Способы описания движения жидкости, потоки жидкости

Раздел гидромеханики, изучающий движение жидкости, а также взаимодействие между жидкостью и твердыми телами при их относитель­ном движении, называется гидродинамикой.

Раздел гидро­механики, изучающий кинематические характеристики (скорости и ускорения) движения в потоках жидкости и их изменение во времени, называется кине матикой жидкости.

Классификация видов движения жидкости по отличительным признакам:

- установившееся (неустановшееся);

- равномерное (неравномерное);

- напорное (безнапорное);

- режим турбулентный (ламинарный).

Движение жидкости, при котором её скорость в любой точке заня­того жидкостью пространства не изменяется во времени, называется  установившимся движением.

Другими словами, проекции скоростей есть функции только координат х, у, z,

т. е.:

и_х = и_х (х, у, z);

и_у = и_у (х, у, z);

и _z = и _z (х, у, z)

На основании этого определения, частные производные от и_х, и_у, и _z по t  равны нулю:

                   

Движение жидкости, при котором её скорость во всех точках заня­того жидкостью пространства изменяется по значению и (или) направлению во времени, называют неустановившемся дви­жением.

Следовательно:

и_х = и_х (х, у, z, t)

и_у = и_у (х, у, z, t)

и _z = и _z (х, у, z, t)

Равномерное движе­ние жидкости (1-е определение) - установившееся движение потока жидкости, элементы которого (скорости, живые сечения и пр.) не изменяются по его длине.

Равномерное дви­жениежидкости (2-е определение) - установившееся движение жидкости, при котором скорости её частиц в соответственных точках живых сечений одинаковы по значению.     

Неравномерное движение жидкости (1-е определение) - движение потока жидкости, элементы которого изменяются по его длине.

Не­равномерное движение жидкости (2-е определение) - движение жидкости, при котором скорости её частиц в соответственных точках живых сече­ний неодинаковы.

Равномерное движение переходит в неравномерное под воздейст­вием на поток сооружений, например плотин, сооружений мостовых переходов и др.

Неравномерное движение наблюдается и в каналах с постоянной формой поперечных сечений, но с переменной по длине шероховатостью русла, обусловленной разными способами облицовки русла канала.

В искривленном потоке, наряду с другими силами, надо учитывать центробежную силу.

В зависимости от конфигурации поверхностей, ограничи­вающих поток, а следовательно, и геометрической формы линий тока и траекторий движения частиц жидкости различают плавно изменяющееся  и резко изменяющееся движения жидкости.

Плавно изменяющееся движе­ние - неравномерное движение жидкости, при котором кривизна линий тока и углы расхождения между ними весьма малы и в пределе стре­мятся к нулю.

Отсюда следует важный вывод: живые сечения можно считать плоскими.

При плавно изменяющемся движении составляющие и_у и и _z можно принять равными нулю.

Движение потока совпадает с направлением оси х.

Следовательно, при плавно изменяющемся движении жидкости гидро­динамические давления в плоскостях живых сечений распределяются по закону гидростатики.

 

Это делает возможным принимать сумму z + р/γ  одинаковой для всех точек живых сечений, что легко подтверж­дается экспериментально.

Пьезометры, подсоединенные к различным точкам живого сечения потока, дают одинаковые показания (см. рис.).                                  

 

Равномерное и неравномерное движение может быть  напорным и безнапорным.

 

Если жидкость движется в трубе и все сечение трубы заполнено жидкостью, а в установленных в разных точках потока пьезометрах жидкость поднимается выше верхнего свода трубы (рис. а), то такое движение будет напорным.

                                  

 

Рис. Живые сечения, при напорном и безнапорном движении жидкости

 

Для него характерно отсутствие свободной поверх­ности - поверхности раздела между капельной жидкостью и возду­хом.

Напорное движение - движение жидкости, не имеющей свободной (открытой) поверхно­сти.

Такая форма движе­ния характерна для водопроводных труб, напорных гидротехнических тоннелей, напорных дорожных водопропускных труб и др.

 

Если движение жидкости происходит при частичном заполнении трубы, как, например, в канализационной трубе (рис. б) или в открытом русле (канале, реке), то для такого движения характерно наличие свободной поверхности.

Уровень воды в пьезометрах, присоединен­ных к разным точкам такого пото­ка, будет совпадать с уровнем сво­бодной поверхности, давление на которой равно атмосферному давлению.

Безнапорное движение - дви­жение жидкости со свободной (отк­рытой) поверхностью.

Плоскопараллельное движение - движение жидкости, при котором её частицы движутся параллельно некоторой неподвижной плоскости со скоростя­ми, не зависящими от расстояния частиц до этой плоскости.

В круглой напорной трубе ось трубы является осью симметрии, так как в любых радиальных направлениях эпюры скоростей одинако­вые (если исключить влияние условий входа жидкости в трубу и пр.).

Осесимметричное движе­ние - движение жидкости, при котором её поле скоростей одинаково для любых плоскостей, проходящих через некоторую прямую, являющую­ся осью симметрии.

Геометрическое представле­ние о движении жидкости можно получить с помощью построения векторных линий, называемых  линиями тока.

Линию, в каждой точке которой в данное мгновение вектор скорости жидкости совпадает с касательной к этой линии, называют  линией тока.

При неустановившемся движении каждому моменту времени отвечает определенная система линий тока, вид и расположение которых харак­теризуют поле скоростей.

При установившемся движении значения и направления скоростей не изменяются с течением времени. Следова­тельно, линии тока должны совпадать в этом случае с траекториями движущихся частиц жидкости.

Линии тока не могут пересекаться.

Линии тока дают как бы фотографический снимок с картины распре­деления в жидкости векторов скоростей частиц.

Траектории дают представление о пути частиц жидкости в пространст­ве с течением времени, т.е. рисуют как бы историю движения частиц.

 

⇐ Предыдущая123456789Следующая ⇒

Поделиться: