23. Гидродинамика. Классификация жидкостей. Поток жидкости и его геометрические элементы, и гидравлические параметры.

Необходимо отметить, что ньютоновская жидкость соответствует только узкому специальному случаю. В природе и в промышленности встречаются, в основном, неньютоновские жидкости (реологические среды). Например, продукты фармацевтической, пищевой, лакокрасочной и бумажной промышленности; нефтепродукты и буровые растворы; полимерные материалы, получаемые и перерабатываемые в химической промышленности; высокотемпературные теплоносители на основе полимеров и суспензий; высококонцентрированные наполненные ракетные топлива и топливные смеси в энергетике и т.д.

Газообразные жидкости. Газообразные жидкости под действием силы тяжести занимают весь объем сосуда, не имея поверхности раздела; сжимаемы, при этом сильно нагреваются, маловязкие. Несмотря на это, при малых изменениях давления и температуры (при малых изменениях объема) газы подчиняются тем же законам движения, как и капельные жидкости. Значительные изменения объема при движении газа наступают при скоростях, близких к скорости звука. В отличие от гидравлики, аэродинамика изучает движение газа при небольших скоростях с учетом его сжимаемости, а газодинамика – при скоростях, близких к скорости звука и сверхзвуковых.

Капельные жидкости. Капельные жидкости, почти несжимаемые, под действием силы тяжести занимают объем сосуда, имея поверхность раздела. В определенных условиях, в отличие от газов, на твердой поверхности образуют капли. Капельные жидкости не оказывают сопротивления к растягивающимся нагрузкам, не воспринимают сосредоточенных нагрузок: силы (нагрузки) должны быть рассредоточены по поверхности. В гидравлике изучается поведение капельных жидкостей.

Идеальные жидкости. Идеальные жидкости абсолютно несжимаемы, молекулы этой жидкости обладают неограниченной свободой движения, следовательно – отсутствуют силы внутреннего трения, т.е. вязкость равна нулю.

Реальные жидкости.

Ньютоновская жидкость. Для случая одномерного течения молекулярный перенос импульса может быть представлен в виде:

(2.2)

где  – напряжение сдвига,  – коэффициент динамический вязкости жидкости, – градиент скорости (скорость сдвига). Зависимость (2.2) является математической формулировкой закона вязкого трения Ньютона: «Касательное напряжение внутреннего трения пропорционально градиенту скорости в направлении , перпендикулярном движению». Жидкости, подчиняющиеся закону Ньютона, называются ньютоновскими. В зависимости от выбора направления отсчета по нормали градиент скорости может быть положительным и отрицательным. Знак в (2.2) принимается таким, чтобы касательное напряжение было положительным. Для ньютоновских жидкостей вязкость является постоянной величиной, не зависит от гидродинамической ситуации. Изменение значения вязкости может быть достигнуто изменением температуры жидкости.

Закону Ньютона подчиняются, в основном, низкомолекулярные жидкости.

Аномально-вязкие жидкости. Жидкости, вязкость которых зависит от гидродинамической ситуации, называются аномально-вязкими. Экспериментальные исследования показывают, что зависимость для многих реальных жидкостей является нелинейной, проявляя изменение вязкости от скорости сдвига и от предыстории жидкости.

Как установлено, для псевдопластических жидкостей (рис. 2.1 и рис. 2.2, кривая 2) при малых значениях градиента скорости вязкость имеет постоянное значение , с увеличением возникает зависимость  от .

Аномально-вязкие жидкости, реологические характеристики которых зависят от времени. Эти жидкости в соответствии с тем, возрастает или убывает значение эффективной вязкости во времени (при ), делятся на тиксотропные и реопектические.

Тиксотропия связана с разрушением внутренних связей структуры жидкости. Скорость разрушения зависит от числа связей до начала разрушения структуры. С течением времени число связей уменьшается (уменьшается ). В какой-то момент наступает динамическое равновесие – скорость разрушения и структурообразования будут равны. Тиксотропия является обратимым процессом.

В реопектических жидкостях структурообразование происходит при сдвиге. Например, 42 -ный водный раствор гипса. После встряхивания этот материал затвердевает в покое за 40 минут, а при медленном встряхивании за 20 секунд.

Вязко-пластическая среда. Вязко-пластическая среда (рис. 2.1, линия 4) характеризуется предельным напряжением сдвига . Вязко-пластическая среда до напряжений ведет себя как твердое тело. С дальнейшим ростом  начинается вязкое (ньютоновское) течение.

Такое поведение жидкостей объясняется тем, что они способны к образованию пространственных структур; до напряжений структура сохраняется, в дальнейшем она разрушается. После снятия нагрузки в статическом положении пространственная структура среды восстанавливается. Реологическое уравнение вязко-пластическоей среды имеет вид:

(2.5)

где  – коэффициент пластической вязкости.

По характеру течения к вязко-пластическим жидкостям относятся буровые глинистые растворы, шламы, масляные краски, консистентные смазки, пасты и т.д.

Вязко-упругая жидкость. Вязко-упругая жидкость проявляет как упругое восстановление формы, так и вязкое течение. Вязко-упругие от вязких жидкостей отличаются также наличием обратимой деформации, они обладают памятью.

Для вязко-упругих жидкостей характерно в условиях простого сдвига наличие нормальных напряжений