14. Понятие потока жидкости. Расход жидкости. Гидравлические элементы потока.

Потоком жидкости в гидравлике называют движущуюся массу жидкости, ограниченную направляющими твердыми поверхностями, поверхностями раздела жидкостей или свободными поверхностями. В зависимости от характера и сочетания ограничивающих поток поверхностей потоки делятся на безнапорные, напорные потоки и гидравлические струи.

Расход. Средняя скорость. Объемное количество жидкости, проходящей через живое сечение потока в единицу времени, называется расходом потока в данном сечении или просто расходом. Расход потока равен сумме расходов элементарных струек, составляющих поток:

. (3.25)

Важной характеристикой потока является средняя скорость потока в данном сечении, представляющая собой частное от деления расхода на площадь живого сечения  потока:

. (3.26)

К гидравлическим элементам потока относятся:

1. Живое сечение.

2. Скорости.

3. Расход.

4. Смоченный периметр.

5. Гидравлический радиус.

Живым сечением потока называется поверхность, которая нормальна в каждой своей точке к соответствующей линии тока. В гидравлике обычно за живое сечение принимают часть плоскости, ограниченную руслом, нормальную к направлению средней скорости потока. Площадь живого сечения обозначается через ω, для элементарной струйки – dω.

Скорости в различных точках живого сечения потока неодинаковы. Скорость в какой-либо точке потока называется местной или локальной скоростью. Если она определена в некоторый момент времени, то она называется мгновенной, а если представляет собой среднее значение из нескольких мгновенных скоростей, то она называется осредненной (по времени) местной скоростью U. Для потока вводится понятие так называемой средней скорости V.

Расходом потока называют количество жидкости, протекающее через данное живое сечение в одну секунду. Это количество жидкости можно измерить в единицах объема, веса или массы, в связи с чем различают расходы объемный Q, весовой Q_в и массовый Q_m.

Для элементарной струйки объемный расход dQ будет равен объему цилиндра высотой U и площадью основания dω:

dQ = Udω (м³/c) ,

гдеU – скорость в живом сечении струйки;

dω – площадь сечения струйки.

Весовой расход:

dQ_в = γdQ (кг/с) (н/с)

Массовый расход:

dQ_m = ρdQ (кг·с/м) (кг/с)

Расход для целого потока равен сумме элементарных расходов по всему живому сечению: Q^o =   .

В этом выражении скорости U_i меняются в плоскости живого сечения: у границ потока она меньше и больше вдали от них. Поэтому вместо различных скоростей по сечению вводят среднюю скорость V и формула примет вид: Q = Vω.

На практике обычно расход определяется экспериментально, а из выражения находится средняя скорость потока в данном сечении:

Смоченным периметром называется длина линии, с ограничивающими ее твердыми стенками. Свободная поверхность в смоченный периметр не входит. Обозначается он буквой  (м).

Гидравлический радиус представляет собой отношение площади живого сечения потока к смоченному периметру:

 .

Для трубопроводов круглого сечения (полностью заполненных) имеем:

ω = πr² ;  = 2πr ;

R =  ;   ,

где d – внутренний диаметр трубопровода.