Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
ПОДЗЕМНАЯ ГИДРОМЕХАНИКА.pdf
Скачиваний:
103
Добавлен:
31.08.2019
Размер:
20.69 Mб
Скачать

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

26

безнапорное (движение в каналах) – поток имеет свободную поверхность, заполненную газом;

струйное (струя из насадки) – поток жидкости ограниченный поверхностями разрыва скоростей.

1.2.4. Гидравлические элементы потока

Поток движущейся жидкости рассматривается как совокупность элементарных струек.

Потоки жидкости в общем случае являются трехмерными (объемными). Более простыми являются двухмерные плоские потоки и одномерные осевые. В гидравлике преимущественно рассматриваются одномерные потоки.

Живое сечение ω 2) – поверхность в пределах потока нормальная в каждой своей точке к проходящей через нее линии тока. При равномерном или плавно изменяющемся движении, живое сечение является плоским и равно площади поперечного сечения потока.

Смоченный периметр χ (м) – длина контура живого сечения по твердым стенкам русла. Для круглого сечения χ = πd.

Гидравлический радиус R (м) – отношение площади живого сечения к смоченному периметру.

R = ω/χ.

(2.6)

Для круглого сечения

 

 

R = (πd2)/(4πd) = d/4.

(2.7)

Объем жидкости W, проходящей через живое сечение в единицу времени t,

называют объемным расходом

3/с).

 

Q = W/t

(2.8)

Различают еще массовый расход, который связан с объемным выражением

Qm = ρQ

(кг/с)

(2.9)

Скорость жидкости в точке u является отношением расхода элементарной струйки dQ, проходящей через данную точку, к живому сечению струйки

 

u = dQ/dω (м/с).

(2.10)

Для потока жидкости скорости частиц по живому сечению различны. В этом случае скорость жидкости усредняют, и все задачи решают относительно

средней скорости:

 

(2.11)

Q = dQ = u dω =υω,

ω

ω

 

где υ - средняя скорость потока, равная Q/ω.

1.2.5. Уравнение неразрывности и постоянства расхода жидкости

Уравнение неразрывности является математическим выражением закона сохранения массы и принципа непрерывности в гидромеханике.

Выделим в области, занятой движущейся жидкостью неподвижный бесконечно малый параллелепипед, у которого ребра dx;dy;dz параллельны соот-

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

27

ветствующим осям координат. Допустим, что через три грани параллелепипеда жидкость входит в него, а через другие – выходит.

Масса жидкости, входящей в грань АВКЕ за время dt равна:

ρUxdtdydz,

а выходящей через грань DCGH

ρU x + x (ρU x )dx dtdydz

Аналогично через грани ADHE входит

ρUydtdxdz,

а через грань BCGK выходит

ρU y + y (ρU y )dy dtdxdz .

Аналогично через грань ABCD входит масса жидкости

ρUzdtdxdy,

а через грань EKGH выходит

ρU z + z (ρU z )dz dtdxdz

(2.12)

(2.13)

(2.14)

(2.15)

(2.16)

(2.17)

Количество жидкости, накапливающейся в параллелепипеде, будет равно разнице между входящими и выходящими массами через соответствующие грани:

в направлении OX

 

 

 

 

(2.18)

 

ρU x +

 

(ρU x )dx dtdydz ρU x dtdydz =

 

(ρU x )dtdxdydz;

x

x

 

 

 

 

 

в направлении OY

 

(ρU y )dtdxdydz

(2.19)

 

y

 

 

 

в направлении OZ

 

 

 

(ρU z )dtdxdydz

(2.20)

 

z

 

 

 

Складывая (2.18) – (2.20) найдем общее количество жидкости, накапливающееся в параллелепипеде за время dt:

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

28

 

 

 

 

 

 

 

(ρU x ) +

 

(ρU y ) +

 

(ρU z ) dtdxdydz .

(2.21)

x

y

t

 

 

 

 

 

Изменение массы жидкости в объеме параллелепипеда возможно только в связи с изменением плотности жидкости, т. е.

ρdxdydz (ρ +

ρ

dt)dxdydz = −

ρ

dxdydzdt

(2.22)

 

 

 

t

t

 

Приравнивая (3.21) и (3.22) получаем:

x (ρU x ) + y (ρU y ) + z (ρU z ) = − ρt ,

или

ρ

+

(ρU x ) +

(ρU y ) +

(ρU z ) = 0 .

(2.23)

t

x

y

z

 

 

 

 

 

Уравнение (2.23) является дифференциальным уравнением неразрывности движения жидкости при переменной плотности.

Для несжимаемой жидкости (ρ=const) уравнение неразрывности будет иметь вид:

 

U

x

 

+

 

U y

+

U

z

 

= 0 .

 

 

 

(2.24)

 

x

 

 

 

 

y

 

z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Если движение установившееся, то

 

ρ

 

 

= 0 и из (3.23) получаем

 

 

t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(ρU

x

)

+

(ρU y )

+

(ρU

z

)

= 0 .

(2.25)

 

x

 

 

 

 

 

y

 

 

z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для установившегося плоского течения уравнение (2.25) примет вид:

 

U

x

+

U y

= 0 .

(2.26)

 

x

 

 

y

 

 

 

 

 

 

Для установившегося одномерного потока из (2.25) получаем:

 

 

U x

 

= 0 .

 

(2.27)

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Умножая уравнение (2.27) на ωdx и интегрируя, получаем:

Q = ω

U x

dx =

ωdU x .

(2.28)

 

 

x

 

 

Интеграл dU x дает постоянную в потоке среднюю скорость, которую мы

обозначаем V. Отсюда

 

(2.29)

Q = ωdU = ωV

 

Уравнение (2.29) представляет собой гидравлическое уравнение постоянства расходов. Это уравнение показывает, что при установившемся движении, несмотря на изменение средних скоростей и площадей живых сечений по длине потока, расход в нем остается постоянным.

Из уравнения (2.29) вытекает следующая зависимость

V1

=

ω2

(2.30)

V

2

 

ω

 

 

 

1

 

т. е. средние скорости обратно пропорциональны площадям соответствующих живых сечений.