Гидрогазодинамика. nchti_Рузанова_Гидрогазодинамика_уч_пособие (1). Гидрогазодинамика учебное пособие

• Название: Гидрогазодинамика учебное пособие
• Анкор: Гидрогазодинамика
• Дата: 11.05.2021
• Размер: 1.56 Mb.
• Имя файла: nchti_Рузанова_Гидрогазодинамика_уч_пособие (1).docx
• Тип: Учебное пособие; #203801
• страница: 6 из 17

8. Поток жидкости и его параметры

Поток – масса движущейся жидкости, направляемая твердыми стенками.



Рис.15. Трубка тока
Линия тока – линия, в каждой точке которой вектор скорости частицы совпадает с направлением касательной (линия 1-2-3).

Трубка тока – совокупность линий тока, проведенных через все точки контура элементарного живого сечения dS.

Элементарная струйка – пучок линий тока, проходящих через трубку тока.

Живое сечение потока – поперечное сечение потока плоскостью, нормальной к направлению скорости жидкости (S).

Смоченный периметр – часть контура живого сечения, по которой поток соприкасается с твердыми стенками (П).

Гидравлический радиус потока R_Г – отношение площади живого сечения S к смоченному периметру П:

(42)

Эквивалентный диаметр d_эравен учетверенному гидравлическому радиусу:

(43)

Абсолютная шероховатость стенок ∆ – это средняя высота выступов неровностей, измеренная в линейных единицах.

Относительная шероховатость ε – это отношение абсолютной шероховатости к диаметру трубы:

(44)

Расход жидкости – количество жидкости, протекающей через живое сечение потока в единицу времени. Объемный расход измеряется в м³/с, массовый расход в кг/с.

Скорость частиц жидкости максимальна около оси трубы, а по мере приближения к стенкам она уменьшается, на стенке скорость жидкости равна 0. В расчетах обычно используют среднюю скорость. Средняя скорость движения потока равна отношению объемного расхода к площади живого сечения потока:

 (45)

откуда объемный расход:

(46)

а массовый расход :

(47)

Скорость жидкости в данной точке – местная (локальная) скорость.



Рис.16. Скорость жидкости

9. Виды и режимы течения жидкостей

Различают 6 видов движения жидкостей: стационарное и нестационарное, равномерное и неравномерное, напорное и безнапорное.

В стационарном потоке все характеристики жидкости (ρ, ω, t, μ, р и т.д.) постоянны во времени. Это установившийся во времени поток.

В нестационарном потоке (неустановившемся во времени) характеристики жидкости в каждой точке изменяются во времени.

При равномерном течении скорость жидкости по длине трубы постоянна (диаметр трубы неизменный).

При неравномерном движении скорость потока переменна по длине трубы.

При напорном движении поток полностью заполняет поперечное сечение трубы, при безнапорном – не полностью:



Рис.17. Напорное движение в трубе



Рис.18. Безнапорное движение в трубе

Впервые режимы течения жидкостей изучал английский ученый Осборн Рейнольдс в 1883 г. Он обнаружил 2 принципиально разных течения:

1. 
   ламинарный;
   
2. 
   турбулентный.
   

В ламинарном потоке все частицы жидкости движутся по параллельным траекториям. При этом поперечное перемешивание отсутствует полностью. Это плавное и спокойное течение жидкости; наблюдается при небольших скоростях.

В турбулентном потоке частицы жидкости движутся по хаотическим (беспорядочным) траекториям. Некоторые частицы движутся назад, хотя вся масса жидкости перемещается в одном направлении. Это бурный, закрученный вихревой поток; наблюдается при больших скоростях.

Количественно оценить гидродинамический режим можно по числу (критерию) Рейнольдса:

(48)

где ω – средняя скорость потока.

Re – мера соотношения сил инерции и вязкости (внутреннего трения) в потоке жидкости.

Для прямых гладких труб различают 3 режима течения:

1. 
   ламинарный (Re< 2320);
   
2. 
   переходный, т.е. неразвитый турбулентный
   

(2320 ≤ Re≤ 10⁴);

3. 
   турбулентный (Re> 10⁴).
   

Рассмотрим структуры ламинарного и турбулентного потоков:

Рис.19. Ламинарный режим

Рис.20. Турбулентный режим

На рисунках – эпюры локальных скоростей в поперечных сечениях ламинарного и турбулентного потоков.

В структурах обоих потоков местная скорость на поверхности стенки равна 0 (жидкость прилипает к стенке за счет сил межмолекулярного взаимодействия), а максимальная скорость – на оси трубы. Структура турбулентного потока анизотропная (неоднородная). Здесь имеется очень тонкий пристенный пограничный ламинарный гидродинамический слой толщиной δ. В пределах этого слоя скорость жидкости увеличивается от 0 на стенке до некоторого конечного значения на границе пограничного слоя и турбулентного ядра потока.

Гидродинамические режимы играют важную роль при проведении различных процессов (химических, массообменных и т.д.)

Для интенсификации процессов обычно стремятся повысить степень турбулентности потоков.