ОСОБЫЕ СОСТОЯНИЯ ЖИДКОСТИ

Жидкость представляет собой не сплошное непрерывное тело, а тело, состоящее из молекул, расположенных на некотором (весьма небольшом) расстоянии друг от друга. Как видно, жидкость, строго говоря, имеет пре­рывную структуру. Однако при решении различных гидромеханических задач пренебрегают отмеченным обстоятельством и рассматривают жидкость как сплошную (непрерывную), однородную среду.

Именно такую модель сплошной однородной среды, как правило, и будем иметь в виду далее. Только в некоторых особых случаях нам придется сталкиваться с нарушением сплошности, непрерыв­ности жидкости.

Поясним в общих чертах такие особые случаи применительно к практике гидротехнического строительства (в связи с чем, как пример жидкости, будем иметь в виду воду).

1. Переход воды в твердое или газооб­разное состояние

Образование в воде кристаллов льда.

Как отмечалось выше, при повышении давления или при снижении температуры в воде могут зарождаться кристаллы льда, причем вместо однородной сплошной среды получаем двухфазную систему (вода плюс лед).

Образование в воде областей (разрывов), заполненных воздухом и парами воды. Кипение и кавитация.

Обычно в воде содержится растворенный воздух. Как
известно из курса физики, при снижении давления р в жидкости или при повышении ее температуры t° 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 р_нп давление паров воды, насыщающих то простран­ство, в котором они находятся. Величину р_нп обычно называют «давлением насыщенных паров». Она зависит от температурыпаров.

(102)

С увеличением температуры давление насыщенных паров жидкости увеличивается.

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

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

(103)

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:

(104)

т. е. необходимо на достаточную величину или повысить давление р или понизить давление р_НП (за счет снижения температуры t). В случае появления в воде пузырьков пара различают два разных явле­ния: кипение и кавитацию.

Кипением жидкости называется явление, когда пузырьки пара, появившиеся в жидкости при соотношении (104), всплывают и выходят из жидкости через ее свободную поверхность.

Кавитацией жидкости называется явление, когда пузырьки пара (или паровоздушные пузырьки), появившиеся при соотношении (104) в движущейся жидкости, не выходят из нее, а захлопы­ваются (закрываются) внутри жидкости.

C тем, чтобы дополнительно пояснить явление кавитации, представим на рис. 54апоток воды, давление вдоль которого (вдоль линии I—I) изменяется, как пока­зано кривой abcdeна рис. 54б. В зоне Апотока, заштрихованной на рисунке, давление . Линии М₁N₁и M₂N₂являются границами этой зоны; во всех точках этих границ .

В элементарных объемах воды, движущихся в направлении стре­лок, при пересечении ими гра­ницы M₁N₁ возникнут пузырьки пара; в самой зоне Абудем иметь двухфазную систему; в районе границы M₂N₂ как показывает опыт, пузырьки пара, попадая в область, где , очень быстро и с большой силой захлопываются, причем за линией M₂N₂ получаем сплошную среду (такую же, как и перед линией M₁N₁). Таково явление, называемое кавитацией (от латинского слова «пустота»).

Упомянутое захлопывание пузырьков пара в районе границы M₂N₂ сопровождается сильными ударами, которые иногда способствуют постепен­ному разрушению поверхности твердых стенок, ограничивающих поток. Такое разрушение твердых стенок называется кавитационной эрозией.

Рис.54.

Существенно подчеркнуть, что появление в воде пузырьков пара (раз­рывов) в районе зоны А (рис. 54а) препятствует снижению давления в этой зоне до величины, меньшей р_нп. Вследствие появления пузырьков пара вместо кривой abсde (рис.54б) получаем кривую abde, показанную сплошной линией (на участке bd — горизонтальной). Следует считать, что практически давле­ние p в воде, в силу сказанного, не может быть меньше величины .

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 (двухфазная система). 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. Заметим, что обычно, помимо взвешенных песчинок, имеются еще песчинки, перемещающиеся непосредственно по дну русла.