6. Основы гидродинамики

6.1. Основные положения

Задачи гидродинамики делятся на два основных класса: внутренние и внешние.

К внешним задачам относятся задачи обтекания тела потоками жидкости или газа, или о движении тела в жидкой или газообразной среде. Внешними задачами являются задачи, связанные с полётами самолётов, снарядов и других тел, движущихся в атмосфере.

Внутренние задачи занимаются движением жидкости в каналах. В этот класс задач входят такие, как:

1. течение жидкостей в трубопроводах (водопровод, газои нефтепроводы, кровеносная система, тепло и газоснабжение);

2. течение воды в открытых каналах и реках (ирригационные и осушительные системы, расчёт паводков, судопропускные сооружения и т.д.).

При решении внешней задачи основной акцент делается на определение силового взаимодействия потока и тела. Определение силы, действующей со стороны набегающего потока, или силы сопротивления движению тела в жидкости  цель таких задач. Поэтому при анализе и решении внешних задач, как правило, используются уравнения, выражающие закон изменения количества движения: дифференциальные уравнения Навье  Стокса или Рейнольдса, а также интегральные формы этого закона.

При решении внутренней задачи чаще всего стараются определить потери энергии в потоке жидкости. Здесь используются уравнения, выражающие закон изменения энергии, чаще всего в виде различных форм уравнения Бернулли.

В основе гидродинамики, как части гидромеханики, положены три основных закона механики:

1. Закон сохранения массы;

2. закон изменения количества движения (импульса);

3. закон изменения энергии.

Эти законы формулируются для конечных объёмов (размеры ограничены и оговорены). В МСС используются два подхода к описанию движения сплошной среды: Лагранжев и Эйлеров. Соответственно при Лагранжевом подходе используется движующиеся (материальные, индивидуальные) объемы , состоящая при всех t из одних и тех же частиц, граница которых непроницаема. При втором подходе – неподвижные объемы с проницаемой границей . Далее будем использовать первый подход.

Законы гидродинамики для конечных объёмов часто упрощаются с учётом конкретных условий на поверхностях, ограничивающих данный объём. Такие упрощенные уравнения используются в разделе, называемом гидравликой. По сути, это теоретические основы технической механики жидкости. Они особенно эффективны, когда исследуются интегральные (осреднённые по времени и пространству) гидромеханические характеристики потоков.

В том случае, когда есть необходимость определять гидромеханические характеристики и величины в каждой точке объёма жидкости, используют дифференциальные уравнения. Они тоже являются фундаментальными законами механики, но относятся к точке сплошной среды. Если эти уравнения дополнить каким-либо реологическим законом, то можно определить структуру поля скорости и напряжённое состояние в любой точке потока жидкости.

Практическое использование этих уравнений, в зависимости от изложенных здесь подходов, преобразуется из одного вида в другой с помощью теоремы Остроградского  Гаусса. Так при выводе гидравлических уравнений объёмные интегралы заменяются на поверхностные с тем, чтобы использовать особенности условий на поверхностях, ограничивающих поток, для упрощения уравнений. При выводе дифференциальных уравнений, наоборот, поверхностные интегралы заменяются на объёмные, чтобы можно было исследовать гидромеханические величины в точках внутри потока. При этом условия на границах потока вводятся как граничные или краевые условия для дифференциальных уравнений.