Гидродинамика

Гидродинамика – наука о движении жидкостей под действием внешних сил и о механическом взаимодействии между жидкостью и соприкасающимися с нею телами при их относительном движении. Гидродинамика – раздел гидравлики, в котором изучаются законы движения жидкостей в трубах, каналах и пористых средах.

Схема движения жидкости

Распределение скоростей в потоке жидкости вязкой и невязкой.

Частицы жидкости, соприкасающиеся со стенкой, прилипают к ней и остаются неподвижными. Их скорость равна нулю.

По мере удаления струек от стенки трубы скорость жидкости постепенно увеличивается.

Максимальная скорость жидкости будет в центре трубы.

Кавитация

Кавитация – образование в движущейся жидкости полостей, заполненных паром или газом, если давление в потоке падает и становится меньше давления насыщения ( давление, соответствующее испарению жидкости при данной температуре). Попадая в область повышенных давлений, пузырьки мгновенно конденсируются.

Кавитация наблюдается в сифонных трубопроводах, при работе быстроходных гидравлических турбин, центробежных насосов, на входах потоков в аппараты (эвапорационные зоны ректификационных колонн, штуцер ввода потока в межтрубное пространство кожухотрубного теплообменника и трубы под ним и др.).

В современных гидравлических турбинах, центробежных насосах, работающих при больших числах оборотов, создаются большие скорости движения жидкости, что благоприятствует возникновению кавитации. Кавитация вызывает большие колебания установок, увеличивает потери энергии на трение, снижает К.П.Д., приводит к разрушению металла, ускоряет коррозионные процессы (кавитационная коррозия).

Мгновенные, быстро чередующиеся процессы сжатия отдельных пузырьков приводят к местным импульсивным давлениям (несколько сот и даже тысяч атмосфер), возникают короткие и интенсивные удары, разрушающие металл. Происходит выкрашивание зерна металла с поверхности вглубь. Разрушению подвергаются тела, находящиеся в области кавитации.

Вместе с механическим разрушением происходит химическое разрушение, так как в полостях содержится кислород, водород и другие активные вещества. В результате металл приобретает губчатую структуру.

При кавитации в центробежных насосах появляется шум и вибрация, снижается К.П.Д. напор и подача, разрушается поверхность лопаток. Работа центробежных насосов в условиях кавитации недопустима, особенно если перекачиваются горячие жидкости. Возможен срыв работы насоса. Основная причина – падение давления во всасывающем трубопроводе. Для создания нормальных условий работы нефтяных насосов на всасывании создается дополнительное давление (подпор) сверх упругости паров перекачиваемой жидкости при заданной температуре.

С целью предотвращения явления кавитации лопатки и лопасти делают со слабо изогнутым профилем, со скругленными кромками. Применяют металлы, стойкие против коррозии. Поверхности должны иметь высокую чистоту обработки.

Гидравлический удар

Если движущаяся жидкость в трубах внезапно останавливается, то в трубопроводе резко увеличивается давление. Это явление называется гидравлическим ударом. Гидравлический удар возникает при быстром закрытии запорных приспособлений (задвижка, вентиль, кран и др.), внезапной остановке насосов, перекачивающих жидкости. Особенно опасен гидравлический удар в длинных трубопроводах, в которых движутся значительные массы жидкости с большими скоростями. Гидравлический удар приводит к повреждению стыков труб, фланцевых соединений, раструбов, разрыву стенок трубопровода, поломке насосов и т.п.

Рассмотрим трубопровод постоянного диаметра, по которому движется жидкость со скоростью w. При быстром закрытии задвижки остановка всей массы жидкости не происходит мгновенно, т.к. жидкость сжимаема. Граница объема остановившейся жидкости перемещается с некоторой скоростью c. Это скорость распространения волны давления. Площадь поперечного сечения трубопровода F.

О бъем жидкости, остановленный задвижкой, увеличивается со скоростью с и временем ΔТ и будет равен F с ΔТ. За время ΔТ длина остановившейся жидкости в трубопроводе будет с ΔТ = ΔS. Следовательно объем можно записать F ΔS. Объем остановившейся жидкости за время ΔТ потеряет количество движения ρ F ΔS w. Давление до закрытия задвижки – р. После закрытия задвижки – р + Δр Импульс силы, действующий в течение времени ΔТ будет Δр F ΔТ.

Пользуясь теоремой количества движения Δр F ΔТ = ρ F ΔS w.

Так как ΔS/ ΔТ, получаем

Δр = ρ с w

- формула Жуковского

Механизм остановки жидкости в трубопроводе следующий: останавливается слой рядом с задвижкой, затем прилегающий к нему и т.д. таким образом повышенное давление, возникшее у задвижки, распространяется по всему трубопроводу против движения жидкости со скоростью с. Когда волна достигнет начала трубопровода, жидкость остановится.

С

Если трубопровод соединен с емкостью, то жидкость в трубопроводе начнет перемещаться по направлению к ней и в трубопроводе одновременно начнет создаваться спад давления в направлении задвижки. Достигнув задвижки, волна понижения поменяет направление на обратное. Циклы повышения и понижения давления чередуются. Жидкость, находящаяся в трубопроводе, будет совершать колебательные движения. Движения затухающие, т.к. происходит поглощение энергии на трение.

Скорость распространения ударной волны зависит от рода жидкости, материала трубы, ее диаметра, толщины стенок.

К 1 ,

с = ρ

К d

1 +

Е δ

где К – модуль упругости ;

ρ – плотность жидкости, кг/м3;

Е - модуль Юнга материала трубы, Н/м2

d – внутрений диаметр трубы, м;

δ = толщина стенки трубы, м

Д ля борьбы с гидравлическим ударом применяет устройства, увеличивающие время закрытия и открывания трубопроводной арматуры. Ставятся предохранительные клапаны , воздушные колпаки, диафрагмы, разрушающиеся при давлениях сверх допускаемого предела.

Необходимо запомнить:

трубопроводную арматуру необходимо открывать и закрывать медленно!

Р Р+ΔР

W

Р

Р+ΔР

С

ΔS