1.2. Сжимаемость жидкости есть величина, обратно пропорциональная модулю упругости

β = - ΔV/ (V∙ΔР) (1-4)

Сжимаемость воды при различных температурах β, 10^-12 Па^-1

Таблица 3.

t 0C	0°C	4°C	20°C	40°C	50°C	100°C
β	508	491	458	443	443	488

Из таблицы 3 следует, что при изменении давления на 1 Па объём воды меняется (например, при 0⁰С) на 0,5 миллиардных долей. Это очень малая величина. При давлении 1 ат (примерно 0,1 Мпа, 100 КПа или 1 кгс /см²) объём жидкости меняется на 5 стотысячных долей. Так, если начальный объём воды был 1 м³ (один миллион мл), то под давлением 1 ат он изменится на 50 мл (50 см³). На практике это позволяет считать воду практически несжимаемой жидкостью.

1.3. Вязкость жидкости.

Вязкость является одной из наиболее важных характеристик жидкости, которую необходимо учитывать при проектировании гидравлических машин и их эксплуатации. При движении вязкой жидкости вдоль твёрдой стенки скорость движения её слоёв в результате торможения потока будет различна, вследствие чего между слоями возникает сила трения. Сила трения возникает и при движении твёрдого тела внутри жидкости. Согласно Стоксу, силу сопротивления движению твёрдого шарика радиусом R с постоянной скоростью u в вязкой жидкости можно рассчитать по формуле:

F_c = 6 π η R u (1-5)

где коэффициент пропорциональности η получил название коэффициента динамической вязкости или внутреннего трения; π = 3,14.

Кинематической вязкостью называют отношение динамической вязкости к плотности жидкости

χ = η/ ρ (1-6)

Значения коэффициента вязкости различных жидкостей в широком интервале температур и давлений можно найти в справочниках.

1.4. Давление парообразования и кавитация

С поверхности жидкости при любой температуре происходит испарение. Отдельные молекулы приобретают энергию, позволяющую им преодолевать силы межмолекулярного взаимодействия и вылетать из жидкости. Происходит процесс образования пара. Если сосуд открытый, то молекулы жидкости уже не возвращаются назад и объём жидкости постоянно убывает, до полного испарения.

В закрытых сосудах молекулы жидкости покидают её пределы так же, как и в открытом сосуде, но часть из них возвращается назад, в жидкость. При определённой температуре между жидкостью и паром устанавливается динамическое равновесие-сколько молекул покинуло жидкость, столько и вернулось назад. Такой пар называется насыщенным. Так как давление определяется количеством молекул, соударяющихся с поверхностью (стенки, крышки сосуда, измерительного прибора), то повышение температуры жидкости приводит к повышению давления насыщенного пара.

Процесс образования пара во всём объёме жидкости называется кипением (интенсивное парообразование). Для каждой жидкости характерна своя температура кипения. Повышение давления в жидкости приводит к повышению температуры кипения. В открытых сосудах температура кипения тесно связана с давлением воздуха.

При понижении давления температура парообразования так же понижается.

В движущейся жидкости при определённых условиях могут возникать области с очень низким давлением. Если при этом давление становится меньше давления парообразования при данной температуре, то эта область жидкости превращается в паро-газовую область. Она получила название каверны. Происходит интенсивное испарение жидкости в каверну и сплошность жидкости нарушается. При переносе каверны в область повышенного давления каверна мгновенно схлопывается (пар конденсируется). Кинетическая энергия её схлопывающихся стенок превращается в потенциальную энергию давления. Это давление может достигать высоких значений-сотен мегапаскалей. Процесс образования и схлопывания каверн называется кавитацией. Она вызывает нарушение нормальной эксплуатации гидравлического оборудования, его преждевременный износ.

Кавитация. Допустимая высота всасывания. При движении жидкости в сужающихся и изгибающихся каналах (в рабочем колесе насоса, на перегибах трубо-проводов, в запорной арматуре) скорость потока увеличивается, а давление падает. Там, где давление снижается до давления насыщенного пара при данной температуре, происходит быстрое образование пузырьков пара и растворенных газов. После перехода в зону повышенного давления пар конденсируется, пузырьки захлопываются. Возникают колебания давления и как следствие — шум и вибрация. Это явление называется кавитацией. При кавитации происходит разрушение поверхности элементов проточной части. Повышенная вибрация разрушает подшипники и уплотнения насоса. Через некоторое время рост пузырьков и их слияние приводят к образованию газовой пробки в трубопроводе и всасывающей полости насоса – происходит разрыв потока жидкости и срыв работы насоса. Основным способом предупреждения кавитации, обеспечивающим надежную работу насоса, является поддержание достаточного избыточного давления на входе в насос. Превышение полного напора на входе в насос P_в над напором насыщенного пара перекачиваемой жидкости P_п называется кавитационным запасом

∆h_кав = (Р_в - Р_н.п.)/ ρg + U²_в/2g (4-22)

Табл 4.1. Зависимость давления насыщенного водяного пара и плотности воды от температуры

Проводя исследования по зависимости параметров насоса (при постоянной подаче и частоте вращения) от давления (например, путём закрытия задвижки или вентиля) на входном патрубке, находят кавитационный запас и строят зависимости характеристик насоса от ∆h_кав. По этим кривым находится значение ∆h_крит , затем его умножают на коэффициент к = (1,1-1,3) и находят допустимый кавитационный запас ∆h_доп. Его значения вносят в паспортные данные. Беcкавитационный режим работы насосов обеспечивается при соблюдении условия ∆h_кав>>∆h_доп, где допустимый кавитационный запас насоса ∆h_доп; устанавливается в зависимости от условий работы и типа насоса. Высота всасывания H_вс — это расстояние между свободной поверхностью в резервуаре (водоеме), из которого жидкость забирается насосом, и осью рабочего колеса. Если уровень жидкости в резервуаре расположен выше оси рабочего колеса, то величина H_вс называется подпором. Высота всасывания с учетом гидравлических потерь во всасывающем трубопроводе ∆h_вс и скоростного напора в нем U²_в/2g называется вакуумметрической высотой всасывания:

H_вак= Н_вс+ U²_в/2g + ∑h_вс. (4-23)