6311

Основные законы гидродинамики

Реферат

Физика

Основные законы гидродинамики 1. Уравнение неразрывности Рассмотрим установившийся поток жидкости между живыми сечениями 1 и 2(рис.1). За единицу времени через живое сечение 1 втекает в рассматриваемую часть 1-2 объем жидкости Рис.1 Q1...

Русский

2012-12-31

350 KB

126 чел.

Основные законы гидродинамики

1. Уравнение неразрывности

Рассмотрим установившийся поток жидкости между живыми сечениями 1 и 2 (рис.1). За единицу времени через живое сечение 1 втекает в рассматриваемую часть 1-2 объем жидкости

Рис.1

Q1 =  v1ω1

где ω1 - площадь   живого   сечения  1;

      v1 - средняя скорость  в том же сечении.

Через живое сечение 2 за то же время вытекает объем жидкости

Q2 =  v2ω2

где ω2 - площадь живого сечения 2;

       v2 - средняя скорость в том же сечении.  

Поскольку форма части 1-2 с течением времени не меняется, жидкость несжимаема и в ней невозможно образование пустот, объем втекающей жидкости Q1 должен равняться объему вытекающей жидкости Q2. Поэтому можно написать

v1ω1=  v2ω2     (1)

Это уравнение называется уравнением неразрывности. Из уравнения (1) легко находим

v1 / v2=  ω2 /ω1  (2)

т. е. средние скорости обратно пропорциональны площадям соответствующих живых сечений.

2. Уравнение Даниила Бернулли для частицы жидкости

Пусть частица жидкости (рис. 2) движется от точки 1 в сечении А-А до точки 2 в сечении В-В. Подсчитаем удельную энергию, которой обладает частица в точках 1 и 2. Обозначим u1, p1  скорость частицы и давление в точке

1 с координатой zl а u2, р2 — скорость частицы и давление в точке 2 с координатой z2. При этих обозначениях для частицы в сечении А-А:

z1 - удельная энергия положения;  p1/ρg  - удельная энергия давления;

 u21 /2g  - удельная кинетическая энергия.

Рис.2.

Для частицы в сечении В-В:

z2 - удельная энергия положения;  p2/ρg  - удельная энергия давления;

u22 /2g -удельная кинетическая энергия.

Полная удельная энергия частицы в   сечении   А-А, очевидно, равна

z1+ p1/ρg  + u21 /2g                         (3)

а в сечении В-В

z2+ p2/ρg  + u22 /2g                      (4)

Для частицы идеальной жидкости полная удельная энергия остаётся постоянной величиной.   Для частицы реальной жидкости трехчлен (3) больше трехчлена (4), так как на пути 1-2 часть энергии израсходуется на преодоление различных сопротивлений. Эта часть удельной энергии называется потерей напора  и обозначается буквой h1-2. Тогда на основании закона о сохранении энергии можно написать

z1+ p1/ρg  + u21 /2g= z2+ p2/ρg  + u22 /2g+ h1-2    (5)

Уравнение (5) называется уравнением Даниила Бернулли для частицы жидкости.  Все члены этого уравнения имеют размерность длины, и поэтому его можно изобразить графически (рис 2). Откладывая в каждой точке отрезка 1o-2o оси А последовательно координаты частицы жидкости z, высоты p/ρg и скоростные высоты u2/2g, получим линии 1-2, 1'-2' и 1''-2''. Линия 1-2 - это траектория движения частицы жидкости, линия 1'-2', называемая пьезометрической линией,  показывает  изменение удельной потенциальной энергии z + p/ρg,   а линия 1''-2'' - изменение полной удельной энергии частицы и носит название линии энергии. Все эти линии в общем
случае будут кривыми, причем линия энергии может только
опускаться, так как энергия в направлении движения
уменьшается.

Проведя горизонтальную прямую 1''-2''', получим для сечения В-В отрезок 2"-2'",который равен потере напора h1-2 на пути 1-2, а вертикальные отрезки между прямой 1"-2'" и линией энергии 1''-2''  представляют собой потери напора на участке от сечения А-А до рассматриваемого сечения.

В заключение отметим, что величины z + p/ρg и u2/2g можно измерить, поставив пьезометр П и изогнутую трубку П' (рис.2). В пьезометре П жидкость поднимается до пьезометрической линии, а в трубке П' - до линии энергии. Разность уровней в П и П' даст величину u2/2g.

3. Уравнение Даниила Бернулли для потока

Уравнение Даниила Бернулли легко распространить и на поток жидкости (рис. 3) при условии, что в живых сечениях, для которых применено это уравнение, движение плавноизменяющееся.

Рассмотрим напорный поток 1-2 (рис. 3). Пусть жидкость движется от живого сечения 1 до живого сечения 2, а площади этих живых сечений равны ω1 и ω2. Подсчитаем полную удельную энергию потока для сечения 1.

Рис.3

Удельная потенциальная энергия жидкости во всех точках сечения 1-2 величина постоянная и равна вертикальному расстоянию от плоскости сравнения X (рис. 3) до свободной поверхности (до уровня) жидкости в пьезометре. Удельную потенциальную энергию жидкости для сечения 1   обозначим   z1+ p1/ρg .

Удельная кинетическая энергия жидкости, протекающей через живое сечение, может быть выражена через среднюю скорость при условии введения некоторого коэффициента. Этот коэффициент в гидравлике обозначается а и  называется коэффициентом    Кориолиса. Следовательно,   удельная  кинетическая энергия  для сечения     равна  α1v21/2g.

Таким образом, полная удельная энергия для сечения 1 составляет

z1+ p1/ρg+ α1v21/2g                  (6)

Совершенно аналогично для сечения 2 полная удельная энергия равна

z2+ p2/ρg+ α2v22/2g                 (7)

Для потока идеальной жидкости полная удельная энергия потока остаётся неизменной.  Для реальной жидкости трехчлен (6) больше трехчлена (7), так как на пути от сечения 1 до сечения 2 часть энергии израсходуется на преодоление различных сопротивлений. Обозначая потерянную удельную энергию (потерю напора) буквой h1-2 можем написать

z1+ p1/ρg+ α1v21/2g= z2+ p2/ρg+ α2v22/2g+ h1-2             (8)

Уравнение (8) называется уравнением Даниила   Бернулли   для   потока. Коэффициент Кориолиса α, представляющий собой отношение действительной кинетической энергии к кинетической энергии, вычисленной при условии движения всех частиц в сечении с одной и той же скоростью. Опыты показывают,  что α обычно  изменяется в пределах от 1,03 до 1,1.

Поскольку коэффициент α  близок к единице, то очень часто полагают α = 1, и тогда уравнение Бернулли для потока принимает вид

z1+ p1/ρg+ v21/2g= z2+ p2/ρg+ v22/2g+ h1-2             (9)

Следует отметить, что удельная потенциальная энергия z + p/ρg равна расстоянию от плоскости сравнения X до уровня жидкости в пьезометре только в том случае, когда давление в сечении изменяется по гидростатическому закону. Если же давление в сечении изменяется не по гидростатическому закону, то удельная потенциальная энергия не равна расстоянию от плоскости сравнения до уровня жидкости в пьезометре. Так, например, если давление по всему живому сечению равно барометрическому (для всех точек живого сечения манометрическое давление р = 0), то в этом случае удельная потенциальная энергия равна удельной энергии положения, т. е. расстоянию от плоскости сравнения до центра тяжести потока. Для потока (рис. 3), так же как и для частицы, линия, показывающая изменение удельной потенциальной энергии z + p/ρg называется пьезометрической линией, а линия, показывающая изменение полной удельной энергии, - линией энергии.

4.  Уклоны гидравлический и пьезометрический

Падение линии энергии на единицу длины потока называется гидравлическим уклоном и обозначается i. Падение пьезометрической линии на единицу длины потока называется пьезометрическим уклоном.   Обозначим пьезометрический уклон iп.В частном случае, при равномерном движении (рис.4), каждый участок потока находится в одинаковых условиях, и  поэтому   линия   энергии   и  пьезометрическая   линия прямые. Кроме того, при равномерном движении скорость  потока во всех живых сечениях постоянна, поэтому линия энергии будет параллельна пьезометрической линии и пойдет выше ее на  v2/2g.

Рис.4

По определению гидравлический уклон при длине потока L выразится формулой

i= h1-2/L=[ (z1+ p1/ρg+ v21/2g)- (z2+ p2/ρg+ v22/2g)]/L      (10)

 По определению пьезометрический уклон:

iп=[ (z1+ p1/ρg)- (z2+ p2/ρg)]/L

Кроме того, так как при равномерном движении пьезометрическая линия и линия энергии параллельны, то

i = in


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

80441. Последовательные регулировочные трансформаторы (Вольтодобавочные трансформаторы) 32.6 KB
  Причинами, вызывающими колебания напряжения в электрической сети, являются: недостаток энергетической мощности, неравномерность нагрузки, вызываемая энергоёмкими промышленными комплексами, в первую очередь металлургическими заводами и горнорудными разрабатывающими комплексами...
80442. Урок-аукцион. Деление 52 KB
  Цель: Повторить изученные приемы умножения и деления многозначных чисел Отработать алгоритм деления на двузначное число Прививать навыки самостоятельного мышления и анализа Развивать логическое мышление, внимание, интерес к математике.
80443. Розвиток музики 50.5 KB
  Мета: систематизувати та поглибити знання учнів про прийоми розвитку музики; формувати навички аналізу музичного твору, хорового співу; виховувати інтерес до музичного мистецтва. Обладнання: комп’ютер, проектор, презентація, фортепіано, кольорові картки.
80444. І. Калинець « Про що розповіли незабудки» 142 KB
  Мета: ознайомити учнів з життям і творчістю українського письменника І. Калинця; формувати навички правильного, виразного читання прозових творів, насичених діалогами; розширювати уявлення про добрі вчинки; розвивати уяву, вміння орієнтуватися в тексті казки; виховувати людяність, доброзичливість...
80445. Образ людини у мистецтві. Портрет як жанр мистецтва 7.36 MB
  Мета. Формувати у дітей первинні уявлення про особливості форми та пропорцій голови людини, засоби створення виразного портретного образу. Розвивати увагу, мислення, окомір. Виховувати естетичні смаки, любов то творчості та краси.
80447. Прилітайте, птахи, додому! 194.5 KB
  Загальнопізнавальні цілі: ознайомити дітей з перелітними та зимуючими птахами;повторити вивчений матеріал про цифри, геометричні фігури, множини; удосконалювати навички розв’язування прикладів і задач; розвивати навички усної лічби, уваги, мислення; виховувати любов бережливе ставлення до природи, до птахів.
80449. Шлях до незалежності 38 KB
  Головна мета: ознайомлення учнів з основними державотворчими подіями становлення незалежної України,вмвчення основних засад демократичного та суспільного ладу України,її досягнень за останні роки; закріплення знань про державну символіку (Герб, Прапор, Гімн, Основний Закон України-Конституцію)...