ОСОБЫЕ СОСТОЯНИЯ ЖИДКОСТИ

В практике гидротехнического строительства приходится сталкиваться со случаями, когда жидкость (вода) начинает приобретать особые состояния: или при движении жидкости к ней начинают присоединяться газообразные или твердые тела, или она сама начинает переходить в твердое или газообразное состояние.

Рассмотрим эти два случая (имея в виду воду, как пример жидкости).

1-й случай. Присоединение к движущейся жидкости газообразных и твердых тел.

1. Аэрация потока. Если к потоку воды, движущейся с большими скоростями, имеется доступ наружного воздуха, то поток может насыщаться проникающими в него снаружи пузырьками воздуха. В результате получается смесь воды и пузырьков воздуха (получаем так называемую двухфазную систему). Такое явление называется аэрацией потока.

2. Захват потоком наносов. Если водный поток имеет размываемое русло (например, русло, образованное мелким песком), то, как показывает опыт, при достаточно больших скоростях движения воды поток начинает насыщаться песчинками, которые движутся вместе с водой во взвешенном состоянии. Здесь также получаем двухфазную систему. Обычно, помимо взвешенных песчинок, имеются еще песчинки, перемещающиеся непосредственно по дну русла.

2-й случай. Переход воды в твердое или газообразное состояние.

1. Образование в воде кристаллов льда. При повышении давления или при снижении температуры в воде могут зарождаться кристаллы льда, причем вместо однородной жидкой среды получаем двухфазную систему (вода плюс лед).

2. Образование в воде областей (разрывов), заполненных воздухом и парами воды. Кипение и кавитация [1-5]. Обычно в воде содержится растворенный воздух. Как известно из курса физики, при снижении давления в жидкости или при повышении ее температуры такой воздух начинает выделяться из отдельных элементарных объемов воды, причем в воде образуются разрывы (воздушные «пузыри»). В результате сплошность воды нарушается: до тех пор, пока пузыри воздуха не выйдут из нее через ее свободную поверхность, будем иметь двухфазную систему (вода плюс воздушные пузыри).

Рассмотрим далее воду, не содержащую растворенного воздуха.

Обозначим через давление паров воды, насыщающих то пространство, в котором они находятся. Величину обычно называют «давлением насыщенных паров». Известно, что зависит от температуры паров:

(1-7)

Численные значения для паров воды (в зависимости от t°) следующие:

t°, С 0 25 50 75 100 125 150

, кПа. 0,6 3,2 12,6 39,2 103,2 237,0 485,0

, кгс/см² 0,006 0,032 0,126 0,392 1,032 2,370 4,850

Как видно, с увеличением t° увеличивается и

Предположим, что мы имеем некоторый объем воды, сплошность которого не нарушена. Обозначим давление в этой воде через и температуру ее через t°.

Представим себе далее, что в силу тех или других причин температура t° начинает увеличиваться или давление - уменьшаться. Очевидно, в связи с этим в некоторый момент времени можем получить соотношение:

(1-8)

Как показывает опыт, при таком соотношении в обычных условиях внутри рассматриваемого объема воды возникают пузырьки, заполненные «насыщенными парами» воды. При этом мы получаем двухфазную систему (вода плюс пузырьки пара). Чтобы заставить эти пузырьки захлопнуться (закрыться), необходимо добиться соотношения:

(1-9)

т. е. необходимо на достаточную величину или повысить давление , или понизить давление (за счет снижения температуры t°).

Появление в воде пузырьков пара (а если вода предварительно не была очищена от растворенного в ней воздуха, то — паровоздушных пузырьков) называется кавитацией (от латинского слова «пустота»).

Можно различать (условно) как бы два разных явления, возникающих при соотношении (1-8):

а) кипение воды, когда кавитационные пузырьки (паровые или паровоздушные), возникающие в воде, всплывают и выходят из жидкости через ее свободную поверхность;

б) кавитацию (при отсутствии кипения), когда упомянутые пузырьки, возникающие в движущейся воде, не выходят из нее, а захлопываются (закрываются) внутри потока воды.

Рис. 1-8. Явление кавитации - место раскрытия пузырьков пара; - место захлопывания их

Чтобы дополнительно пояснить явление кавитации (при отсутствии кипения) представим на рис. 1-8, а поток воды, давление вдоль которого (вдоль линии 1—1), согласно правилам гидравлики (см. ниже), должно измениться, как показано кривой на рис. 1-8, б. В зоне А потока, заштрихованной на рисунке, давление . Линии и являются границами этой зоны; во всех точках этих границ .

В элементарных объемах воды, движущихся в направлении стрелок, при пересечении ими границы возникнут пузырьки пара; в самой зоне А будем иметь двухфазную систему; в районе границы , как показывает опыт, пузырьки пара, попадая в область, где очень быстро и с большой силой захлопываются, причем за линией получаем сплошную среду (такую же, как и перед линией

Существенно подчеркнуть, что появление в воде пузырьков пара (разрывов) в районе зоны А (рис. 1-8,а) препятствует снижению давления в этой зоне до величины, меньшей . Вследствие появления пузырьков пара вместо кривой (рис. 1-8,6) получаем кривую , показанную сплошной линией (на участке — горизонтальной).

Следует считать, что практически давление в воде, в силу сказанного, не может быть меньше величины .

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: