|
|
 |
|
Межотраслевая Интернет-система поиска и синтеза физических принципов действия преобразователей энергии
|
Общий каталог эффектов
 | Вязкость кинематическая |
 |
Вязкость кинематическая
Анимация
Описание
Вязкость (внутреннее трение) - свойство текучих тел (жидкостей и газов) оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой. Вязкость твердых тел обладает рядом специфических особенностей и рассматривается обычно отдельно.
Основной
закон вязкого течения -
закон Ньютона - был установлен И. Ньютоном (1687) для тонкого слоя жидкости (газа), зажатого между пластинами, движущимися параллельно с разными скоростями
v1 и
v2. Вектора скорости по всему слою жидкости (газа) направлены параллельно, модуль скорости линейно зависит от поперечной координаты (Рис. 1). Закон утверждает, что на пластины будет действовать сила, величина которой определяется формулой:
Здесь
F – касательная к поверхности пластин сила, вектор которой совпадает по направлению с векторами
v1 и
v2,
S – площадь слоя, по которому происходит сдвиг;
z - поперечная толщина слоя.
Коэффициент пропорциональности
называется
коэффициентом динамической вязкости или просто вязкостью. Он характеризует сопротивление жидкости (газа) смещению ее слоёв. Кинематической вязкостью
называется отношение динамической вязкости к плотности жидкости (газа).
В системе СИ единица динамической вязкости – Па*с (паскаль-секунда), в СГС – пуаз (пз) (1 пз = 10-1 Па*с), единица измерения кинематической вязкости в СИ - м2/с, в СГС - стокс (Ст), 1 Ст = 10-4 м2/с.
Вязкость жидкостей и газов определяют специальными приборами - вискозиметрами.
Во многих случаях жидкость (газ) можно считать несжимаемой, то есть ее плотность считается постоянной во времени и пространстве. Как правило, это возможно, если скорость течения много меньше скорости звука в данной среде. Приведем систему уравнений гидродинамики для несжимаемой жидкости (газа):
Здесь
u - скорость среды,
P - давление,
- плотность,
- кинематическая вязкость.
Отношение давления к плотности можно рассматривать как одну новую переменную. Тогда в системе уравнений гидродинамики для несжимаемой среды свойства жидкости (газа) характеризуются лишь одним коэффициентом - кинематической вязкостью. Это означает, что обтекающие течения одного и того же тела жидкостями (газами) с одной кинематической вязкостью будут одинаковыми. То же можно сказать и для течений в трубах одинакового сечения и для течений в более сложных системах.
Существует и более общее правило -
правило подобия для несжимаемой жидкости. Пусть имеются две геометрически подобные системы
обтекаемых тел - одну систему можно получить из другой увеличением всех ее размеров на одно и то же число. Например, геометрически подобными будут два шара разных радиусов, две трубы одинакового по форме сечения и т.п.. Правило утверждает, что форма течений в двух системах будет одинаковой, если для двух систем одинаковы
числа Рейнольдса Re:
Здесь
l - характерная длина системы обтекаемых тел,
u - скорость в соотвутствующих точках систем,
- кинематическая вязкость жидкости (газа). Так, если мы сравниваем течения в двух трубах, сечения которых - равносторонние треугольники, можно определить параметры следующим образом:
l - длина стороны треугольника,
u - скорость в центральной точке трубы.
Благодаря наличию подобия, можно, например, проводить опыт по обтеканию корабля на макете в N раз меньшем реальных размеров конструкции, взяв газ (жидкость), кинематическая вязкость которого меньше кинематической вязкости воды в N раз.
Приведем величины динамической и кинематической вязкости для некоторых жидкостей и газов при 20 градусах Цельсия и атмосферном давлении.
Вязкость некоторых жидкостей и газов
| |
, Па*с |
, 10-4м2/с |
| Вода |
0.0010 |
0.010 |
| Воздух |
1.8*10-5 |
0.150 |
| Спирт |
0.0018 |
0.022 |
| Глицерин |
0.85 |
6.8 |
| Ртуть |
0.00156 |
0.0012 |
Ключевые слова
Разделы наук
Применение эффекта
Использование правила подобия в физическом моделировании.
Кинематическая вязкость - параметр, полностью определяющий форму обтекающего потока несжимаемой жидкости (газа) при данном полном расходе жидкости (газа) в данной системе обтекаемых тел.
Правило подобия, в котором фигурирует единственное свойство жидкости (газа) - кинематическая вязкость - позволяет проводить физическое моделирование обтекающего потока, изменив некоторые условия - проводя эксперимент на уменьшенном макете, с другой, более удобной для опыта жидкостью (газом), при других скоростях потока. Например, можно, например, проводить опыт по обтеканию корабля на макете в N раз меньшем реальных размеров конструкции, взяв газ (жидкость), кинематическая вязкость которого меньше кинематической вязкости воды в N раз.
Правило подобия широко используется при испытании моделей обтекаемых тел в аэродинамических трубах (рис. 1).
Рис. 1. Исследование процесса разделения самолета-носителя Ан-225 и беспилотного космического летательного аппарата "ХОТОЛ" на макетах в аэродинамической трубе.
Диагностика состава жидкости.
Кинематическая вязкость зависит от состава жидкости, меняется в зависимости от содержания в жидкости примесей. Зачастую измерение вязкости - оптимальный способ диагностики состава жидкости (рис. 2).
Рис. 2. Зависимость вязкости битумной эмульсии от содержания битума.
Реализации эффекта
Действие сил вязкого трения наглядно демонстрирует затухание движения жидкости (газа). Например, можно возбудить круговое движение жидкости в некоторой емкости, помешивая жидкость (Рис. 1). Через некоторое время движение прекратится - в данном случае кинетическая энергия движения погашена за счет сил вязкого трения. Наличие стенок ускоряет процесс, однако без них эффект также будет заметен - чтобы убедиться в этом, можно возбудить круговое движение жидкости в ограниченной области в протяженном резервуаре.
Рис. 1. Круговое движение жидкости (газа) через некоторое время затухнет из-за сил вязкого трения.
Литература
Большой энциклопедический словарь / Гл. ред. А.М. Прохоров. Ред. кол.: Д.М. Алексеев, А.М. Бонч-Бруевич, А.С. Боровик-Романов и др. - М.: Большая Российская энциклопедия, 1999. Стр. 99.
Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. Том 6. Гидродинамика. М: Наука, гл. ред. физ-мат. лит., 1986 - 736 с.
Губанов Б.И.. Триумф и трагедия "Энергии". Размышления главного конструктора. Т. 4. Полет в небытие. Нижний Новгород: Издательство Нижегородского института экономического развития. 1999. 432 с.
Дозвуковые течения жидкости и газа в отсутствии незакрепленных обтекаемых тел
Общие вопросы газо- и гидродинамики
