- •Раздел 1. Гидромеханика.
- •Глава 1. Основные физические свойства жидкости.
- •1.1. Общие положения.
- •1.2. Силы, действующие на жидкий объем.
- •1.3. Вязкость.
- •Глава 2. Основы гидромеханики.
- •2.1. Основные уравнения гидромеханики.
- •2.2. Частные случаи уравнения Навье-Стокса.
- •2.3. Основные уравнения гидростатики.
- •2.4. Кинематика жидкости.
- •Уравнение неразрывности потока
- •Гидродинамический напор
- •2.4.1. Уравнение Бернулли для идеальной несжимаемой жидкости.
- •2.4.2. Уравнение Бернулли для потока реальной (вязкой) жидкости .
- •Напорная и пьезометрическая линии
- •Связь давления и скорости в потоке
- •Глава 3. Режимы течения жидкости.
- •3. Ламинарное течение жидкости.
- •3.1. Ламинарное течение в каналах круглого сечения. ( Течение Пуазейля-Гагена ).
- •Распределение касательных напряжений.
- •Зависимость между перепадом давления и расходом
- •Коэффициент Кориолиса в общем случае равен:
- •3.2. Ламинарное течение в зазоре между параллельными пластинами (Течение Куэтта).
- •Частные случаи течения Куэтта.
- •3.3. Течение жидкости в кольцевых зазорах.
- •3.4. Течение в гидродинамических опорах скольжения (элементы гидродинамической теории смазки гтс).
- •3.5. Течение жидкости в гидростатических опорах и подшипниках скольжения.
- •3.5.1. Гидростатическая опора поршня насоса с круглой камерой и частичной разгрузкой сопряженных поверхностей.
- •3.5.2. Гидростатический подшипник с полной разгрузкой сопряженных поверхностей.
- •Глава 4. Турбулентное течение.
- •4.1. Общие положения.
- •4.2. Поле осредненных скоростей.
- •4.3. Потери напора в трубах.
- •4.3.1. Потери на трение в круглых трубах при ламинарном течении.
- •4.3.2. Потери на трение в круглых трубах при турбулентном течении.
- •4.3.3. Потери на трение в шероховатых круглых трубах и некруглых руслах.
3.2. Ламинарное течение в зазоре между параллельными пластинами (Течение Куэтта).
Условия практически те же, что и для течения Пуазейля-Гагена.
Отличия:
1). Одна из стенок подвижна.
2). Задача неосесимметричная, а плоская.
Таким образом, полученное в предшествующем разделе уравнение
преобразуется к следующему виду:
так как
Как и в предыдущем случае:
Таким образом, получаем дифференциальное уравнение:
После интегрирования получим:
или
Расход жидкости через плоскую щель при ее ширине равной - b
В данном случае:
Таким образом:
Распределение касательных напряжений.
,
Принимая y=h мы можем получить касательные напряжения на движущейся пластине.
Это позволяет определить силу вязкого трения, которое в общем случае определяется по следующей зависимости:
Течение Куэтта можно рассматривать как суперпозицию двух течений: течения под действием перепада давления и фрикционного течения, вызванного движением одной из пластин.
Частные случаи течения Куэтта.
а). Чистый сдвиг (рис.3.6.)
,
, ,
б). Течение между неподвижными пластинами.(рис.3.7)
,
Отсюда следует, что: при
;
в
). Встречное движение пластины при наличии перепада давления (формулы для расчета общие, только знак перед членами, содержащими uO будет минус).(рис.3.8)
При
;
;
.
Для обеспечения нулевого расхода, скорость пластины должна быть: ,
3.3. Течение жидкости в кольцевых зазорах.
а). Концентричный зазор.(рис.3.9)
Внутренний и наружный цилиндры
неподвижны.
Кольцевую щель можно рассматривать
как щель с высотой h=R-r и шириной
.
Поэтому для расчета параметров течения в кольцевых зазорах используется формула для параллельных пластин. В частности расход между неподвижными цилиндрами рассчитывается по зависимости:
Или:
Окончательно:
б). Эксцентричный зазор. (рис.3.10)
О
бозначим: - относительный эксцентриситет, где h - радиальный зазор при концентричном расположении цилиндра.
Расход через заштрихованную площадку
определяем по формуле для параллельных пластин:
Для участка шириной db:
Полный расход получаем интегрированием dQ по углу в пределах :
После интегрирования (без вывода) получаем:
где Qэ - расход через эксцентричную щель,
Qс - расход через соосную щель.
Если , то значение:
3.4. Течение в гидродинамических опорах скольжения (элементы гидродинамической теории смазки гтс).
Гидродинамическая теория смазки изучает течение жидкости в зазоре между двумя взаимодействующими сопряженными поверхностями твердых тел, разделенных слоем смазки.
В основе гидродинамической теории смазки лежат дифференциальные уравнения вязкой несжимаемой жидкости.
Рассмотрим уравнения движения жидкости применительно к двум взаимно перемещающимся плоскостям, зазор между которыми переменный. (рис.3.11)
Будем считать, что величина зазора пропорциональна координате Х:
- текущее значение зазора.
- угловой коэффициент.
Для решения задачи следует учитывать следующее:
1). Движение установившееся: все производные по времени равны нулю:
2). Пластины бесконечной ширины (b>4l), краевые эффекты не учитываются. Следовательно, все величины не зависят от Z.
3). В отличие от течения Куэтта толщина зазора изменяется вдоль оси X, то есть изменяется и скорость течения жидкости.
Следовательно, конвективные ускорения
Непостоянен и градиент давления .
4). Однако по толщине смазочного слоя давление имеет одно и тоже значение :
Кроме того, в основе предложенной Рейнольдсом гидродинамической теории смазки лежат следующие допущения:
1) массовыми силами пренебрегаем (X=Y=Z=0);
2) смазка является ньютоновской жидкостью: ;
3) вязкость жидкости постоянна ;
4) жидкость несжимаема ;
5) толщина масляной пленки (зазора) мала по сравнению с другими геометрическими размерами: h<<l; h<<<b.
Согласно приведенным допущениям дифференциальное уравнение движения жидкости в зазоре может быть получено из уравнений Навье-Стокса так же как и в случае течения Куэтта.
Уравнение Навье-Стокса для несжимаемой жидкости:
в проекции на ось X записывается:
- так как установившееся движение,
- так как величины по Z не изменяются,
X=0 - пренебрегаем,
- так как величины от Z не зависят,
Таким образом, с учетом принятых допущений уравнение Навье-Стокса в проекции на ось X записывается:
, домножив его на ρ и выполнив преобразования получаем:
В отличие от уравнения Куэтта
Дважды интегрируя последнее дифференциальное уравнение получаем:
Таким образом, поле скоростей так же как и в течении Куэтта получается в результате наложения двух течений:
фрикционного
и вызванного перепадом давления.
Расход жидкости для единичной ширины гидродинамической опоры определиться по формуле:
Распределение давления по длине неэквидистантного зазора при безнапорном течении: .
Полученная зависимость характеризует изменение давления в клиновом зазоре, которое создает подъемную силу.
Таким образом, можно говорить о несущей способности Fy гидродинамической опоры:
Силы трения в гидродинамической опоре
Другим важным параметром гидродинамической опоры является сила трения, которая в общем случае определяется по следующей зависимости:
После интегрирования
Численный анализ формул для Fy и Fx показывает, что Fy>>Fx, то есть эффект смазывающего клина заключается в образовании поддерживающей силы Fy, которая значительно превышает силу трения Fx.
При h1=h2 теоретически нет подъемной силы Fy=0.
Но практически создается микродинамический эффект
обусловленный микронеровностями.
Микронеровности играют роль гидродинамических
клиньев. При этом давление не может опускаться
ниже “0”, но подниматься может существенно, что и
создает подъемную силу.
Гидродинамические опоры создаются с наклонными несущими поверхностями или самоустанавливающиеся:
Полученные выше результаты могут быть использованы для качественного объяснения основного эффекта смазки при вращении вала в подшипнике скольжения.