3. Механика течения жидкости

Раздел технической гидромеханики, изучающий законы движения жидкости, называется гидродинамикой.

3.1. Расход жидкости

Потоки жидкости в общем случае являются трехмерными или объемными. Более простыми являются двухмерные и одномерные осевые. В технической гидромеханике рассматриваются одномерные потоки.

Объем жидкости V, проходящей через живое сечение трубопровода в единицу времени t, называют расходом

Q= V/t.

Расход – один из основных параметров технической гидромеханики и гидропривода. Единицей измерения его - м³ /с. Часто в гидроприводе применяют – л/мин.

Средняя скорость движения потока через сечение S

v=Q/S.

3.2. Основные понятия струйчатого движения

Т раекторией жидкой частицы называют кривую линию, кото­рую описывает жидкая частица при движении. При этом жидкой частицей называют такой малый объем жидкости, для которого можно пренебречь изменением его формы.

При решении практических задач предполагают, что поток дви­жущейся жидкости состоит из элементарных струек, не меняющих своей формы, т. е. поток мысленно разбивают на ряд элементарных струек (трубок), как это показано на рис. 3.1. Модель, согласно та­кому предположению, называют струйчатой моделью движения жидкости.

Рассмотрим поток жидкости, находящейся в установившемся Движении (рис. 3.2). В точках 1, 2, 3, ... этого потока, взятых на расстоянии l друг от друга, проведем векторы U₁, U₂, U₃ ..., показы­вающие величину и направление скоростей движения частиц жид­кости в данный момент времени. Касательная кривая, проведенная к векторам движения частиц жидкости и характеризующая направление движения ряда после­довательно расположенных частиц в жидкости в данный момент времени, называется линией тока. В отличие от траектории, кото­рая показывает путь движения одной частицы жидкости за опреде­ленный промежуток времени t, линия тока соединяет разные частицы и дает некоторую мгновенную характеристику движущейся жидкости за время t.

Если в движущейся жидкости выделить бесконечно малый замкнутый контур и через все его точки провести линии тока, соответствующие данному моменту времени, то получится как бы труб­чатая непроницаемая поверхность, называемая трубкой тока. Мас­са жидкости, движущейся внутри трубки тока, образует элемен­тарную струйку.

Элементарная струйка обладает двумя свойствами:

1 ) скорости и площади поперечных сечений струек в одном жи­вом сечении не меняются вследствие их малости;

2) скорости и площади поперечных сечений струек в различных живых сечениях могут меняться, однако произведение скорости v отдельных частиц струйки на площади их поперечного сечения S остаются постоянными (уравнение неразрывности элементарной струйки).

Таким образом, поток жидкости есть совокупность элементар­ных струек, представляющая собой непрерывную массу частиц, движущихся в каком-либо направлении.

3.3. Закон неразрывности потока

Основное уравнение кинематики жидкости – уравнение неразрывности, которое вытекает из условия несжимаемости жидкости и сплошности движения.

Рассмотрим установившееся движение в русле переменного се­чения (рис. 3.3). Выберем два произвольных сечения /—/ и //—//, нормальных к оси потока, и рассмотрим участок потока, заключен­ный между сечениями.

При течении жидкости по трубопроводу переменного сечения без разрывов сплошности масса жидкости, проходящей через любое поперечное сечение канала, должна быть постоянной, т.е.

₁₁v₁= ₂S₂v₂=_i_iv_i=const

где v₁, v₂ — скорости жидкости в сечениях 1 и 2; ₁, ₂ - площади двух поперечных сечений трубопровода; ₁, ₂ - плотности жидкости.

Если пренебречь сжимаемостью жидкости, то ее плотность в любом сечении будет одинакова и

v₁₁= ₂v₂= _iv_i=const,

что выражает закон неразрывности потока.