|
|
Задачи прикладной гидромеханики в горном делеСтр 1 из 9Следующая ⇒ Задачи прикладной гидромеханики в горном деле Предмет гидромеханики.Цели и задачи курса Одна из частей физики - механика - изучает общие закономерности, присущие механическому движению и взаимодействию тел, находящихся в любом из возможных агрегатных состояний (твердом, жидком или газообразном). В соответствии с состоянием тел механику разделяют на различные области. В механике твердого зола (и сплошных сред) рассматриваются абсолютно твердые и деформируемые тела (как упругие, так и пластические), и дисциплины, изучающие эти тела, называются соответственно теоретической механикой и теорией упругости и пластичности. Законы же движения жидких сред изучает механика жидкостей, нли гидромеханика.
В гидромеханике как пауке различают два крупных раздела: теоретическую гидромеханику, исследующую основные закономерности движения жидкостей в различных условиях, и прикладную гидромеханику, или гидравлику, - прикладную инженерную науку о равновесии и движении жидкостей и газов, основанную преимущественно иа экспериментальных данных и разрабатывающую приближенные методы расчета течения жидкостей и газов в различных технических устройствах. Заметим, что там, где это необходимо и где законы движения газов подобны законам движения жидкостей, мы будем приводить примеры движения газообразных сред. В гидромеханике в качестве основного метода исследований используется строгий математический анализ, и базой для изучения гидромеханики являются курсы математики, физики, механики сплошных сред. В то же время курс гидромеханики является основой для изучения студентами в дальнейшем специальных дисциплин, таких, как гидравлика и гидропривод, трубопроводный транспорт.
В настоящее время в горном производстве применяются машины и агрегаты, использующие гидравлические системы и приводы; дальнейшее развитие получает гидромеханизация, при которой выемка угля и проходка горных выработок осуществляются гидромониторами, а транспортировка и подъём горной массы- гидротранспортом. Значительная часть угля и руд добывается с использованием пневматической энергии. Следовательно, специалисты в области горного дела должны обладать глубокими знаниями в области гидромеханики как основы для расчёта гидравлических устройств и агрегатов, а также процессов гидромеханизации. Таким образом, гидромеханика является основой для изучения гидромеханизации горных работ; процессов осушения, водопонижения и водоотлива при открытых и подземных горных работах; гидрогеологии; гидросистем; гидроприводов горных машин и комплексов; насосных, вентиляторных и компрессорных установок; рудничной аэрологии, вентиляции и дегазации шахт; обогащения ПИ. Гипотеза сплошной среды. Плотность жидкостей и газов. Аномальная плотность воды. Гипотеза сплошной среды Система материальных точек, непрерывно заполняющая часть пространства, называется континуумом (сплошной средой). Именно такая сплошная среда используется как модель реально существующих материалов. Безусловно, это идеализация, которая, однако, оказывается полезной при решении многих практических задач. Такой моделью удобно пользоваться для описания не только жидких (вода, нефть, рассолы и т.д.), но и твердых тел (горные породы), а также газообразных сред (воздух, природный газ). Мы будем рассматривать жидкость как деформируемую систему материальных частиц, непрерывно заполняющих пространство, в котором она движется. Правомерность подобного подхода подтверждается сравнением размеров молекулы воды и некоторого реального объема: если взять кубик воды со стороной 0,01 мм, то в нем будет находиться 3,3-1013 молекул. Таким образом, можно считать размеры частиц движущейся жидкости достаточно малыми по сравнению с размерами области, занятой ею. Правомерность применения модели жидкость - сплошная среда подтверждается всей практикой гидромеханики.
Плотность - характеристика распределения массы в пространстве, занятом жидкостью или газом. Среднее значение плотности среды в некотором малом объеме определяется как отношение массы Δm, заключенной в этом объеме, к самому объему ΔΩ : 𝝆 В произвольной точке жидкости плотность определяется по формуле 𝝆
Плотность движущейся среды зависит от температуры и давления, а последнее - от характера движения среды. Размерность плотности в системе СИ - кг/м3. Плотность всех жидкостей, кроме воды, с ростом температуры / уменьшается. Для воды при t = 4°С существует точка с аномально высокой плотностью (табл. 1). Таблица 1 Зависимость плотности воды от ее температуры при нормальном атмосферном давлении
Продолжение табл. I
Окончание табл. /
Растворение газов Все жидкости в той или иной мере поглощают и растворяют газы. Согласно закону растворимости Дальтона, при давлениях до 30 МПа и постоянной температуре относительный объем Ωг/Ωж растворенного газа равен постоянной величине кр, называемой коэффициентом растворимости (константой Генри). Коэффициент растворимости зависит от температуры:
где R - универсальная газовая постоянная. ДАЛЬТОН Джон (1766 - 1844) Английский физик и химик, создатель химического атомизма. Член Лондонского королевского общества. Родился в Иглсфилде. Образование получил самостоятельно. Был учителем математики в Манчестере. Установил закон кратных отношений, ввел понятие «атомный вес», первым определил атомные веса (массы) ряда элементов и составил первую таблицу атомных весов элементов. Открыл газовые законы, которые впоследствии были названы его именем. Однако, будучи метафизиком и механистом, не признавал молекулярной гипотезы. Первым в 1794 г. описал дефект зрения (которым страдал сам), позже названный дальтонизмом. Если процесс растворения происходит при давлении р 2, то, пересчитав объем газа па некоторое эталонное давление p1 (например, па атмосферное), получим соотношение
Где
кр - коэффициент растворимости данного газа в данной жидкости при температуре t. При температуре 20 °С и атмосферном давлении в воде содержится 1,6 % по объему растворенного воздуха №=0,16). При увеличении температуры от 0 до 30 °С коэффициент растворимости воздуха в воде уменьшается. Коэффициент растворимости воздуха в маслах при температуре 20 °С равен примерно 0,08-0,1. Кислород отличается более высокой растворимостью, чем воздух, поэтому содержание кислорода в воздухе, растворенном в жидкости, примерно на 50 % выше, чем в атмосферном воздухе. При уменьшении давления из жидкости выделяется объем газа, определяемый в соответствии с (22). Процесс выделения газа протекает интенсивнее, чем его растворение.
Поверхностное натяжение Известно, что молекулы жидкости, находящиеся на границе с газом, твердым телом или между двумя пссмешиваю- щимися жидкостями, испытывают со стороны остальных молекул жидкости не уравновешенное извне воздействие. Под влиянием этого воздействия поверхность жидкости стремится принять форму, соответствующую наименьшей площади. Малые массы жидкости в воздухе, образуя капли, стремятся к шарообразной форме. Чтобы увеличить поверхность жидкости, необходимо часть внутренних молекул вывести на поверхность, для чего ридется совершить работу. Это можно представить как наличие сопротивления граничной поверхности жидкости растяжению и считать, что по поверхности распределены силы, препятствующие растяжению. Данные силы действуют по касательным к поверхности направлениям и называются силами поверхностного натяжения. Поверхностное натяжение σ представляет собой отнесенную к единице площади дополнительную энергию, которой обладают молекулы поверхностного слоя, или силу поверхностного натяжения, отнесенную к единице длины на свободной поверхности. Размерность поверхностного натяжения в СИ - Н/м. Величина поверхностного натяжения а зависит от природы соприкасающихся сред и температуры. С увеличением температуры поверхностное натяжение ст уменьшается. При 20 °С и контакте с воздухом: σ = 0,0726 Н/м для воды; σ = 0,486 - для ртути; σ = 0,022 - для этилового спирта; σ = 0,0235 - 0,038 - для сырой нефти; σ = 0,035 - 0,038 Н/м - для смазочного масла. На границе с воздухом у расплавленной стали при /=1550°С σ = 1,86 Н/м, у расплавленного чугуна при t = 1200 - 1450 °С σ = 0,9 - 1,0 Н/м. Для границы вода - ртуть при 20 °С σ = 0,378 Н/м. Добавка в жидкость поверхностно-активных веществ (ПАВ) может заметно уменьшить поверхностное натяжение. Влияние поверхностного натяжения необходимо учитывать при изучении потоков с малой глубиной, при захвате окружающего воздуха движущейся жидкостью (аэрации жидкости), в капиллярах и т. д. В трубках малого диаметра (капиллярах) наблюдается искривление свободной поверхности, граничащей с газом или с парами этой же жидкости. Если поверхность трубки смачивается, свободная поверхность жидкости в капилляре вогнутая, если нет смачивания, свободная поверхность - выпуклая. В этих случаях силы поверхностного натяжения обусловливают дополнительные напряжения в жидкости. Под действием дополнительных напряжений в трубках малого диаметра происходит капиллярное поднятие (при смачивании) или опускание (если нет смачивания) жидкости на высоту, определяемую по формуле Жюрена:
где Для чистой воды и стекла Одна и та же жидкость в капиллярах одного и того же диаметра может подниматься (при смачивании) или опускаться (если нет смачивания) в зависимости от материала, из которого изготовлена капиллярная трубка. Поднятие воды в капиллярах почвы и грунтов является важным фактором ее распространения. Высота капиллярного поднятия в грунтах изменяется от 0 (галечники) до почти 5 м (глины с тонкими «волосяными» трещинами-капиллярами). При этом с увеличением минерализации воды увеличивается высота капиллярного поднятия. Поверхностное натяжение и капиллярные эффекты определяют закономерности движения жидкости в условиях невесомости. Особые свойства воды Известно, что в понятие «вода» следует включать вещества, состоящие не только из молекул НгО. Различные комбинации изотопов водорода и кислорода обусловливают существование 36 разновидностей воды. В природной воде 99,7 % - молекулы Н2О, на долю остальных разновидностей молекул воды приходится лишь 0,3 %. Однако это не означает, что влияние других разновидностей молекул на свойства воды пропорционально их доле в общем объеме воды. Вода - аномальное вещество. Прежде всего, это - единственное вещество на нашей планете, которое при обычных температуре и давлении может находиться в одном из трех агрегатных состояний: твердом (лед), жидком и газообразном (пар). Плавление воды сопровождается не расширением, как у подавляющего большинства жидкостей, а сжатием. Аномально изменяется также плотность воды при возрастании температуры (см. табл. 1). Если при плавлении твердых тел теплоемкость вещества изменяется незначительно, то при плавлении льда она увеличивается скачком более чем вдвое - от 2,052 до 4,224 кДж/кг. Вода имеет аномально большую удельную теплоемкость (С/; = 4,18 Дж/(кг-К)): примерно в 9 раз больше, чем железо, в 33 раза больше, чем ртуть, в 5 раз больше, чем известняк, и т. д. При нагревании воды ее теплоемкость сначала падает, достигая минимума 4,1809 кДж/кг при температуре 34,5 °С, а затем вновь увеличивается. Появление этого минимума объясняется разрушением ассоциаций (групп) молекул воды примерно при этой температуре. Предполагается, что вода представляет собой смесь двух структур: рыхлой льдоподобной и плотно упакованной, и все аномальные свойства воды могут объясняться переходом от одной структуры к другой. Таким образом, вода, например, в озере при одинаковой температуре воздуха и одинаковом получаемом ею солнечном тепле нагреется в 5 раз меньше, чем сухой песчаный пляж на берегу озера, но во столько же раз вода будет дольше сохранять полученное тепло, чем почва. При замерзании объем воды увеличивается примерно на 10 %. Температура замерзания воды с увеличением давления (до 19,6 МПа) понижается, а затем повышается. Известно, что перемещение воды в вертикальном направлении в водоемах (с пресной водой) прекращается при 4 °С. При этой температуре вода оказывается стратифицированной: в нижних слоях находится вода с большей плотностью, чем в верхних слоях. Морская вода замерзает при температуре -1,9 °С. Вода в капиллярах почвы иногда может замерзать и при температуре +4,4 °С. Вода обладает высокой теплотой испарения (22,6-105 Дж/кг) и скрытой теплотой плавления (3,34-105 Дж/кг). При атмосферном давлении для перехода воды в пар из окружающей среды требуется в 6,75 раза больше теплоты, чем при плавлении льда при том же давлении. При конденсации влаги (образовании тумана) выделяется значительное количество теплоты. Это используется в установках, создающих искусственный туман; такие установки помимо орошения могут использоваться для предохранения растений от заморозков. лектропроводность сухого льда и снега гораздо меньше электропроводности воды, причем электропроводность воды сильно зависит от наличия примесей, а на электропроводность льда они влияют очень мало. Электропроводность воды зависит от концентрации растворенных в ней солей. Поэтому электропроводность морской воды на 2-3 порядка больше, чем электропроводность пресной речной воды, и больше примерно в 12000 раз, чем электропроводность химически чистой воды (при 18 °С). Вода является сильным растворителем. Эта способность воды характеризуется относительной диэлектрической проницаемостью, которая довольно высока и для дистиллированной воды при 0 °С составляет около 87, с ростом температуры она уменьшается - до 55,7 при 100 °С. Для сравнения можно указать, что у большинства других растворителей диэлектрическая проницаемость значительно меньше и меняется от 10 до 50, а у так называемых неполярных жидкостей, вообще не обладающих способностью растворять электролиты, она составляет 2-2,5. Таким образом, по сравнению с воздухом, диэлектрическая проницаемость которого равна 1, эта характеристика воды гораздо больше (для льда она равна 3,2). Из-за присутствия в воде растворенного воздуха, богатого кислородом, и ряда агрессивных компонентов вода воздействует на материалы, из которых возведены сооружения. При этом может происходить коррозия, в том числе и электрохимическая. Растворенные в воде соли и взвешенные в ней твердые частицы могут привести к «зарастанию» стенок, например, трубопровода, вследствие чего пропускная способность таких труб может существенно уменьшиться. Закон Архимеда.
23.Основы кинематики жидкости и газа. Метод Эйлера и Лагранджа. Лагранж:
Эйлер:
Характеристики потоков.Напорный и безнапорный потоки. Гидравлическая струя. Живое сечение потока. Смоченый периметр. Гидравлический радиус. Расход потока. Средняя скорость потока.Установившиеся (стационарные) неустановившиеся потоки. Равномерный поток.
Приборы для измерения скорости потока: механические, пневматические,кинематические, акустические, электрические, оптические методы. Трубки для измерения скорости (Пито-Прандтля).Термоэлектрический анемометр. В экспериментальной механике жидкостей и газов чаще всего необходимо измерять скорость потока. Разработано много методов определения скоростей, для этого создано огромное количество различных приборов. Из всех методов, применяемых для измерения скоростей, отметим некоторые. Механический метод (используются приборы типа вертушек, анемометров, доски Вильда и пр.). В основе метода лежит непосредственное механическое воздействие потока на приемный элемент прибора. Пневматический метод (применяется большое число различных насадков - трубки, цилиндрические и шаровые зонды и др.). В этих приборах принимающим и передающим элементом является некоторый объем жидкости или газа, а скорость вычисляется по величине измеренного давления. Кинематический метод (используются приборы, позволяющие определять скорость переноса ионизированных или нагретых объемов среды, освещенных или светящихся частиц и др.). Метод основам на определении скорости движения частиц среды или субстанции. Способ измерения скоростей но количеству тепла, снятого с приемника. К приборам, основанным на этом методе, относятся прежде всего различного вида термоанемометры. Электрический метод (используются пьезоэлектрические, индуктивные, емкостные, магнитострикциониые и другие датчики). Скорость потока определяют измерением давлений электрическими датчиками. Акустический метод. Скорость потока определяют по распространению в нем звука. Оптический метод измерения основан на оптических явлениях в движущейся жидкости. Каждый метод имеет свои преимущества и недостатки. Выбор метода измерения зависит от особенностей поставленной задачи. Так, для измерения местных скоростей, быстро изменяющихся во времени, нельзя использовать приборы, работающие по первым трем способам. Акустический и оптический методы наиболее эффективны при изучении потоков со сверхзвуковыми скоростями. Кинематический метод может с успехом применяться как абсолютный метод при тарировке приборов. Рассмотрим методы измерения скорости потока трубками и термоанемометрами. Термоанемометры Принцип измерения скорости термоэлектрическим анемометром основан на изменении электрического сопротивления проволоки при изменении температуры. Термоанемометр представляет собой помещенную в поток тонкую проволоку, через которую пропускается электрический ток. Измерение скорости возможно двумя способами: при первом способе температура проволоки при помощи регулируемого сопротивления поддерживается постоянной и измеряется мощность нагревателя, возмещающего потерю тепла; при втором способе мощность нагревателя поддерживается постоянной и измеряется температура проволоки. Зависимость между измеренной величиной и скоростью потока устанавливается предварительным тарированием прибора. Термоанемометры дают возможность измерять малые скорости, скорости вблизи твердых границ и переменные во времени скорости, измерение которых гидродинамической трубкой связано с большими погрешностями. Впервые трубки для измерения скорости потока воды были применены в 1732 г. французским ученым Пито. Он показал, что обычная стеклянная трубка, опущенная в поток, позволяет определить полный напор и величину скорости. Поэтому трубки, имеющие лишь одно отверстие в критической точке, т. е. трубки для измерения полного напора, называют трубками Пито. Трубки, имеющие отверстия в критической точке и статическое отверстие, называют трубками Пито - Праидтля (рис. 5.13). Формулы (5.10) - (5.11) справедливы для потоков с небольшими скоростями. При измерениях в потоках газа с большими скоростями плотность его будет переменной и для расчета скорости надо пользоваться формулой Сен-Венана (индекс «0» относится к нормальным условиям, к - показатель адиабаты):
Эта формула пригодна не для всех случаев, а лишь для движения газа с дозвуковыми скоростями.
трубка Пито – Праидтля (рис. 5.13) Задачи прикладной гидромеханики в горном деле   ЧТО ПРОИСХОДИТ ВО ВЗРОСЛОЙ ЖИЗНИ? Если вы все еще «неправильно» связаны с матерью, вы избегаете отделения и независимого взрослого существования...  Что будет с Землей, если ось ее сместится на 6666 км? Что будет с Землей? - задался я вопросом...  ЧТО ПРОИСХОДИТ, КОГДА МЫ ССОРИМСЯ Не понимая различий, существующих между мужчинами и женщинами, очень легко довести дело до ссоры...  ЧТО И КАК ПИСАЛИ О МОДЕ В ЖУРНАЛАХ НАЧАЛА XX ВЕКА Первый номер журнала «Аполлон» за 1909 г. начинался, по сути, с программного заявления редакции журнала... Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:
|
- изменение энтальпии при растворении;
- объем растворенного газа при давлении 
и температуре t
- объем растворенного газа при давлении 
и температуре t
- краевой угол смачивания (острый угол между касательной к свободной поверхности в точке пересечения со стенкой и самой стенкой капилляра); d - диаметр капилляра.
0 °, для ртути и стекла 
