- •А.М. Калякин кинематика
- •А.М. Калякин Кинематика
- •Саратов 2007
- •Введение
- •1. Основные определения. Виды движения
- •1.1. Два метода изучения движения жидкости
- •1.2. Установившееся и неустановившееся движение
- •1.3. Линии тока. Свойство линий тока
- •1.4. Трубка тока. Элементарная струйка
- •1.5. Потоки равномерные и неравномерные,
- •1.6. Пространственные и плоские (двумерные) потоки
- •2. Ускорение жидкой частицы
- •3. Уравнение неразрывности
- •4. Элементы потока
- •5. Уравнение неразрывности для потока
- •6. Средняя скорость.
- •7. Уравнение неразрывности
- •8. Общий характер движения жидкой частицы
- •9. Потенциальное движение
- •9.1. Условия существования потенциального движения. Потенциал скорости
- •9.2. Уравнения Лапласа для потенциала скорости
- •10. Вихревые движения жидкости
- •Дополнительная часть. Д.1. Уравнения линий тока
- •Д.2. Плоские течения
- •Физический смысл функции тока
- •Примеры плоских сечений
- •Постановка задач для решения уравнения Лапласа
- •Первая краевая задача (задача Дирихле)
- •Вторая краевая задача (задача Неймана)
- •Д.3. Вихревая линия и вихревая трубка. Теоремы о вихрях
- •Литература
- •Оглавление
- •10. Вихревые движения жидкости
6. Средняя скорость.
Изменение скорости вдоль потока
Жидкости по-разному взаимодействуют с поверхностью, с которой они соприкасаются. Например, вода прилипает к чистой поверхности стекла или, как говорят, смачивает стекло. Однако та же вода не смачивает стекло, покрытое слоем жира или масла; ртуть не смачивает стекло. Так как обычно используют металлические трубопроводы, а в открытых каналах стенки земляные или бетонные, по которым подают обычные жидкости – воду, жидкие топлива, нефть – везде в дальнейшем считаем, что поверхность трубы смачивается текущей в ней жидкостью. При смачивании тончайший слой жидкости, непосредственно соприкасающейся со стенкой, как бы прилипает к ней и, следовательно, при общем движении жидкости фактически остаётся неподвижным. По этому слою медленно скользит следующий слой, по нему, чуть быстрее, другой слой, по тому, ещё быстрее, третий и т.д. Таким образом, скорость жидкости, по мере перехода от каждого слоя к следующему, нарастает, достигая максимума в центре сечения трубы или на поверхности открытого канала. Такое представление удобно для начального понимания гидравлических закономерностей; в действительности отдельных слоёв жидкости не существует и скорость изменяется непрерывно. Закон изменения скорости по сечению трубы зависит от режима движения и во многих случаях очень сложен. Для решения большинства задач гидравлики достаточно знать среднюю скорость потока однозначно определяющую расход и многие другие гидравлические величины. Для нахожденияусредним скорость по всей площади сечения (т.е. выполним обычную операцию усреднения). При этом средняя скорость определяется так
(6.1)
Из (6.1) следует, что
. (6.2)
Таким образом, средняя скорость определяется как частное величин QиS(в дальнейшембудем обозначать какV)
. (6.3)
Уравнение (5.2) можно теперь записать так
, (6.4)
а уравнение постоянства массового расхода
. (6.5)
Выберем два любых сечения 1 и 2 в потоке, рис. 6.1, тогда для расходовQ1иQ2в них
или
. (6.6)
Если уравнение неразрывности записать для нескольких сечений, то оно будет иметь вид
Рис.
6.1
Пример 6.1.Представим, что поставлена задача определить среднюю скоростьVводы в водопроводной трубе диаметромd= 15 мм при полном открытии крана. Среднюю скорость определим по формуле
и поэтому вначале измерим расход воды объёмным способом. В процессе измерения набрали в мерную ёмкость 2,7 литра за 15 секунд и определили расход по формуле
.
Затем определили среднюю скорость V
Замечание 6.1.Для потока, изображенного на рис.6.1, вопрос «в каком сечении расход больше – в узком или широком?» не имеет смысла, так как расход согласно (6.4) в любом сечении одинаковый, чего нельзя сказать о средней скорости. Очевидно, что еслиQ=const, то и=const: поэтому где площадь сечения больше, там скорость меньше и наоборот.
Замечание 6.2.Зависимости (5.2), (6.4), (6.6) и (6.7) являются различными формами записи уравнения неразрывности для потока и применимы к его осреднённым характеристикам. Равенство (6.6), основываясь на свойстве пропорции, возможно представить так
Из него следует, что отношение средних скоростей обратно пропорционально отношению площадей. Для круглой трубы площадь сечения и поэтому скорости в сечениях относятся обратно пропорционально квадратам диаметров.
Пример 6.2.а) Если диаметр трубы увеличить в 2 раза, то средняя скорость в этом сечении уменьшится в 4 раза; б) если диаметр трубы в данном сечении уменьшить в 3 раза, то средняя скорость в этом сечении увеличится в 9 раз.
Задача 6.1.Определить массовый расход горячей воды в трубопроводе с внутренним диаметром, если известно, что средняя скорость воды, а плотность= 920 кг/м3.
Решение.Массовый расход определяем по формуле
.
Площадь живого сечения равна
окончательно
Задача 6.2.Скоростьв сечении 1 круглой трубы диаметромравна
; найти скоростьв сечении 2 при расширении трубы. Диаметрво втором сечении в 3 раза больше, чем диаметр в сечении 1.
Решение. Расход в обоих сечениях одинаковый и согласно уравнению (5.6) имеем
.
Подставляя в последнее равенство выражения для площади сечения, получим
Рис.
6.2
Последнее равенство можно представить в виде
,
т.е. скорости обратно пропорциональны квадратам диаметров. Подставляя числовые значения, получим окончательно
.