Види руху рідини

Лекція №4

Задача гідродинаміки. Види руху рідини. Способи вивчення руху рідин. Основні поняття і терміни гідродинаміки. Рівняння нерозривності рідини

4.1 Задача гідродинаміки. Види руху рідини. Способи вивчення руху рідин.

Задача гідродинаміки

Рідина розглядається у гідравліці як неперервне середовище, яке цілком заповнює даний простір без утворення порожнин – континуум. Складність врахування сил тертя ускладнює вивчення законів руху рідини. В зв’язку з цим, вивчення цих законів починається на основі нев’язкої (ідеальної) рідини, а потім в отримані залежності вводяться уточнення, які отримані експериментально.

Кінематика рідини розглядає види і форми руху рідини, не торкаючись питання про сили, під дією яких відбувається рух.

Динаміка рідини (або гідродинаміка) вивчає закони руху рідини як результат дії сил. Зовнішні сили, що діють на рідину, вважаються відомими. Шуканими є тиск, швидкість та прискорення руху частинок рідини. Ці величини у загальному випадку залежать від чотирьох змінних – положення точки у просторі з рухомою рідиною (x, y, z) та від часу t. Визначення цих величин і встановлення зв’язку між ними складають основну задачу гідродинаміки.

При вивченні руху рідини розрізняють “внутрішню ” і “зовнішню ” задачі гідравліки. У першому випадку розглядають течію, обмежену жорсткими стінками, тобто вивчають рух рідини у трубах і капілярах. При цьому застосовують метод гідравліки (див. п. 4.2). “Зовнішня ” задача гідравліки розглядається у випадку, коли течія практично безмежна і обтікає тверді тіла.

Потік рідини – це частина нерозривної рухомої рідини, обмеженої твердими стінками (інколи повітряним або рідинним середовищем), які утворюють русло потоку.

Рух рідини, коли тиск і швидкість в даній точці змінюються з часом, називається неусталеним (нестаціонарним). Приклади такого руху: течія у трубопроводі при зміні витрати; витікання рідини крізь отвір у посудині, коли рівень рідини змінюється.

Якщо параметри потоку (тиск, швидкість) в даній точці не змінюються з часом, то такий рух рідини називається усталеним (стаціонарним).

Усталений рух можу бути рівномірним і нерівномірним. При рівномірному русі швидкість потоку є сталою вздовж течії, а при нерівномірному русі ця швидкість змінюється. Рух рідини у трубі сталого перетину при постійній витраті буде рівномірним. Прикладом нерівномірного руху рідини є течія через збіжний (конфузор) або розбіжний (дифузор) патрубки. При цьому, якщо витрата рідини буде сталою, то рух рідини буде нерівномірним усталеним, а якщо змінною – нерівномірним неусталеним.

Повільно змінний – це такий нерівномірний рух рідини, в якому кривизна ліній течії та кут їх розбіжності досить малі, і середня швидкість потоку хоч і незначно, але змінюється по довжині. Розподіл гідродинамічного тиску по живому перерізу такий самий, як і розподіл по гідростатичному закону p = ρ g h. Отже, не важливо в якій точці живого перетину розглядати суму z + p/(ρ g), а має значення до якого перетину відноситься ця сума. Кут розбіжності ліній течії й кривизна кожної струминки незначні, що дає змогу вважати такий рух паралельно-струминним. Незначна кривизна струминок дозволяє нехтувати значенням відцентрових сил.

Рівномірний та нерівномірний рух рідини можуть бути напірним або безнапірним. При напірному русі потік дотикається до стінок русла по всьому периметру свого перетину, і вільної поверхні немає. Прикладом напірного руху є рух води у заповненій трубі. Безнапірним називається рух потоку рідини з вільною поверхнею (наприклад, рух води у річках і каналах).

Якщо окрім поступального руху частинки рідини здійснюють також обертовий рух, то такий рух рідини називають вихровим. Якщо ж обертання частинок рідини відсутнє – рух називають безвихровим.