1.3. Гидродинамика

Характеристики движения жидкости. Гидродинамика, изучая закономерности движения, решает три задачи: внутреннюю, внешнюю и смешанную.

Внутренняя задача связана с анализом движения жидкостей внутри труб и каналов.

Внешняя  изучает закономерности обтекания жидкостями различных тел (при механическом перемешивании, осаждении твердых частиц в жидкости и т. п.).

Смешанная  решается при движении жидкости через зернистый слой твердого материала, когда она перемещается как внутри каналов сложной формы, так и одновременно обтекает твердые частицы. Такие условия наблюдаются в процессах фильтрования, массопередачи в аппаратах с насадками, сушки и т. д. Анализ движения жидкостей в случаях такой смешанной задачи гидродинамики проводят приближенно, сводя его к решению внутренней или внешней задачи.

Движущей силой при течении жидкостей является разность давлений, которая создается с помощью насосов или компрессоров, либо вследствие разности уровней или плотностей жидкости.

Знание законов гидродинамики позволяет находить разность давлений, необходимую для перемещения данного количества жидкости с требуемой скоростью, а значит, и расход энергии на это перемещение, или наоборот  определять скорость и расход жидкости при известном перепаде давления.

Классификация видов движения жидкости. Классификация осуществляется по нескольким признакам.

1. По зависимости скорости от координат и времени движения делятся на установившиеся и неустановившиеся (стационарные и нестационарные).

Неустановившееся движение  это такое движение, когда параметры движущейся жидкости в различных точках занимаемого ею пространства изменяются с течением времени. Для такого движения скорость, например, может быть функцией всех трех координат и обязательно зависит от времени . Подчеркнем, что для неустановившегося движения зависимость параметров от всех трех координат не обязательна. Они могут изменяться вдоль двух или даже одной координаты. Обязательной же является зависимость от времени. Движение жидкости, характеризующиеся соотношениями , также является неустановившимся.

Примером неустановившегося движения может служить течение жидкости в трубе, соединяющей бак с атмосферой, при естественном опорожнении бака. С течением времени скорость жидкости будет уменьшаться, а когда вся жидкость вытечет, движение вообще прекратится.

Установившееся движение  это такое движение, когда параметры движущейся жидкости в различных точках пространства с течением времени не изменяются. Для такого движения скорость, например, является функцией только координат, и не зависит от времени .

Примером установившегося движения может служить также течение жидкости в трубе, соединяющей бак с атмосферой, но в том случае, когда в бак подводится жидкость в количестве, равном количеству жидкости, вытекающей из трубы в атмосферу.

2. Установившееся движение может быть равномерным и неравномерным.

Равномерным движением называется такое, при котором скорости частиц жидкости в сходственных точках двух смежных сечений равны между собой (u = idem). Неравномерным  при котором скорости частиц жидкости в сходственных точках двух смежных сечений не равны между собой (u = var). Неравномерное движение в зависимости от характера изменения сечения трубопровода делится на плавноизменяющееся и резкоизменяющееся.

Примером равномерного движения является течение жидкости с постоянным расходом в прямой трубе постоянного диаметра на участке, расположенном достаточно далеко от входа в трубу. Если сечение трубопровода по длине будет изменяться, то движение в нем будет установившимся неравномерным.

По наличию вращательного движения частиц жидкости движения делятся на безвихревые (вращение отсутствует)  потенциальные и вихревые. Среди вихревых движений имеет место частный случай  винтовое движение, при котором вектор угловой скорости совпадает с направлением вектора линейной скорости в данной точке. Движение жидкой частицы отличается от движения абсолютно твердой частицы. Твердая частица может двигаться или поступательно (хотя бы и непрямолинейно), или вращательно, или поступательно с вращением, но ее форма при этом сохраняется неизменной.

Жидкая частица, сохраняя свой объем (если жидкость несжимаемая), может в своем движении, кроме того, и деформироваться. В общем случае она осуществляет все три вида движения, потому движение жидкой частицы можно разложить на поступательное, вращательное и деформационное  теорема Коши-Гельмгольца.

В частном случае, если в пространстве, в котором находится данная частица, скорости во всех точках равны между собой и параллельны друг другу, ее движение поступательное.