|
|
|
| Межотраслевая Интернет-система поиска и синтеза физических принципов действия преобразователей энергии | |
Стартовая страница |
О системе |
Технические требования |
Синтез |
Обучающий модуль |
Справка по системе |
Контакты |
 | Вязкость жидких сред |
 | |
Анимация
Описание
Вязкость жидкостей (внутреннее трение) - свойство оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой. В рамках линейных модельных представлений о вязком течении жидкостей, предложенных И. Ньютоном (1687 г.) тангенциальная (касательная) сила F, вызываемая сдвигом слоев жидкости друг относительно друга, определяется в виде:
,
где 
- градиент скорости течения (быстрота изменения ее от слоя к слою), иначе - скорость сдвига (см. рис. 1 );
h - коэффициент динамической вязкости или просто вязкость, характеризующий сопротивление жидкости смещению ее слоев.
Величина 
называется текучестью.
Сдвиговое течение жидкости (течение Куэтта)
Рис. 1
На рис. 1 приведена схема однородного сдвига (вязкого течения) слоя жидкости высотой h, заключенного между двумя твердыми пластинками, на которых нижняя (А) неподвижна, а верхняя под действием тангенциальной силы F движется с постоянной скоростью u0; u(z) - зависимость скорости слоя от расстояния z до неподвижной пластинки.
Наряду с динамической вязкостью часто используют кинематическую вязкость:
,
где r - плотность жидкости.
В условиях установившегося ламинарного течения при постоянной температуре Т вязкость нормальных жидкостей (т.н. ньютоновских жидкостей) - величина, не зависящая от градиента скорости. Вязкость обусловлена, в первую очередь, межмолекулярным взаимодействием, ограничивающим подвижность молекул. В жидкости молекула может проникнуть в соседний слой лишь при образовании в нем полости, достаточной для "перескакивания" туда молекулы. На образование полости (на "рыхление" жидкости) расходуется так называемая активация вязкого течения. Энергия активации уменьшается с ростом температуры Т и понижением давления Р жидкости.
В этом состоит одна из причин резкого снижения вязкости жидкостей с повышением температуры и роста ее при высоких давлениях. При повышении давления жидкости до нескольких тысяч атмосфер ее вязкость увеличивается в десятки и сотни раз.
Строгой теории вязкости жидкостей до настоящего момента не создано, поэтому на практике широко применяют ряд эмпирических и полуэмпирических формул достаточно хорошо отражающих зависимость вязкости отдельных классов жидкостей и растворов от температуры и химического состава.
При турбулентном течении жидкостей, когда число Рейнольдса (Re)і32300 (для круглых труб) формула Ньютона оказывается неприменимой. В этих многочисленных случаях используют различные эмпирические соотношения.
Так, например, для плоскопараллельного осредненного турбулентного движения жидкости используют формулу Буссинеска:
,
где 
- касательные напряжения внутреннего трения в потоке жидкости;
А - коэффициент турбулентного перемешивания (турбулентной вязкости), который в отличии от коэффициента молекулярной вязкости уже не является физической постоянной жидкости, а зависит от характера осредненного движения (z - расстояние от стенки).
На основании полуэмпирической теории Прантдаля турбулентная вязкость определяется зависимостью:
,
где l - путь перемешивания жидкости (турбулентный аналог длины свободного пробега молекул).
Ключевые слова
Разделы наук
Явления переноса
Дозвуковое обтекание незакрепленных тел жидкостью и газом
ПогранслойОбщие вопросы газо- и гидродинамики
Применение эффекта
Большинство течений жидкостей турбулентно как в природе (воды в реках, морях, водопадах и т.д.), так и в технических устройствах (трубах, каналах, струях, в пограничных слоях местных сопротивлений, резких изгибах профилей труб и т.п.)
Именно благодаря большой интенсивности перемешивания жидкостей при турбулентном течении обеспечивается реализации повышенных режимов передачи количества движения, теплоты; ускоренному распространению химических реакций; способность жидкости нести взвешенные частицы; рассеивать звуковые и электромагнитные волны; создавать флуктуации их амплитуд и фаз, а в электропроводящей жидкости - генерировать флуктуирующее магнитное поле и т.д.
Эффект вязкого трения учитывается при проектировании и перестройке технических объектов: гидротехнических сооружений, турбинных установок, нефтепроводных магистралей, насосов и т.д.
Реализации эффекта
Техническая реализация эффекта
Реализация - в соответствии с рис. 2.
Затухающее движение объекта в вязкой жидкости
Рис. 2
В воду погружается картофелина (что, как известно, обеспечивает нулевую пловучесть, то есть безразличное равновесие). Далее картофелину подтолкнуть и убедиться в затухающем характере ее поступательного движения. Если произвести (например, путем видеосъемки) измерения зависимости от времени смещения S в указанном поступательном движении, легко обнаружить, что движение затухает экспоненциально, что и соответствует затуханию под действием вязкой силы FVISC, пропорциональной скорости движения объекта.
Литература
1. Физика. Большой энциклопедический словарь.- М.: Большая Российская энциклопедия, 1999.- С.90, 460.
2. Новый политехнический словарь.- М.: Большая Российская энциклопедия, 2000.- С.20, 231, 460.
| Стартовая страница О системе Технические требования Синтез Обучающий модуль Справка по системе Контакты | |
 |
|
| Copyright © 2008 РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина | |