Типы потоков жидкости

Совокупность элементарных струек жидкости представляет собой поток жидкости. Различают следующие типы потоков (или типы движений жидкости).

Н апорные потоки (напорные движения) -  это такие, когда поток ограничен твердыми стенками со всех сторон, при этом в любой точке потока давление отличается от атмосферного обычно в большую сторону, но может быть и меньше атмосферного. Движение в этом случае происходит за счёт напора, создаваемого, например, насосом или водонапорной башней. Давление вдоль напорного потока обычно переменное. Такое движение имеет место во всех гидроприводах технологического оборудования, водопроводах, отопительных системах и т.п.

Б езнапорные потоки (безнапорные движения) отличаются тем, что поток имеет свободную поверхность, находящуюся под атмосферным давлением. Безнапорное движение происходит под действием сил тяжести самого потока жидкости. Давление в таких потоках примерно одинаково и отличается от атмосферного только за счет глубины потока. Примером такого движения может быть течение воды в реке, канале, ручье.

С вободная струя не имеет твёрдых стенок. Движение происходит под действием сил инерции и веса жидкости. Давление в таком потоке практически равно атмосферному. Пример свободной струи – вытекание жидкости из шланга, крана и т.п.

Гидравлические характеристики потока жидкости

Рассмотрим следующие характеристики потока, применяемые в гидравлике.

Ж ивым сечением потока называется поверхность (поперечное сечение), нормальная ко всем линиям тока, его пересекающим, и лежащая внутри потока жидкости. Площадь живого сечения обозначается буквой S. Для элементарной струйки жидкости используют понятие живого сечения элементарной струйки (сечение струйки, перпендикулярное линиям тока), площадь которого обозначают через dS. В общем случае живое сечение представляет собой криволинейную поверхность. Например, при движении в конически расходящейся трубе живое сечение представляет собой криволинейную поверхность АВС.

Смоченный периметр потока – линия, по которой жидкость соприкасается с твердыми стенками (со стенками русла) в данном живом сечении. Длина этой линии обозначается буквой . В напорных потоках смоченный периметр совпадает с геометрическим периметром (периметром живого сечения), так как поток жидкости соприкасается со всеми твёрдыми стенками. При безнапорном движении часть периметра поперечного сечения, соответствующая свободной поверхности, при подсчете смоченного периметра не учитывается.

Гидравлическим радиусом R потока называется отношение площади живого сечения S к смоченному периметру :

.

П ри напорном движении в трубе круглого сечения гидравлический радиус будет равен:

,

т.е. четверти диаметра, или половине радиуса трубы.

Для безнапорного потока прямоугольного сечения с размерами гидравлический радиус можно вычислить по ф ормуле:

.

Расход потока жидкости (расход жидкости) – количество жидкости, протекающей в единицу времени через живое сечение потока.

Различают объёмный, массовый и весовой расходы жидкости.

Объёмный расход жидкости это объём жидкости, протекающей в единицу времени через живое сечение потока. Объёмный расход жидкости измеряется обычно в м³/с, дм³/с или л/с. Он вычисляется по формуле:

,

где V - объём жидкости, протекающий через живое сечение потока за время t.

Массовый расход жидкости это масса жидкости, протекающей в единицу времени через живое сечение потока. Массовый расход измеряется в кг/с и определяется по формуле:

,

где М - масса жидкости, протекающий через живое сечение потока за время t.

Весовой расход жидкости это вес жидкости, протекающей в единицу времени через живое сечение потока. Весовой расход измеряется в Н/с и вычисляется так:

,

где G - масса жидкости, протекающий через живое сечение потока за время t.

Связь между расходами:

.

Чаще всего используется объёмный расход потока жидкости. С учётом того, что поток складывается из элементарных струек, то и расход потока складывается из расходов элементарных струек жидкости dQ.

Пусть dV – объем жидкости, проходящий через живое сечение за время dt. Имеет место:

,

где l – расстояние, которое прошло живое сечение за время dt.

Расход элементарной струйки dQ – объем жидкости, проходящей через живое сечение струйки dS в единицу времени. Таким образом:

.

Это уравнение называется уравнением расхода элементарной струйки.

Если последнее выражение проинтегрировать по площади живого сечения потока можно получить формулу объёмного расхода жидкости, как сумму расходов элементарных струек:

.

Применение этой формулы в расчетах весьма затруднительно, так как расходы элементарных струек жидкости в различных точках живого сечения потока различны. Поэтому в практике для определения расхода чаще пользуются понятием средней скорости потока.

С редняя скорость потока жидкости v в данном сечении это не существующая в действительности скорость потока, одинаковая для всех точек данного живого сечения, с которой должна была бы двигаться жидкость, что бы её расход был равен фактическому. Таким образом:

.

Тогда средняя скорость вычисляется по формуле:

.

Если движение жидкости установившееся и одновременно с этим размеры и форма сечений вдоль потока, а также направление движения не меняются, то движение называется равномерным. Например, движение жидкости в трубе постоянного диаметра без изменения направления течения при постоянном расходе. Линии тока равномерного течения параллельны, поэтому его называют параллельно струйным.

Если по длине потока изменяется его поперечное сечение или направление потока, то движение называется неравномерным, например, движение жидкости в трубе переменного сечения.

Плавно изменяющимся движением называется движение жидкости, при котором кривизной линий тока и углом расхождения между ними можно пренебречь. в противном случае движение называют резко изменяющимся.

Живое сечение плавно изменяющегося движения можно считать плоским и принять гидростатический закон изменения давления в нем.