Общие законы и уравнения динамики жидкостей и газов

Уравнение Бернулли для потока идеальной жидкости выражает собой закон сохранения удельной энергии жидкости вдоль потока. Под удельной энергией понимают энергию, отнесенную к единице веса, объема или массы жидкости. Обычно удобнее бывает относить энергию к единице веса. В этом случае уравнение Бернулли, записанное для сечений 1 и 2 элементарной струйки или потока идеальной жидкости, имеет вид

(4.1)

где z – вертикальные координаты центров тяжести сечений или удельная энергия положения;

p /(ρ g) –пьезометрическая высота, или удельная энергия давления;

υ²/(2 g) – скоростная высота (напор), или удельная кинетическая энергия;

H – полный напор, или полная удельная энергия жидкости.

Рис.18. Графическая иллюстрация уравнения Бернулли для потока реальной жидкости

Потерянная энергия или потерянный напор обозначаются и имеют также линейную размерность.

Уравнение Бернулли для реальной жидкости будет иметь вид:

(4.2)

где υ_ср – средняя по сечению скорость, равная υ_cp= Q/А;

α – коэффициент Кориолиса, учитывающий неравномерность распре-деления скоростей по сечениям и равный отношению действительной ки-нетической энергии, потока к кинетической энергии того же потока, но при равномерном распределении скоростей;

Σ h – суммарная потеря полного напора между сечениями 1 и 2.

С помощью уравнения Бернулли решается большинство задач практической гидравлики. Для этого выбирают два сечения по длине потока, таким образом, чтобы для одного из них были известны величины Р, ρ, g, а для другого сечения одна или величины подлежали определению. При двух неизвестных для второго сечения используют уравнение постоянства расхода жидкости υ₁ω ₁ = υ₂ω₂.

Величина потерь напора (удельной энергии) определяется многими факторами: площадью поперечного сечения и длиной трубопровода, шероховатостью его внутренней поверхности, наличием местных сопротивлений, скоростью и режимом течения, вязкостью жидкости.

Различают два вида гидравлических потерь напора: местные потери и потери на трение по длине:

= h_лин + h_мест (4.3)

Рис.19. Гидравлические потери по длине(а)и местные(б,в,г)

Местные потери напора происходят в так называемых местных гидравлических сопротивлениях, т. е. в местах изменения формы и размеров русла, где поток так или иначе деформируется — расширяется, сужается, искривляется — или имеет место более сложная деформация.

Где ζ_м – безразмерный коэффициент местного сопротивления.

Местные потери выражаются формулой Вейсбаха:

∆hм = ξυ²/2q. (4.4)

Потери напора по длине определяются общей формулой Дарси:

∆рл = λℓ/d ·υ²/2q. (4.5)

Для определения потерь давления используются формулы:

∆рм = ξρυ²/2, (4.6)

∆рл = λℓ/d ·ρυ²/2. (4.7)

Два режима течения жидкости

Течение реальной жидкости характеризуется различными режимами ее движения, которые могут переходить один в другой при определенных условиях. Экспериментальные исследования гидравлических сопротивлений показывают, что потери напора (потери энергии) зависят от существующего в потоке режима движения.

Существование двух принципиально разных режимов движения жидкости было отмечено Г. Хагеном в 1839 и 1854 г г. В 1880 г. Д. И. Менделеев также высказал суждение о существовании двух режимов движения жидкости вследствие различия законов сопротивления движению. Позже английский физик О. Рейнольдс, а затем профессор Петербургского технологического института Н. П. Петров экспериментально подтвердили наличие двух режимов.

При изучении течения всевозможных капельных жидкостей с различными физическими свойствами. Рейнольдс установил, что движение бывает ламинарным и турбулентным.

«Ламинарный» происходит от латинского слова lamina - слой. Ламинарным называется такой режим, когда поток жидкости движется отдельными струйками или слоями и траектории отдельных частиц между собой не пересекаются. В практике ламинарный режим имеет место при движении жидкостей с большой вязкостью (нефти, смазочных масел), при движении воды через тонкие трубки, в трубопроводах при малых скоростях потока.

«Турбулентный» происходит от латинского слова turbulentus - беспорядочный. Турбулентным называется такой режим, когда струйность потока нарушается, все струйки перемешиваются и траектории движущихся частиц приобретают сложную форму, пересекаясь между собой.

В практике чаще всего имеет место турбулентный режим движения жидкости.

Рис. 20.

Установка Рейнольдса для исследования режимов движения жидкости пред ста влена на рис. 27. Сосуд А заполняется испытуемой жидкостью. К сосуду А в нижней его части присоединена стеклянная трубка 1 с краном 2, которым регулируется скорость течения в трубке. Над сосудом А расположен сосуд сраствором краски, от которого отходит трубка скраном. По мере открытия крана увеличивается скорость движения и режим движения переходит в турбулентный, при этом струйка приобретает волнообразный характер, а при еще большей скорости совсем размывается и смешивается с жидкостью в трубке. При постепенном закрытии крана эти явления протекают в обратном порядке, т. е. турбулентный режим сменяется ламинарным.

Опыты показали, что переход от турбулентного режима к ламинарному происходит при определенной скорости (эта скорость называется критической),которая различна для разных жидкостей и диаметров труб; при этом критическая скорость растет с увеличением вязкости жидкости и с уменьшением диаметра труб.

Рейнольдсом и рядом других ученых опытным путем было установлено, что признаком режима движения является некоторое безразмерное число, учитывающее основные характеристики потока

, (4.8)

где – скорость, м/сек; R - гидравлический радиус, м; v - кинематический коэффициент вязкости, м2/сек.

Это отношение называется числом Рейнолъдса. Значение числа Re, при котором турбулентный режим переходит в ламинарный, называют критическим числом Рейнолъдса ReKp.

Если фактическое значение числа Re, вычисленного по формуле (82), будет больше критического Re > ReKp – режим движения турбулентный, когда Re < ReKp – режим ламинарный.

Для напорного движения в цилиндрических трубах удобнее число Рейнольдса определять по отношению к диаметру d, т. е.

, (4.9)

где d – диаметр трубы.

В этом случае ReKp получается равным ~2300. Если в формуле (…) для трубопроводов круглого сечения d выразить через гидравлический радиус ,то получим Re _Kp = 575. Для других трубопроводов и каналов некруглых сечений можно принимать значение критического числа Рейнольдса Re_Kp = 300 (при вычислении Re через гидравлический радиус).

Что способствует осуществлению желаний? Стопроцентная, непоколебимая уверенность в своем...

Живите по правилу: МАЛО ЛИ ЧТО НА СВЕТЕ СУЩЕСТВУЕТ? Я неслучайно подчеркиваю, что место в голове ограничено, а информации вокруг много, и что ваше право...

Что будет с Землей, если ось ее сместится на 6666 км? Что будет с Землей? - задался я вопросом...

Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычис­лить, когда этот...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: