Распределение скоростей и касательных напряжений в щелевом зазоре

После интегрирования полученного дифференциального уравнения получим:

Величина постоянной интегрирования может быть получена исходя из условия, что скорость на гране пластины равна 0, т.е. при , и = 0. ^

5

В центре потока скорость будет максимальной, т.е. при у = О

Вычислим величину средней скорости потока, для чего найдём величину расхода че­рез щель. Элементарный поток жидкости dQ в тонком слое dy будет равен:

откуда:

откуда средняя скорость в потоке.

т.е. для потока в тонкой щели соотношение между средней скоростью и максимальной иное, чем в круглой трубе:

Потери напора будут равны.

3

Если одна из пластин будет двигаться относительно другой неподвижной пластины с постоянной скоростью, а давление в щели будет постоянным по всей длине, то при таком параллельном перемещении движущаяся пластина будет увлекать за собой жидкость. Та­кое перемещение жидкости называется безнапорным фрикционным движением. Выделим

в этом потоке элементарный объём жид­кости также в виде параллелепипеда.

Поскольку величины сил давления на левую и правую боковые грани оди­наковы, то для равновесия необходимо, чтобы и силы трения, действующие вдоль верхней и нижней граней выде­ленного отсека тоже были одинаковыми.

_f j

После интегрирования получим:

Величины постоянных интегрирования получим при следующих условиях:

при у = О и - 0, при

Следовательно: и, т.е. будем иметь закон распределения

скоростей по сечению зазора

Таким образом, скорость по сечению зазора распределяется по линейному закону. Величина касательных напряжений постоянна по сечению зазора:

Тогда сила трения, действующая на пластину, будет равна:

расход жидкости через зазор:

т.е. средняя скорость фрикционного потока равна половине максимальной скорости:

Выводы, полученные для плоских пластин легко перенести на криволинейные по­верхности, если допустить, что радиус кривизны такой поверхности бесконечно велик по сравнению с шириной зазора, что соответствует действительности.

В то время, когда жидкость проникает в узкую щель между неподвижными стенками за­зора, на поверхности стенок происходит адсорбция поляризованных молекул жидкости, обусловленная силами межмолекулярного взаимодействия. В результате этого на поверх­ности стенок образуется фиксированный слой жидкости, обладающий значительной прочностью на сдвиг, а живое сечение щели уменьшается. Это явление носит название облитерации Интенсивность облитерации зависит от свойств жидкости. Сложные по строению высокомолекулярные жидкости обладают значительно большей степенью обли­терации, по этой причине разного рода смазки являются подходящим средством для уп­лотнения соединений и устранения возможных утечек.

Явление облитерации необходимо учитывать при запуске оборудования, когда при­ходится преодолевать дополнительные усилия на страгивание простаивающих элементов оборудования.

Элементы теории подобия

Решение задач гидравлики аналитическими методами на базе дифференциальных уравнений и различных методов математического анализа не нашло широкого примене­ния для практических целей. Необходимость ввода различных допущений и ограничений позволяют использовать полученные строгие решения лишь как качественные оценки изучаемых процессов. Практические же результаты, как правило, достигаются экспери­ментальными методами исследований. Построение модели того или иного процесса также связано с немалыми трудностями. Это, прежде всего, необходимость точного знания фи­зической стороны изучаемого процесса, умение выделить существенные стороны и фак­торы, добиться полной аналогии построенной модели с натурой и т.д. Поэтому даже все­стороннее знание природы изучаемого процесса не гарантирует абсолютный успех.

При решении практических задач в гидравлике пользуются обеими известными ме­тодами построения моделей как физическим, так и математическим моделированием.

При физическом моделировании модель, как и натура, имеют одинаковую физиче­скую природу и отличаются друг от друга лишь размерами. При математическом модели­ровании модель имеет иное, чем натура, физическое содержание: общими у них являются лишь одинаковые дифференциальные уравнения, описывающие сходные физические про­цессы, протекающие в модели и натуре.

Подробное изучение методов моделирования не является задачей настоящего курса, эти вопросы рассматриваются в специальных дисциплинах. В настоящем курсе мы лишь назовём некоторые положения касающиеся основ построения таких моделей

Физическое моделирование

Физическая модель отличается от натуры лишь размерами, т.е. модель по своим раз­мерам может быть, чаще всего лишь уменьшенной копией натуры, либо она может (в не­которых случаях) превосходить по своим размерам натуру. И в том и другом случае, для успешного и правильного построения модели необходимо, прежде всего, знать основные законы подобия. Модель и натура будут адекватны между собой, если при построении модели будут выполнены все основные элементы подобия. К таким условиям относятся критерии геометрического, кинематического и динамического подобия.

Для геометрического подобия необходимо, чтобы отношение любых сопоставляе­мых линейных размеров модели и натуры были бы одинаковыми. Так протяжённость мо­дели и натуры, а также и другие прочие размеры должны находится между собой в про­порциональной зависимости:

где: и - линейный размер соответственно на модели и на натуре,

- коэффициент геометрического подобия, масштаб моделирования.

В таком случае, при сопоставлении размеров площадей на модели и натуре должен соблюдаться такой же масштабный множитель, но с учётом порядка мерности величины:

Т.е. при сопоставлении размеров площадей на модели и на натуре соотношение этих величин будет равно квадрату масштабного линейного множителя. Соответственно для сопоставления объёмов:

Для кинематического подобия необходимо, чтобы траектории всех сопоставимых частиц были геометрически подобны, т.е. при этом кроме геометрического подобия со­поставимых криволинейных отрезков модели и натуры выполнялось ещё подобие сопос­тавимых интервалов временни в моделе и натуре.

Тогда величины скоростей движения частиц в модели и натуре будут относиться между собой как:

5 - величины расходов жидкости: '

Для динамического подобия сравниваемых потоков необходимо, чтобы в соответст­вующих местах потоков были подобны действующие в них одноимённые силы. Пусть в сопоставимых точках потока жидкости и строящейся модели этого потока действует неко­торая инерциальная сила F. Тогда при соблюдении геометрического и кинематического подобия, критерий динамического подобия может быть выражен следующим образом:

Величина носит название масштаба сил.

Рассмотрим критерии подобия отдельных сил действующих в жидкости.

Сила внутреннего трения в жидкости.

Заменив мы получим основное условие подобия потоков, в которых ос-

новную роль играют силы внутреннего трения жидкости. Для подобия таких потоков не­обходимо равенство чисел Рейнольдса.

Определяющей в потоке является сила тяжести.

j

Таким образом, если определяющей силой в потоке является сила тяжести, то для подобия таких потоков необходимо постоянство числа Фруда

Для потока жидкости, в котором определяющей силой является сила давления:

Если определяющей в потоке жидкости является сила давления, то для подобия та­ких потоков обязательным условием является равенство критерия Эйлера