1.3. Объект изучения гидрогазодинамики

Объектами изучения гидрогазодинамики являются жидкости и газы, обладающие свойствами сплошности и легкой подвижности.

В гидрогазодинамике абстрагируются от молекулярной структуры ис-следуемых потоков и рассматривают условную модель среды, обладающую непрерывным распределением всех характеристик (параметров) – гипотеза сплошности.

Жидкости и особенно газы в отличие от твердых тел обладают слабыми межмолекулярными связями, что проявляется в их легкой подвижности (текучести) и деформируемости (изменение формы и объема).

Поскольку в жидкостях по сравнению с газами силы молекулярного сцепления более значительны, их считают слабосжимаемыми, а в большинстве случаев несжимаемыми средами. Напротив, в газах ввиду большего межмолекулярного расстояния силы взаимодействия между молекулами относительно малы, этим объясняется их сжимаемость. В результате жидкости легко изменяют форму, но с трудом – объем, а газы легко изменяют как форму, так и объем.

Свойства сплошности и легкой подвижности определяют жидкости и газы в единую категорию текучих легко деформируемых сред и служат основанием объединить их под общим названием жидкости, выделяя при необходимости несжимаемые (капельные) и сжимаемые (газообразные) жидкости.

1.4. Основные физические свойства жидкостей и газов

Плотность – это масса жидкости, заключенная в единице объема:

,

(1.1)

где  – плотность, кг/м³;

М – масса жидкости, кг;

V – объем, м³.

Объемный вес (удельный вес) – это вес единицы объема жидкости:

,

(1.2)

где  – объемный вес, Н/м³;

G – вес жидкости, Н.

Между плотностью и объемным весом существует очевидная связь:

 =  g,

(1.3)

где g – ускорение земного притяжения, м/с².

С жимаемость – способность жидкости изменять свой объем под действием давления.

При повышении внешнего давления на р объем уменьшается на V (рис. 1.1).

У

Рис. 1.1

пругой сжимаемостью называется способность тела принимать свой первоначальный объем при снятии внешней нагрузки.

Сжимаемость характеризуется коэффициентом объемного сжатия _V, который представляет из себя относительное изменение объема на единицу изменения давления и имеет размерность Па^–1:

,

(1.4)

Знак «минус» в формуле (1.4) обусловлен тем, что положительному приращению р соответствует отрицательное приращение V.

Коэффициент _V зависит от давления и температуры. В связи с тем, что сжимаемость капельных жидкостей весьма мала, практически в большинстве случаев ею пренебрегают.

Величина, обратная коэффициенту объемного сжатия, называется модулем упругости жидкости Е_V, Н/м²:

.

(1.5)

Температурное расширение – способность жидкости изменять свой первоначальный объем под действием температуры.

Температурное расширение характеризуется коэффициентом температурного расширения _t, представляющим собой относительное увеличение объема жидкости при увеличении температуры на 1 градус.

, С–1.

(1.6)

Сопротивление жидкости растягивающим усилиям. По молекулярной теории сопротивление растяжению внутри капельных жидкостей может быть весьма высоким. Однако жидкости, применяемые в технике, содержат твердые частицы и пузырьки газа и не выдерживают растягивающих усилий.

Текучесть – способность жидкости принимать форму сосуда, в который она помещена.

П редставим твердое тело (например, кусочек льда), помещенное в сосуд (рис. 1.2). В теле под действием собственного веса возникает внутреннее напряжение. Проведем сечение n. В этом сечении действуют нормальные и касательные напряжения . Предположим, что тело неспособно воспринимать касательные напряжения . Тогда оно растягивается и принимает форму сосуда ABCD. Таким образом, жидкость, находящаяся в покое, не может иметь внутренних касательных напряжений, поэтому воспринимает форму сосуда в котором заключена.

P.S. В природе встречаются аномальные жидкости (краски, суспензии, некоторые смазочные масла), которые в покое могут иметь небольшие касательные напряжения.

Вязкость – это свойство жидкости сопротивляться сдвигу (или скольжению) ее слоев.

В 1866 г. Ньютон сформулировал закон о внутреннем трении жидкости, движущейся без перемешивания слоев. В соответствии с этим законом при скольжении отдельных слоев жидкости друг по другу (рис. 1.3) между ними возникает сила трения, пропорциональная площади соприкасающихся слоев и градиенту скорости:

(1.7)

где Т – сила трения, Н;

F – площадь соприкасающихся слоев, м²;

– градиент скорости, 1/с;

 – динамический коэффициент вязкости, Нс/м².

В соответствии с законом Ньютона при скольжении слоев можно определить касательное напряжение , Н/м²:

(1.8)

Кроме коэффициента динамической вязкости часто применяют кинематический коэффициент вязкости , м²/с:

(1.9)

Коэффициенты ,  различны для разных жидкостей и являются функцией температуры и давления. В обычных условиях зависимость от давления проявляется слабо, поэтому считают, что  и  зависят только от температуры. С ростом температуры вязкость капельных жидкостей снижается, а газообразных – растет. В справочной литературе имеются таблицы значений  и  для разных жидкостей при различных значениях температуры.