Гидродинамика. Основные определения.

Основным объектом изучения в гидродинамике является поток жидкости, т. е. движение массы жидкости между ограничивающими поверхностями. Движущей силой потока является разность давлений.

Различают два вида движения жидкости: установившееся и неустановившееся. Установившимся называют такое движение, при котором скорость жидкости в любой точке занятого ею про­странства не изменяется с течением времени. При неустановившем­ся движении скорость жидкости изменяется по величине или на­правлению с течением времени.

Жи­вым сечением потока называется сечение в пределах потока, нор­мальное к направлению движения жидкости.

Средняя скорость v представляет собой отношение объемного расхода жидкости (V) к площади живого сечения потока (S)

v=V/S (1.9)

или

V = vS. (1.10)

Массовый расход жидкости

М= ρvS, (1.11)

Где ρ— плотность жидкости.

Массовая скорость жидкости

W=ρv. (1.12)

Различают безнапорные (свободные) и напорные потоки. Безна­порным называют поток, имеющий свободную поверхность, напри­мер поток воды в канале, реке. Напорный поток, например поток воды в водопроводной трубе, не имеет свободной поверхности и занимает все живое сечение канала.

Под гидравлическим радиусом R_г (м) понимают отношение площади живого сечения потока к смоченному периметру проводного канала

R_г=S/P, (1.13)

где S — площадь живого сечения жидкости, м²; Р — смоченный периметр канала, м.

Эквивалентный диаметр равен диаметру гипотетического (пред­положительного) трубопровода круглого сечения, для которого отношение площади А к смоченному периметру Р то же, что и для данного трубопровода круглого сечения, т. е.

d_э=d=4R_г=4А/Р. (1.14)

Ламинарное и турбулентное движения жидкости

Экспериментально установлено, что в природе существуют два различных вида движения потока — ламинарное (слоистое, упоря­доченное), при котором отдельные слои жидкости скользят друг относительно друга, и турбулентное (неупорядоченное), когда частицы жидкости движутся по сложным, все время изменяющимся траекториям.

Вследствие этого затрата энергии на турбулентное движение потока больше, чем на ламинарное. Интенсивность пуль­саций служит мерой турбулентности потока. Пульсационные ско­рости, являющиеся отклонениями мгновенной скорости от среднего значения скорости потока, можно разложить на отдельные состав­ляющие ∆v_x, ∆v_y и ∆v_z, которые и характеризуют турбулентность потока.

Согласно рисунку, осредненная

скорость потока

v=v± ∆v,

Величину ν_т называют турбулентной вязкостью, которая в отличие от обычной вязкости не является свойством самой жидкости, а зависит от параметров потока — скорости жидкости, расстояние от стенки трубы и др.

Основываясь на результатах опытов, Рейнольдс установил, что режим движения жидкости зависит от скорости потока, плотности и вязкости жидкости, диаметра трубы. Эти величины входят в без­размерный комплекс — критерий Рейнольдса Re=vdρ/ŋ.

Переход от ламинарного режима движения к турбулентному происходит при критическом значении критерия Re_Kp. Значение Re_KP характерно для каждой группы процессов. Например, лами­нарный режим при движении потока в прямой трубе наблюдается при Re≤2300. Развитый турбулентный режим наступает при Re>10⁴. Для движения жидкости в змеевиках Re_Kp=f(i/D), для пе­ремешивания Re_KP≈50, осаждения — 0,2 и т. д.