4. Гидромеханические процессы

4.1. Основные понятия гидромеханики

Архимеда закон – закон гидро- и аэростатики, согласно которому на тело, погруженное в жидкость (или газ), действует выталкивающая сила, направленная вертикально вверх и численно равная весу жидкости (газу), вытесненной телом, и приложенная в центре тяжести объема погруженной части тела.

Аэродинамика (от греч. аēr – воздух и dýnamis – сила), раздел гидроаэромеханики, в котором изучаются законы движения воздуха (или др. газов) и силы, на поверхности тел, относительно которых происходит его движение.

Гидравлика (греч. Hydraulikós – водяной, от hýdrõr – вода и aulós – трубка) – наука о законах движения и равновесия жидкости и способах приложения этих законов к решению задач инженерной практики; прикладная гидромеханика.

Гидродинамика (от гидро… и динамика) – раздел гидромеханики, в к-ром изучаются движение несжимаемых жидкостей и их воздействие на обтекаемые ими твёрдые тела. Прикладная Г. рассматривает три основные задачи: - внутреннюю, внешнюю и смешанную.. Исходными уравнениямиями, описывающими движение жидкости в этих задачах является уравнение Бернулли, уравнениение неразрывности потока и формулы для определения потерь напора.

Гидромеханика (от греч. Hýdrõr – вода и механика) – раздел механики, в котором изучается движение практически несжимаемых жидкостей. Соответственно подразделяется на гидродинамику и гидростатику. Часто под термином гидромеханика подразумевается гидроаэромеханика в целом.

Гидростатика (от греч. hýdrõr – вода и статика) – раздел гидроаэромеханики, в к-ром изучается равновесие жидкости и покоящейся жидкости на погруженные в неё тела. Одна из осн. задач Г. – изучение распределения давления жидкости. Зная распределение давления, можно на основании законов гидростатики рассчитать силы, действующие со стороны покоящейся жидкости на стенки и дно сосуда, на стену бассейна или плотины и т.п. На законах гидростатики, в частности основано действие гидравлического пресса (з-н Паскаля) жидкостного манометра, сифона и мн. др. Один из законов гидростатики з-н Архимеда определяет величины выталкивающей силы, действующей на тело, погружённое в жидкость или газ.

Гидростатики основное уравнение: (р/g)+z=соnst – выводится из дифференциального уравнения равновесия Эйлера.

Первый член уравнения (р/g) представляет собой статический (или пьезометрический) напор, характеризующий удельную потенциальную энергию жидкости (энергию, приходящуюся на единицу веса жидкости. Второй член уравнения (z) – так называемый геометрический напор.

Из уравнения следует, что сумма статического и геометрического напоров (в м) для поверхности любого уровня – величина постоянная. Уранение выражает полный гидростатический напор.

Гидростатическое давление – давление, возникающее внутри жидкости в результате действия поверхностных и массовых (объемных) сил.

Независомо от положения некоторой условно выделенной площадки А внутри объема покоящейся жидкости, в данной точке объема жидкость будет давить на нее с некоторой силой Р, направленной по нормали. Отношение Р/А представляет собой среднее гидростатическое давлениев (р) в данной точке:

р=lim_А Р/А

Гидрстатическое давление в данной точке одинаково по всем направлениям, что и обуславливает равновесие жидкости.

Гидростатичекое прессование – способ формования изделий сложной формы, при котором давление на деформируемую заготовку передаётся жидкостью (вода, масло, расплавленные соли и др.) через эластичную перегородку; - способ обработки металлов и др. материалов давлением через жидкие среды (вода, масло, расплавл. стекло, лёгкоплавкие металлы).

Гидростатический парадокс – заключается в том, что вес жидкости, налитой в сосуд, может отличаться от силы давления, оказываемой ею на дно сосуда. В цилиндрическом сосуде обе силы одинаковы. В расширяющихся кверху сосудах сила давления на дно меньше веса жидкости, а в суживающихся – больше. Если одна и та же жидкость налита до одной и той же высоты в сосуды разной формы, но с одинаковой площадью дна, то несмотря на различный вес налитой жидкости, сила давления на дно сосудов одинакова и равна весу жидкости в цилиндрическом сосуде. (См. рис. 2.1.).

Р₁

р

р

р₁

a а а

Рис. 4.1. Изменение давления жидкости на дно в зависимости формы сосудов

Это заключение следует из того, что давление покоящейся в сосуде жидкости зависит только от двух факторов:  глубины под свободной поверхностью и от плотности жидкости. Объясняется этот парадокс тем, что поскольку гидравлическое давление р всегда нормально к стенкам сосуда, сила давления на наклонные стенки имеет вертикальную составляющую р₁, которая компенсирует излиший вес в расширяющемя сосуде и недостающий вес в сужающемся сосуде. Гидростатический пародокс обнаружен французским учёным Б.Паскалем в 1654 году.

Живое сечение – поперечное сечение потока или "затопленное" сечение трубопровода.

Задача гидродинамики (внутренняя) – изучает движение жидкости по трубам и каналам, основными параметрами которого являются напор, скорость потока и режим его течения, связанные с условиями течения жидкости.

Задача гидродиамики (внешняя) – изучает течение жидкости, движение твёрдого тела в этой жидкости и обтекание жидкостью твёрдых тел.

Задача гидродиамики (смешанная) – движение жидкостей через зернистые слои и пористые тела.

˝Кипящий слой˝ – взвешенное состояние зернистого слоя, образующееся в результате прохождения сквозь него вертикального потока газа (жидкости) со скоростью, при которой сила потока уравновешивается силой тяжести твёрдых частиц слоя. В таком слое твёрдые частицы интенсивно перемещаются в потоке в различных направлениях, и весь слой напоминает кипящую жидкость, ограниченную ясно выраженной верхней границей раздела с потоком уже прошедшим сквозь зернистый слой. Другими словами, К.с. – промежуточное состояние зернистого слоя между процессом фильтрации потока, когда зернистый слой остаётся неподвижным и процессом разрушения его проходящим потоком и уносом твёрдых частиц слоя.

Ламинарное течение (от лат. lamina – лист, пластинка, полоска) – упорядоченное течение вязкой жидкости (или газа), характеризующийся отсуствием смешивания соседних слоёв. Л.т. наблюдается в тонких (капиллярных) трубках, в пограничных слоях при пермешивании жидких сред и малых скоростях движения потоков во многих гидромеханических процессах.

Напор (в гидравлике) – линейная величина, выражающая удельную (отнесённую к ед. веса) механич. энергию потока жидкости в данной точке.

Напор температурный – средняя разность температур теплоносителей – является движущей силой теплообмена.

Неразрывности потока уравнение – одно из ур-ний механики сплошных сред, выражающее з-н сохранения массы для любого объёма движущейся жидкости (газа).

. При стационарном движении по трубопроводу υS = соnst, где S – площадь произвольного поперечногосечения трубопровода, а υ – скорость жидкости в этом сечении.

Нестационарное движение в гидродинамике – движение жидкости или газа, характеризуемое переменностью во времени полей скорости и давления. Н.д. являются напр., турбулентное течение, движение, возбуждаемое ударной волны и др.

Паскаля закон – закон гидростатики, согласно к-рому давление на поверхности жидкости, проиведённое внеш. силами, передаётся жидкостью одинаково во всех направлениях. Установлен франц. учёным Б. Паскалем в 1663 г. П.з. имеет большое значение для техники, напр. он используется в работе гидравлического пресса.

Пограничный слой – тонкий слой движущейся жидкости (газа) у поверхности обтекаемого твердого тела. Скорость у поверхности твердого тела стремится к нулю, а на на внешнй границе слоя приближается к скорости основного потока. Тонина пограничного слоя зависит от вязкости жидкости.

Поток – направленное движение газа, жидкости и других текучих сред. Различают ламинарные и турбулентные потоки.

Расход (в гидравлике) – количество жидкости, протекающей через поперечное сечение потока в единицу времени. Различают объёмный Р. (Q) в м³/с или м³/ч и массовый (М) в кг/с или кг/ч, и т.д.

Q = v S; М =ρ S v,

где v – скорость потка, м/с; S – живое сечение потока, м²; ρ – плотность жидкости, кг/м³.

Срыв потока – явление, возникающее при начальной скорости движения потока при горизонтальном перемещении сыпучих смесей с помощью энергии сжатого воздуха. С.п. является одним из факторов определяющих подъёмную силу потока в пневмотранспорте.