Элементарная струйка поток жидкости живое сечение реферат

Обновлено: 02.07.2024

На рис. 4.30 отмечены все напоры, входящие в уравнение Бернулли. В частности, ясно, что пьезометрический напор в узком сечении уменьшается, а скоростной напор возрастает. Максимальная потеря напора имеет место в третьем сечении (, потери на трение и в местных сопротивлениях см. в гл. 6). Существенно большее значение, а для ламинарного режима течения по сравнению с турбулентным объясняется большей… Читать ещё >

Уравнение Бернулли для элементарной струйки реальной жидкости ( реферат , курсовая , диплом , контрольная )

В идеальной жидкости, в отличие от реальной, отсутствуют силы внутреннего трения (отсутствует вязкость). Благодаря вязкости в реальной жидкости происходят потери механической энергии потока на трение внутри жидкости и о стенки канала. При этом происходит рассеивание (диссипация) энергии. Энергия, потерянная на трение, превращается в теплоту и идет на пополнение запаса внутренней энергии жидкости, а часть ее отводится в виде тепла через стенки канала.

Внутренняя энергия жидкости не может быть непосредственно использована для приведения жидкости в движение и поэтому в гидравлике рассматривается как потеря механической энергии (потеря напора).

Для реальной жидкости равенство нарушается, и вместо него имеем , где - потеря напора на участке 1−2. Тогда для элементарной струйки реальной жидкости уравнение Бернулли примет вид.

Таким образом, полный напор вдоль струйки реальной жидкости уменьшается. Для характеристики относительного изменения полного напора на единицу длины вводится понятие о гидравлическом уклоне.

Например, на участке трубопровода 1−2 (см. рис. 4.26).

где l1−2 — длина участка 1−2.

Таким образом, гидравлическим уклоном называется отношение потери напора к длине, на которой она происходит.

Кроме того, вводится еще понятие о пьезометрическом уклоне

Пьезометрический уклон может быть положительным, равным нулю и отрицательным.

Уравнение Бернулли для потока реальной жидкости

Применение уравнения Бернулли, выведенного для отдельной струйки, для потока жидкости затрудняется неравномерностью распределения скоростей по живому сечению потока, наличием поперечных составляющих продольной скорости и влиянием центробежных сил. В связи с этим необходимо установить характеристику потоков, для которых можно применять уравнение Бернулли, а также предложить способ учета неравномерности скоростей в живых сечениях потока.

Для решения этих вопросов в гидравлике выделяется так называемое плавно изменяющееся движение (рис. 4.27, 4.28), которое характеризуется следующими особенностями.

Рис. 4.27. Схема плавно изменяющегося движения.

Рис. 4.28. Схема криволинейного плавно изменяющегося движения.

1. Угол расхождения соседних струек, а следовательно, и поперечные составляющие скоростей в живых сечениях потока настолько малы, что ими можно пренебречь и рассматривать течение как происходящее только с продольной скоростью.
2. Кривизна линий тока настолько мала, а радиусы закруглений настолько велики, что центробежными силами в таких потоках можно пренебречь.
3. Кривизна живых сечений при неравномерном распределении скорости настолько невелика, что их можно рассматривать как плоские.
4. Гидродинамическое давление в живых сечениях распределяется по законам гидростатики, т. е. сумма для всех точек данного живого сечения. Следовательно, уровень в пьезометрах при плавно изменяющемся движении во всех точках живого сечения потока будет одним и тем же (рис. 4.29).

Рис. 4.29. Схема к определению величины гидродинамического давления.

В случае плавноизменяющегося движения уравнение Бернулли для элементарной струйки можно распространить и на поток с поперечным сечением конечных размеров, скорости в различных точках которого различны. Однако в гидравлике обычно расчеты ведутся по средним скоростям. Для приведения результатов расчетов по средним скоростям в соответствие с расчетами по действительным скоростям вводятся некоторые поправочные коэффициенты (коэффициент Кориолиса, см. ниже).

Таким образом, плавно изменяющееся движение можно считать практически одномерным, т. е. положить , направив ось х параллельно потоку. Отсюда . Отсюда из уравнения неразрывности . Тогда система уравнений Навье — Стокса примет вид.

Производные от скорости по переменным у и z означают, что скорость изменяется по этим переменным, тогда как

Последние два уравнения переходят в уравнения гидростатики Эйлера, а это означает, что в плоскости yOz давления распределяются по закону гидростатики.

Распространим уравнение Бернулли для элементарной струйки реальной жидкости в виде.

(4.22).

на поток реальной жидкости.

Правая и левая части этого уравнения есть удельная энергия жидкости, т. е. энергия, отнесенная к единице веса. Весовой расход элементарной струйки определяется по формуле.

где - сечение элементарной струйки; - объемный расход.

Для того чтобы получить подобные соотношения мощностей для всего потока.

необходимо произвести интегрирование:

(4.23).

Преобразуем эти интегралы:

Так как при плавноизменяющемся движении то во всех точках данного сечения и .

Запишем третье слагаемое в левой части соотношения (4.23) в виде.

т. е. выразим его как произведение некоторого коэффициента, а на скоростной напор, подсчитанный по средней скорости потока й, и на весовой расход жидкости

Коэффициент, а называют коэффициентом кинетической энергии потока, или коэффициентом Кориолиса. Таким образом, а представляет отношение кинетической энергии потока к кинетической энергии, вычисленной в предположении, что скорости всех точек живого сечения потока равны средней скорости потока:

(4.24).

Кроме того, из формулы (4.24) следует.

Отсюда заключаем, что коэффициент, а характеризует неравномерность распределения скоростей по сечению потока. Для ламинарного режима , для турбулентного режима

Существенно большее значение, а для ламинарного режима течения по сравнению с турбулентным объясняется большей неравномерностью скорости в поперечном сечении потока при ламинарном режиме (см. профили скоростей ламинарного и турбулентного режимов течения, приведенные на рис. 6.17).

Последний интеграл в соотношении (4.23) будет равен.

Тогда уравнение Бернулли для потока примет вид.

Поделив на весовой расход жидкости G = ?Q обе части уравнения, получим соотношение для удельных энергий потока.

Обычно для упрощения гидравлических расчетов трубопроводов для турбулентных потоков принимают , и уравнение Бернулли для потока будет иметь вид.

Рассмотрим распределение напоров в жидкости, движущейся в трубопроводе, имеющем сужение в средней его части (рис. 4.30). Выделим три характерных сечения, в которых расположим пьезометры и трубки Пито (описание трубок см. в параграфе 4.14).

На рис. 4.30 при течении жидкости в трубопроводе могут быть выделены следующие характерные линии:

I — линия геометрических напоров;

II — пьезометрическая линия;

III — линия полного напора.

Рис. 4.30. Графическая иллюстрация уравнения Бернулли.

Через обозначены потери напора соответственно на участках между первым и вторым, а также вторым и третьим сечениями.

Применительно к рис. 4.30 уравнение Бернулли запишется в виде.

Через любую точку Апотока (рис.3.3) всегда можно провести линию, в каждой точке которой вектор местной скорости в данный момент времени направлен по касательной к ней.

Линией тока называется линия, в каждой точке которой вектор скорости в данный момент времени направлен по касательной. Это понятие является центральным в методе Эйлера.

Рис. 3.3. Линия тока и траектория частицы жидкости

Траекториейназывается путь, который описывает точка при своём движении. При установившемся движении линия тока и траектория частицы совпадают. В общем случае неустановившегося движения в следующий момент времени через ту же точку А может проходить уже другая линия тока.

Вектор скорости с компонентами касателен к линии тока, т.е. совпадает по направлению с элементами линии тока , имеющего проекции на оси координат. Воспользуемся известным условием параллельности двух векторов – их проекции на оси координат должны быть пропорциональны друг другу

Полученное условие является уравнением линии тока в дифференциальной форме.

В частном случае при установившемся движении каждая линия тока сохраняет своё положение в пространстве и одновременно становится линией, по которой перемещаются частицы, т.е. совпадает с траекторией.

Элементарной струйкой называется совокупность линий тока, проходящих через все точки бесконечно малой площадки (рис.3.4).

Рис.3.4. Элементарная струйка и трубка тока

При установившемся движении элементарная струйка сохраняет с течением времени постоянными свою форму, размеры и положение в пространстве, что является следствием аналогичного свойства составляющих её линий тока.

При стремлении поперечных размеров струйки к нулю она в пределе стягивается в линию тока.

Боковая поверхность элементарной струйкиназываетсятрубкой тока(рис.3.4). Трубка тока, таким образом, является как бы непроницаемой стенкой, а элементарная струйка представляет собой самостоятельный элементарный поток.

В случае установившегося движения элементарная струйка обладает следующими тремя свойствами:

1) Форма элементарной стройки не меняется во времени, т.к. при установившемся движении не меняется форма линий тока;

2) Поверхность элементарной струйки (трубки тока) непроницаема, т.е. перетекание через боковые стенки отсутствует. Частицы жидкости, движущиеся в одной линии тока, не могут принадлежать другим;

3) Скорость и давление для всех точек данного поперечного сечения струйки постоянны, однако вдоль струйки эти величины могут меняться.

Таким образом, при установившемся движении элементарная струйка сохраняет с течением времени постоянными свою форму, размеры и положение в пространстве. Массообмен через боковую поверхность исключён, и движение жидкости возможно только вдоль элементарной струйки.

Если учесть несжимаемость жидкости, то получим следствие, лежащее в основе одного из центральных положений гидравлики, – уравнение неразрывности: объём жидкости, прошедший через любое поперечное сечение с площадью за время , должен равняться объёму жидкости, прошедшему через любое другое сечение с площадью за то же время.

Невыполнение сформулированного условия привело бы к изменению массы жидкости между двумя сечениями, что противоречит свойствам принятой модели жидкости как несжимаемой среды.

Трубкой тока называется трубчатая поверхность бесконечно малого поперечного сечения, образованная системой линий тока, проходящих через точки бесконечно малого замкнутого контура (рис. 3.4).

Жидкость, протекающая внутри этой трубки, называется элементарной струйкой. Элементарная струйка изолирована от окружающей массы жидкости. Очевидно, жидкость не может протекать через боковую поверхность трубки тока, так как на ней u_n = 0. Совокупность элементарных струек представляет собой поток конечных размеров. Струйная модель потока

жидкости упрощает теоретические исследования движения жидкости. Основные свойства элементарной струйки:

1. Скорость и площади сечений элементарной струйки могут меняться вдоль струйки, скорости же в пределах одного сечения элементарной струйки вследствие малости площадки одинаковы.

2. Жидкость не может протекать через боковую поверхность элементарной струйки, так как на основании определения линии тока в любой точке поверхности элементарной струйки скорость направлена по касательной к поверхности.

Объем жидкости, проходящей в единицу времени через данное поперечное сечение струйки, называется элементарным расходом. За время dt (рис. 3.5) все частицы из сечения 1-1 переместятся на расстояние ds = udt в сечении 1’–1’. Здесь u – скорость движения частиц. Объем жидкости между сечениями

Расход потока Q - объем жидкости V, протекающей за единицу времени t через живое сечение ω.

За единицу времени проходит количество жидкости в объеме, равном:

Единица измерения м3/с. Массовый расход dG = dQρ = ρudω, кг/с. Весовой расход dGg = dGg = ρgudω, Н/с.

Гидравлические элементы потока.

Смоченный периметр - часть периметра, на котором поток соприкасается с твердыми стенками.

Живым сечением потока ω называется поперечное сечение потока, нормальное к направлению движения и ограниченное его внешним контуром.

Площадь живого сечения - площадь плоского поперечного сечения нормального к направлению движения.

Смоченным периметром χ называется длина контура живого сечения, на которой жидкость соприкасается с твердыми стенками.

Гидравлическим радиусом называется отношение площади живого сечения потока ω к смоченному периметру χ:

Для круглого сечения R = π r2 / (2 π r) = r / 2 = d / 4.

Средняя скорость потока и расход.

Поток представляет собой совокупность элементарных струек (рис. 3.6).

Из рис. видно, что скорость в отдельных струйках различна.

Расход потока Q равен сумме расходов элементарных струек, т.е.

Скорость движения потока характеризуется средней скоростью в данном поперечном сечении: или уравнение расхода Q = Vω. Средняя скорость потока υ - скорость движения жидкости, определяющаяся отношением расхода жидкости Q к площади живого сечения ω

Поскольку скорость движения различных частиц жидкости отличается друг от друга, поэтому скорость движения и усредняется. В круглой трубе, например, скорость на оси трубы максимальна, тогда как у стенок трубы она равна нулю.

Уравнение неразрывности.

Для двух сечений 1–1 и 2–2 элементарной струйки в установившемся движении (рис.3.7) можно записать: и

Видно, что dQ₁>dQ₂ по условию несжимаемости и dQ₁

Сумма 3 высот: нивелирной, пьезометрической и скоростного напора называется гидродинамическим напором Н, который сохраняется в идеальной жидкости постоянным на всей длине элементарной струйки.

Часть потока, заключенная внутри трубки тока, называется элементарной струйкой. Поток Ж – представляет собой совокупность элементарных струек.

Живым сечением – сечение потока Ж, перпендикулярное направлению скорости ее сечения. При плавно изменяющемся движении Ж сечение считается плоским и равным площади поперечного сечения потока ().

Площадь живого сечения S= dS

Расход потока Q - объем жидкости V, протекающей за единицу времени t через живое сечение ω.

Средняя скорость потока υ - скорость движения жидкости, определяющаяся отношением расхода жидкости Q к площади живого сечения ω

Гидравлический радиус потока R - отношение живого сечения к смоченному периметру Смоченный периметр χ ("хи") - часть периметра живого сечения, ограниченное твердыми стенками.

16) Уравнение неразрывности. Понятие расхода.

Течение жидкости называют стационарным, если в каждой точке пространства, занимаемого жидкостью, ее скорость с течением времени не изменяется.Жидкости практически несжимаемы, т. е. можно считать, что данная масса жидкости всегда имеет неизменный объем. Поэтому одинаковость объемов жидкости, проходящих через разные сечения трубы, означает, что скорость течения жидкости зависит от сечения трубы. Пусть скорости стационарного течения жидкости через сечения трубы S₁ и S₂ равны соответственно v₁ и v₂. Объем жидкости, протекающей за промежуток времени t через сечение S₁, равен V₁=S₁v₁t, а объем жидкости, протекающей за то же время через сечение S2, равен V₂=S₂v₂t. Из равенства V₁=V₂ следует, что уравнением неразрывности. Из него следует, что Следовательно, при стационарном течении жидкости скорости движения ее частиц через разные поперечные сечения трубы обратно пропорциональны площадям этих сечений.

Расходом называется количество жидкости, протекающее через живое течение потока (струйки) в единицу времени. Различают объёмный Q (м 3 /с), весовой Q_G(Н/с) и массовый Q_m(кг/с) расходы.

;

17) Распределение сил в сплошной среде. Объемные и поверхностные силы.

Внешние силы: массовые (объемные) и поверхностные.

Массовые силы в соответствии со вторым законом Ньютона пропорциональны массе жидкости или, для однородной жидкости, — ее объему. К ним относятся сила тяжести и сила инерции переносного движения.

Поверхностные силы непрерывно распределены по поверхности жидкости и при равномерном их распределении пропорциональны площади этой поверхности.

Массовые силы относят к единице массы, а поверхностные к единице площади

Сплошна́я среда́ — механическая система, обладающая бесконечным числом внутренних степеней свободы. Её движение в пространстве, в отличие от других механических систем, описывается не координатами и скоростями отдельных частиц, а скалярным полем плотности и векторным полем скоростей.

Если плотность сплошной среды постулируется равной константе, то такая сплошная среда называется несжимаемой.

18) Уравнение Бернулли для установившегося движения жидкости.

Напорная линия – линия показывающая изменение гидродинамического напора Ж по длине потока

Линия, соединяющая уровни Ж в пьезометрах наз-ся пьезометрической линией

Отметим, что в такой записи члены уравнения выражают удельную энергию, отнесенную к весу (Mg = G).

Как и в гидростатике, величину z называют высотой положения, а величину p/gρ - пьезометрической высотой.

Сумма первых двух членов уравнения z + p/gρ - пьезометрический напор.

Третий член уравнения u 2 /2g линейная величина. Как известно, начавшаяся двигаться вертикально со скоростью u при отсутствии сопротивления движению, поднялась бы на высоту u 2 /2g. Этот член уравнения Бернулли называется скоростной высотой или скоростным напором.

Читайте также: