Физические модели жидкостей и газов

1. Вязкая и идеальная жидкость. Реальные жидкости обладают вязкостью. Если же в задаче можно пренебречь касательными напряжениями между слоями жидкости по сравнению с нормальными напряжениями, то приходим к модели идеальной жидкости. Такой подход позволяет существенно упростить математическое описание задачи и получить многие результаты в конечном виде, во многих случаях не только качественно, но и количественно подтверждаемые опытами.

2. Многокомпонентные жидкости. Капельная жидкость или газ с примесями (другие жидкости, газы, твердые тела) может образовать гомогенную или гетерогенную смесь.

Гомогенные смеси образуются в тех случаях, когда в основной жидкости примеси распределяются по всему объему растворяющей жидкости равномерно на уровне молекул. В таких случаях смесь физически представляет собой однородную среду, называемую раствором, в которой содержатся примеси – ее компоненты. Физические свойства гомогенной многокомпонентной смеси (плотность, удельный вес, теплоемкость) можно определить по компонентному составу. Пример гомогенной смеси: воздух.

В тех случаях, когда примеси в основной жидкости находятся не на молекулярном уровне, а в виде частиц, представляющих собой совокупности молекул вещества примеси, такие смеси не могут считаться однородными растворами. Физические свойства подобных гетерогенных смесей зависят от того, какое вещество будет находиться в точке измерения. Отличительной особенностью многофазных жидкостей является наличие в них внутренних границ раздела между фазами, вдоль которых действуют силы межфазного взаимодействия, способные увеличивать сопротивление движению жидкости. Примеры гетерогенных смесей: смеси двух и более нерастворимых друг в друге жидкостей (эмульсии); смеси жидкости со свободным газом (газированные жидкости); смеси жидких и газообразных углеводородов (окклюзии); смеси жидкостей и твердых частиц, находящихся в жидкости во взвешенном состоянии (суспензии и пульпы); смеси газа и взвешенных в нем частиц (газовзвеси); системы с твердым скелетом и пустотами – порами и капиллярами различных форм (капиллярно-пористые среды); зернистые среды (песок, грунты).

3. Неньютоновские жидкости. Многокомпонентные жидкости как гомогенные, так и гетерогенные, могут содержать в своем составе компоненты, значительно изменяющие вязкость жидкости. В таких средах гипотеза вязкого трения Ньютона (1.9) неприменима, поэтому их называют неньютоновскими жидкостями. Примеры неньютоновских жидкостей: расплавы железа и полимеров, кровь.

Среди неньютоновских жидкостей принято выделять:

• вязкопластичныежидкости, характерной особенностью которых является то, что до достижения некоторого критического внутреннего напряжения они ведут себя как твердые тела и лишь при начинают двигаться как обычные жидкости:

при : ,

при : или ; (1.14)

• псевдопластичные жидкости, у которых зависимость между напряжением сдвига и градиентом скорости можно записать в следующем виде:

, (1.15)

где – так называемая мера консистенции жидкости (аналог динамической вязкости ньютоновских жидкостей), 1 – показатель, характеризующий отличие свойств псевдопластичной жидкости от ньютоновской. Данной моделью описывается, в частности, вязкость расплавов;