Раздел 1

ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

Глава II

Основы гидравлики

Гидравлика — наука, изучающая законы покоя и движения жидких тел (жидкостей). Поскольку в процессе нефтегазопере­работки широко используют перемещение жидкостей, газов и па­ров внутри аппаратов и по трубопроводам, значение гидравлики для решения широкого круга инженерных задач весьма велико.

Гидравлика делится на гидростатику (учение о равновесии жидкостей) и гидродинамику (учение о движении жидкостей).

Открытие основных законов гидравлики связано с именами Архимеда, Паскаля, Ньютона, Эйлера, Бернулли, Шези, Дарси, Буссинеска, Вейсбаха, Прандтля, Н. Е. Жуковского и других ученых. Решение ряда задач нефтяной гидравлики было получено на основании результатов работ В. Г. Шухова, Л. С. Лейбензона, И. Г. Есьмана, И. А. Чарного, Б. Б. Лапука, В. И. Черникина, В. Н. Щелкачева и др.

i

1. Основные понятия и определения

Жидкостями называют физические тела, которые легко изме­няют свою форму под действием приложенных сил. Жидкость принимает форму того сосуда, в который она налита, поскольку частицы жидкости весьма подвижны. В гидравлике различают ка­пельные и газообразные жидкости. Капельные жидкости (собст­венно жидкости) характеризуются малой сжимаемостью и относи­тельно небольшим изменением объема при изменении температуры. Газообразные жидкости (газы, пары) существенно изменяют свой

2. Физические свойства жидкостей

Плотность. Масса жидкости, заключенная в единице ее объема, называется плотностью и обычно обозначается буквой р. Согласно определению

Р=~ (ИЛ)

где т — масса жидкости; V — объем жидкости. Размерность плотности

IPJ _[L3]

Единица измерения плотности в СИ: кг/м³. Плотности капельных жидкостей мало изменяются с изменением давления и температуры. С увеличением температуры плотность жидкости уменьшается. Исключением из этого правила является вода в интервале температур от 0 до 4 °С, плотность которой при 4 °С наибольшая и равна 1000 кг/м³. Плотность жидкости р^ при температуре t можно найти по следующей формуле Д. И. Мен­делеева:

р/ = Р20 — otp (£ — 20) (11,2)

где р₂₀ — плотность жидкости при стандартной температуре (20 °С); а_р — по­правочный коэффициент, учитывающий изменение плотности с изменением тем­пературы на 1°С.

^ Очень часто пользуются относительной плотностью, представ­ляющей собой отношение плотности жидкости при данной темпе­ратуре к плотности дистиллированной воды при 4 °С, т. е. р{

pj=pf — 20) (11,3)

1М

[М]

В СИ эта единица измеряется в Па"¹. Величина, обратная коэф­фициенту сжимаемости, называется модулем упругости. Коэф­фициент сжимаемости и модуль упругости изменяются в зависи­мости от давления и температуры. Для нефтепродуктов в среднем коэффициент сжимаемости равен 7,41-10"¹⁰ м²/Н, для глинистых растворов 4,0-Ю"¹⁰ м²/Н. Поскольку сжимаемость капельных жидкостей сравнительно невелика, ее влиянием при гидравличе­ских расчетах обычно пренебрегают, кроме тех случаев, когда это имеет существенное значение, например при гидравлических ударах.

Температурное расширение. В зависимости от температуры изменение объема жидкости характеризуется коэффициентом тем­

пературного расширения (5/, равным отношению относительного изменения объема к изменению температуры, т. е. .

1 AV

Для нефтепродуктов = 0,0006 — 0,0008; большая цифра соот- ветствует меньшей плотности жидкости. Поскольку температур- ное расширение жидкостей составляет незначительную величину, при гидравлических расчетах им

обычно пренебрегают.

Вязкость. Вязкостью называется свойство жидкости оказывать

Рис. II-1. Схема, поясняющая понятие вязкости жидкости.

сопротивление ее движению. Представим себе два слоя жид­кости площадью F, отстоящие один от другого на расстояние А п. Если эти слои движутся со скоростью w и w + Aw, т. е. один от­носительно другого со скоростью Aw (рис. II-1), то для перемеще­ния одного слоя относительно другого необходимо приложить силу 7\ Эта сила, отнесенная к единице поверхности слоя, назы­вается напряжением внутреннего трения

Согласно закону Ньютона

ЛШ ^ ~ /ТТ 1-4

или т = —[х-^-, т>0 (И,Id)

где Aw/An — градиент скорости, т. е. относительное изменение скорости в на­правлении нормали к поверхности слоя.

Коэффициент [I, входящий в уравнение (11,15), называется ди­намическим коэффициентом вязкости или просто вязкостью. Раз­мерность вязкости