частичками), а также ценностью взвешенных в газе или жидкости частиц. Кроме того, необходимо учитывать концентрацию дисперсных частиц, распределение их по размерам, агрессивность среды, ее температуру и т. д. И, наконец, следует принимать во внимание технико-экономические показатели работы аппаратов.

 

 

Классификация

 

В отличие от твёрдых тел, жидкость может находиться в состоянии  покоя только тогда, когда в ней  отсутствуют касательные напряжения, т.е. силы, отнесённые к площади поверхности  в жидкости и направленные по касательной  к этой поверхности.

Жидкость в состоянии покоя  не способна сопротивляться даже весьма малым касательным силам, т.к. эти  силы вызовут течение жидкости, и  она всегда примет форму ёмкости, в которой она находится.

Так себя ведут как капельные  жидкости, так и газы.

В капельных жидкостях при обычных  скоростях движения изменение давления приводит к незначительным изменениям объёма, поэтому во многих случаях  их принимают несжимаемыми.

Изменение объёма газов при тех  же изменениях давления значительно  выше, чем у капельных жидкостей, ввиду чего газы также называют сжимаемыми жидкостями.

Несмотря на это отличие, основные уравнения движения газов при  скоростях движения меньших скорости звука, идентичны уравнениям, описывающим  движение капельных жидкостей. Поэтому  капельные жидкости и газы будем  называть жидкостями, за исключением  тех случаев, когда указывать  различие необходимо.

Реальные жидкости обладают вязкостью, которая при движении вызывает касательные  напряжения, что сильно осложняет  математическое описание движения. В  целях упрощения решения некоторых  задач гидромеханики используют понятие идеальной жидкости, не имеющей вязкости, при движении которой не возникают касательные напряжения.

По уравнениям, описывающим касательные  напряжения, подразделяют капельные  жидкости на ньютоновские - касательные напряжения, в которых определяются по закону внутреннего трения Ньютона - и неньютоновские -  касательные напряжения в которых не подчиняются этому закону.

Получение уравнений движения жидкостей  в виде дискретных сред (как совокупности молекул) представляет собой практически  неразрешимую задачу.

По этой причине в гидромеханике  жидкость условно рассматривается  как сплошная среда при сохранении свойств реальной жидкости.

Поскольку получение уравнений  движения и равновесия жидкостей  предполагает использование математического  понятия бесконечно малых величин, принятие модели сплошной среды требует  введения понятия физически бесконечно малого объёма.

Этот объём должен быть достаточно малым по сравнению с объёмом  тела, где изучается процесс гидромеханики, но большим по сравнению с межмолекулярными расстояниями.

При этом жидкость в этом объёме должна быть достаточно однородной, что требует  включения в физически бесконечно малый объём достаточно большого числа молекул, чтобы избежать влияния  на свойства жидкости в данном объёме, флуктуаций на молекулярном уровне.

Физически бесконечно малый объём  идентичен понятию жидкой частицы, движение которой рассматривается  как движение материальной точки.

Основные физические свойства жидкостей  в некоторой точке находятся  как предел этих свойств, осреднённых  по некоторому объёму при его стягивании в материальную точку.

 

Основные гидромеханические величины.

 

Выделим в покоящейся жидкости объём V, ограниченный поверхностью S.

Вектор сил, действующих на элемент  поверхности dS,   будет расположен нормально к этой поверхности, так как покоящаяся жидкость не выдерживает касательных сил, т.е.   ( Рис.1)

 

 

 

 

 

 

Рис.1. К определению нормального  напряжения

Проведём к поверхности dS внешнюю единичную нормаль (направленную из объёма V)  . Сила   будет всегда сжимающей, т.к. реальные технические жидкости практически не способны сопротивляться растягивающим усилиям без разрывов, т.е. без потери сплошности.

Основным свойством гидростатического  давления является то, что его величина не зависит от ориентации площадки, на которую действует напряжение   .

Поскольку в двигающейся идеальной (невязкой) жидкости отсутствуют касательные  напряжения и, соответственно, действуют  только , давление в такой жидкости идентично гидростатическому.

В движущейся реальной жидкости, за счёт вязкости присутствуют касательные  напряжения, поэтому величина давления зависит от ориентации площадки действия. Но, для упрощения задачи, в реальной жидкости величину давления осредняют по различным направлениям и, таким образом, условно считают, что величина давления также не зависит от ориентировки площадки действия.

В этом случае величину Р называют гидродинамическим давлением.

Важнейшей величиной, характеризующей  движение жидкости, является скорость физически бесконечно малого объёма (скорость в точке). Для её определения  рассмотрим объём V, имеющий массу m и импульс.

 

Поле  скоростей

 

В технической  гидромеханике для описания движения жидкости используется метод Эйлера, согласно которому анализируется изменение  гидромеханических величин в  неподвижных точках пространства с  течением времени. При этом рассматривается  перемещение жидкой частицы за время dt на расстояния dx, dy, dz. В конечном итоге задачей кинематики и гидродинамики по методу Эйлера является определение функций:

,   ,          

Иначе говоря, определяется векторное поле скоростей  и скалярные поля давления и плотности.

При анализе  течения жидкости используют понятие  линии тока, которая представляет собой линию в области движения жидкости, касательная к которой  в каждой точке в данный момент времени совпадает с направлением скорости.

Для установившегося  движения линии тока совпадают с  траекториями движения частиц, которые  определяются из системы уравнений:

,    ,         

где – компоненты вектора скорости .

При неустановившемся движении компоненты скорости будут  зависеть также от времени. В этом случае линии тока совпадают с  траекториями в том случае, если направление скорости постоянно  во времени.

 

Список  использованных литератур

 

• Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов. Учебное пособие для вузов /Под ред.чл-корр.АН СССР П.Г.Романкова.-10-е изд., перераб. и доп.-Л.: Химия, 1987.-576с.,ил.
• Дытнерский Ю.И. Процессы. Учебник для вузов.Изд.2-е. В 2-х кн.-М.: Химия, 1995.-кн.1.-400с.: ил.