Гидродинамика

Гидродинамика – раздел гидравлики, в котором изучаются закономерности движения несжимаемых жидкостей и их воздействие на обтекаемые ими твердые тела.

Методами гидродинамики изучается так же и движущийся газ, когда его скорость движения существенно меньше скорости звука в этом газе, то есть сжимаемость газа не играет значительной роли.

Поток жидкости

Непрерывное движение большого количества жидкости, характеризующееся направлениями в каждой своей точки.

Напорное движение жидкости

Движение, при котором поток жидкости по всей длине окружен твердыми поверхностями (не имеет свободной поверхности).

Безнапорное движение жидкости

Движение жидкости со свободной поверхностью по всей длине потока.

Местная скорость и её составляющие

Местная скорость – скорость движения жидких частиц в данный момент времени в той или другой неподвижной точке пространства, заполненного движущейся жидкостью.

Местная скорость обозначается V и определяется как

V= ,

где V_x – продольная составляющая;

V_y и V_z – поперечные составляющие местной скорости.

Поле скоростей

Широкая совокупность местных скоростей в данный момент времени в пространстве, заполненном движущейся жидкостью.

Поле давлений

Широкая совокупность давлений в данный момент времени в пространстве, заполненном движущейся жидкостью.

Установившееся и неустановившееся движение жидкости

Установившимся называется движение, если взаимосвязанные между собой поле скоростей и поле давлений потока жидкостей остаются неизменными во времени, а неустановившимся, если они непрерывно изменяются.

Линия тока

Линией тока называется кривая, проведенная через точки в движущейся жидкости таким образом, что векторы скоростей жидких частиц, находящихся в данный момент времени в этих точках, являются к ней касательными.

Трубка тока и элементарная трубка тока

Поверхность, образованная линиями тока, проведенными через каждую точку замкнутого контура конечной длины, называются трубкой тока, а через замкнутый контур бесконечно малой длины – элементарной трубкой тока.

Элементарная струйка жидкости

Элементарная струйка представляет собой часть движущейся жидкости, ограниченную элементарной трубкой тока.

Сечение потока

Сечением потока (или живым сечением потока) называется поверхность, лежащая внутри потока и нормальная ко всем линиям тока.

Смоченный периметр

Линия соприкосновения жидкости с твердыми стенками (со стенками русла) в данном живом сечении.

Гидравлический радиус

Параметр живого сечения потока, величина которого равна отношению площади живого сечения к длине смоченного периметра.

Гидравлический радиус обозначается R _г, выражается в метрах (м) и вычисляется по формуле: R_г = .

Гидравлический диаметр

Условная величина, равная учетверенной величине гидравлического радиуса.

Гидравлический диаметр обозначается D_г, выражается в метрах (м) и определяется как D _г =4 R _г.

Расход жидкости

Расходом жидкости называют количество жидкости, проходящее в единицу времени через сечение потока.

Объемный расход жидкости

Объемным расходом называют количество жидкости в единицах объема, проходящей в единицу времени через сечение потока.

Объемный расход жидкости обозначают и выражают в метрах кубических в секунду (м³/с).

Массовый расход жидкости

Массовый расход жидкости это количество жидкости в единицах массы, проходящей в единицу времени через сечение потока.

Массовый расход обозначают , единица его измерения кг/с. Массовый и объемный расходы жидкости взаимосвязаны: .

Уравнение расхода несжимаемой жидкости

Уравнением расхода несжимаемой жидкости (или уравнением неразрывности Леонардо Да Винчи) называют взаимосвязь = const, выражающая закон сохранения массы вещества для установившегося течения несжимаемой жидкости в канале с водонепроницаемыми стенками.

Средняя скорость

Воображаемая скорость движения жидких частиц (для них одна и та же в данном сечении), обеспечивающая тот же объемный расход, что и действительное неравномерное распределение местных скоростей в данном сечении.

Средняя скорость в сечении потока обозначается буквой и определяется по формуле:

,

где – объемный расход;

– площадь сечения потока жидкости.

Число Рейнольдса

Безразмерное выражение, являющееся характеристикой потока жидкости:

где – средняя скорость;

d – внутренний диаметр;

– кинематический коэффициент вязкости.

По физическому смыслу число Рейнольдса есть мера отношения конвективных сил инерции F_кон.ин (направленных поперёк потока) к силам внутреннего трения T (направленным вдоль потока).

Используется как один из критериев динамического подобия потоков жидкости.

Критическое число Рейнольдса

Критическое число Рейнольдса (или расчетное критическое число Рейнольдса) – это то его числовое значение, при котором разрушается ламинарное течение.

Критическое число Рейнольдса обозначается Re _кр, для круглых труб условились считать Re _кр = 2320.

Ламинарный режим движения (ламинарное течение)

Движение (течение) жидкости, при котором жидкие частицы перемещаются по траекториям вдоль общего течения без поперечного перемешивания.

Турбулентный режим движения (турбулентное течение)

Движение (течение) жидкости, при котором жидкие частицы перемещаются по случайным, неопределенно искривленным траекториям, имеет место постоянное перемешивание жидкости, причем это движение характеризуется наличием пульсации, как местных скоростей, так и давления.

Осредненная местная скорость

Воображаемая продольная (по отношению к потоку) местная скорость, величина которой для данной неподвижной точки пространства, занятого турбулентным потоком, устанавливается как среднее во времени значение пульсирующей продольной актуальной скорости в рассматриваемой точке.

Обозначается , выражается в метрах в секунду (м/с).

Вязкий подслой

Вязкий подслой (или ламинарный подслой) – тонкий слой ламинарно движущейся жидкости, возникающий у стенок русла при турбулентном движении.

Шероховатость трубы

Бугорки или выступы на внутренней поверхности трубы, влияющие на величину путевых потерь напора при турбулентном движении.

Гидравлически гладкая труба

Трубопровод с движущейся жидкостью, в котором выступы шероховатости погружены в вязкий подслой и обтекаются без отрывов и вихреобразований.

Гидравлически шероховатая труба

Трубопровод с движущейся жидкостью, в котором выступы шероховатости не покрываются полностью вязким подслоем, а вклиниваются в турбулентную зону.

Коэффициент кинетической энергии

Коэффициент кинетической энергии (или коэффициент Кориолиса) –это коэффициент, учитывающий отличие кинетической энергии в сечении потока, вычисленной по средней скорости, от значения, вычисленного по действительному распределению местных скоростей.

Обозначается , размерности не имеет.

Скоростной напор

Кинетическая энергия жидких частиц, отнесенная к единице их веса.

Для потока идеальной жидкости это / (2g), для несжимаемой вязкой жидкости учитывается коэффициент Кориолиса, то есть / (2g).

Уравнение Бернулли для идеальной жидкости

Уравнение Бернулли для идеальной жидкости – это выражение вида

z + = const.

Оно представляет закон сохранения и превращения энергии, как для потока, так и для струйки идеальной жидкости.

Полный гидродинамический напор

Полный гидродинамический напор есть не что иное, как полная механическая энергия жидких частиц, отнесенная к единице их веса.

Полный гидродинамический напор обозначается через Н и определяется в сечении потока идеальной жидкости как

В сечении потока несжимаемой вязкой жидкости:

Уравнение Бернулли для несжимаемой вязкой жидкости

Уравнение вида

выражающее закон сохранения и превращения энергии, называют уравнением Бернулли для несжимаемой вязкой жидкости.

Здесь – полная потеря напора между сечениями потока 1-1 и 2-2.

Эжекция

Под эжекцией понимают подсасывание и увлечение жидкости, которая окружает транзитную струю.

Транзитная струя образована рабочей жидкостью, движущейся с большей скоростью.

Сифон

Самотечная труба, часть которой расположена выше горизонта жидкости в резервуаре (или водоеме), питающем эту трубу.

Потеря напора на трение по длине

Потеря напора на трение по длине (путевая потеря напора) – это снижение полного гидродинамического напора в трубопроводе (русле), равномерно распределенное по длине потока и обусловленное работой сил внутреннего трения (сил вязкости).

Путевую потерю напора обозначают .

Местная потеря напора

Местная потеря напора (или потеря напора на местном сопротивлении) – снижение полного гидродинамического напора, наблюдаемое в отдельных местах потока, где поток претерпевает ту или другую резкую местную деформацию.

Каждую отдельную местную потерю напора обозначают h_M.

Полная потеря напора

Обусловленное вязкостью снижение полного гидродинамического напора на определенном участке гидромагистрали, определяемое как сумма потерь напора на трение по длине и на всех местных сопротивлениях.

Полная потеря напора между сечения потока 1-1 и 2-2 обозначается
.

Эквивалентная шероховатость

Воображаемая равномерная шероховатость, которая обеспечивает те же путевые потери напора в трубопроводах, что и реальная неравномерная (техническая) шероховатость.

Эквивалентная шероховатость обозначается и имеет размерность длины. Она зависит от материала и способа изготовления труб, а также от продолжительности эксплуатации труб, в процессе которой могут возникнуть коррозия стенок или инкрустации (образование нароста на стенках).

Относительная эквивалентная шероховатость

Относительная эквивалентная шероховатость – это безразмерный параметр, определяемый как отношение эквивалентной шероховатости к внутреннему диаметру трубопровода: .

Гидравлический коэффициент трения

Гидравлический коэффициент трения (или коэффициент Дарси) – безразмерный коэффициент пропорциональности в формуле Дарси-Вейсбаха, зависящий в самом общем случае от относительной эквивалентной шероховатости и числа Рейнольдса.

Гидравлический коэффициент трения обозначается .

Область гидравлического сопротивления

Область соответствующего графика, отвечающая сочетанию параметров потока жидкости, при которых имеет место вполне определенная зависимость путевой потери напора от числа Рейнольдса и относительной эквивалентной шероховатости.

Коэффициент местного сопротивления

Коэффициент пропорциональности в формуле Вейсбаха, выражающей взаимосвязь между местной потерей напора и скоростным напором в трубопроводе.

Коэффициент местного сопротивления обозначается В общем случае он зависит от вида местного сопротивления и числа Рейнольдса потока жидкости.

Напорный трубопровод

Трубопровод, работающий полными сечениями при отсутствии свободной поверхности.

Простой трубопровод

Напорный трубопровод постоянного внутреннего диаметра, выполненный по длине из одного и того же материала без ответвлений.

Потребный напор

Разность удельной потенциальной энергии давления в начальном и конечном сечении трубопровода, необходимая для обеспечения заданного объемного расхода жидкости при принятых условиях ее напорного движения

(перепад уровней, длина, внутренний диаметр трубы и т.д.).

Потребный напор обозначается через H _п, тогда H _п = .

Кривая потребного напора

График зависимости потребного напора от объёмного расхода жидкости в трубопроводе.

Характеристика трубопровода

График зависимости полной потери напора от объемного расхода жидкости в трубопроводе.

Струя

Струёй называют поток жидкости, ограниченный со всех сторон газообразной или жидкой средой.

Гидравлический удар в трубах

Гидравлический удар – явление резкого изменения и последующего колебания давления в напорном трубопроводе при внезапном изменении скорости движения капельной жидкости, связанное с быстрым закрытием или открытием задвижки (крана, клапана и т.п.), быстрым остановом или пуском гидродвигателя (или насоса).

В указанных случаях при уменьшении или увеличении скорости движения жидкости давление перед запорным устройством резко увеличивается (положительный гидравлический удар) или уменьшается (отрицательный гидравлический удар).

Прямой и непрямой гидравлический удар

Гидравлический удар считается прямым, если закрытие задвижки происходит достаточно быстро: время закрытия задвижки меньше фазы гидравлического удара (t_закр.< Т). При непрямом гидравлическом ударе торможение жидкости происходит при менее быстром срабатывании запорного устройства (t_закр.> Т).

Фаза гидравлического удара

Время, в течение которого ударная волна проходит путь, равный двойной длине трубопровода.

Фаза гидравлического удара обозначается Т и выражается в секундах (с).

Кавитация

Кавитацией называется разрыв сплошного потока жидкости, то есть образование в ней паровых и газовых пузырьков в зонах понижения давления.

Насадка

Насадка (или насадок) – короткий патрубок, подсоединяемый к отверстию с целью изменения параметров истечения.

Подобные потоки жидкости

Подобными называют такие потоки жидкости, у которых каждая характеризующая их физическая величина находится для любых сходственных точек в одинаковом отношении.

Дата добавления: 2015-06-04