Понятие о потоке жидкости и газа

Потоком жидкости и газа называется направленное перемещение частиц массы вещества в пространстве с определенными скоростями и в заданном направлении. Различают установившиеся и неустановившиеся потоки. Установившимся потоком называется такой поток, в котором направление и вели-чина скоростей частичек жидкости и газа, а так же физические параметры состояния среды (с течением времени не изменяются. Такой поток носит название – стационарный поток. Неустановившимся потоком называется такой поток в котором направление и величина скоростей частичек жидкости и газа, а также физические параметры состояния среды (с течением времени изменяются. Такой поток носит название не стационарный поток.

Уравнение Бернулли — для стабильно текущего потока (газа или жидкости) сумма кинетической и потенциальной энергии, давления на единицу объема является постоянной в любой точке этого потока.

Первое и второе слагаемое в Законе Бернулли имеют смысл кинетической и потенциальной энергии, приходящейся на единицу объёма жидкости. А третье слагаемое в нашей формула является работой сил давления и не запасает какую-либо энергию. Из этого можно сделать вывод, что размерность всех слагаемых — единица энергии, приходящаяся на единицу объёма жидкости или газа.

Из Уравнения Бернулли можно сделать один важный вывод. При уменьшении сечения потока возрастает скорость движения газа или жидкости (возрастает динамическое давление ), но в этот же момент уменьшает статическое давление следует, что при уменьшении сечения потока, из-за возрастания скорости, то есть динамического давления, статическое давление падает.

В гидродинамике уравнение непрерывности чаще называют уравнением неразрывности

Уравнение неразрывности потока отражает закон сохранения массы: количество втекающей жидкости равно количеству вытекающей. Например, на рис. 10 расходы во входном и выходном сечениях напорной трубы равны:

q 1 = q 2.

С учётом, что q = Vw, получим уравнение неразрывности потока:

V 1 w 1 = V 2 w 2. (17)

Если отсюда выразим скорость для выходного сечения

V 2 = V 1 w 1 /w 2, (18)

то легко заметить, что она увеличивается обратно пропорционально площади живого сечения потока. Такая обратная зависимость между скоростью и площадью является важным следствием уравнения неразрывности и применяется в технике, например, при тушении пожара для получения сильной и дальнобойной струи воды.

Вопрос №17

Вя́зкость (вну́треннее тре́ние) — одно из явлений переноса, свойство текучих тел (жидкостей и газов) оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой. В результате работа, затрачиваемая на это перемещение, рассеивается в виде тепла.

Механизм внутреннего трения в жидкостях и газах заключается в том, что хаотически движущиеся молекулы переносят импульс из одного слоя в другой, что приводит к выравниванию скоростей — это описывается введением силы трения. Вязкость твёрдых тел обладает рядом специфических особенностей и рассматривается обычно отдельно.

Ламина́рное тече́ние — течение, при котором жидкость или газ перемещается слоями без перемешивания и пульсаций (то есть беспорядочных быстрых изменений скорости и давления).

Ламинарное течение возможно только до некоторого критического значения числа Рейнольдса, после которого оно переходит втурбулентное. Критическое значение числа Рейнольдса зависит от конкретного вида течения (течение в круглой трубе, обтекание шара и т. п.). Например, для течения в круглой трубе .

при ламинарном течении скорость изменяется с расстоянием от оси трубы по параболическому закону (рис. 77.2).

Закон Пуазёйля (иногда закон Гагена — Пуазёйля) — это физический закон так называемого течения Пуазёйля, то есть установившегося течения вязкой несжимаемой жидкости в тонкой цилиндрической трубке.

При установившемся ламинарном движении вязкой несжимаемой жидкости сквозь цилиндрическую трубу круглого сечения секундный объёмный расход прямо пропорционален перепаду давления на единицу длины трубы и четвертой степени радиуса и обратно пропорционален коэффициенту вязкости жидкости.

где

· — перепад давления на концах капилляра, Па;

· — объёмный расход жидкости, м³/с;

· — радиус капилляра, м;

· — диаметр капилляра, м;

· — коэффициент динамической вязкости, Па·с;

· — длина капилляра, м.

Формула используется для определения вязкости жидкостей. Другим способом определения вязкости жидкости является метод, использующий закон Стокса.

Т УРБУЛЕНТНОЕ ТЕЧЕНИЕ —течение жидкости или газа, при котором частицы жидкости совершают неупорядоченные, хаотические движения по сложным траекториям, а скорость, температура, давление и плотность среды испытывают хаотические флуктуации. Турбулентное течение устанавливается при Рейнольдса числах Re, больших некоторого критического Reкр, и отличается от ламинарного течения интенсивным перемешиванием, теплообменом, большими значениями коэффициента трения и пр. В природе и технике большинство течений жидкостей и газов — турбулентные течения.

Число, или, правильнее, критерий Рейно́льдса (), — безразмерная величина, характеризующая отношение нелинейного и диссипативного членов в уравнении Навье — Стокса^[1]. Число Рейнольдса также считается критерием подобия течения вязкой жидкости.

Число Рейнольдса определяется следующим соотношением:

где

· — плотность среды, кг/м³;

· — характерная скорость, м/с;

· — гидравлический диаметр, м;

· — динамическая вязкость среды, Па·с или кг/(м·с);

· — кинематическая вязкость среды, м²/с ();

· — объёмная скорость потока;

· — площадь сечения трубы.

Для каждого вида течения существует критическое число Рейнольдса, , которое, как принято считать, определяет переход от ламинарного течения ктурбулентному. При течение происходит в ламинарном режиме, при возможно возникновение турбулентности. Критическое значение числа Рейнольдса зависит от конкретного вида течения (течение в круглой трубе, обтекание шара и т. п.), различными возмущениями потока, такими как изменение направленности и модуля вектора скорости потока, шероховатость стенок, близость местных сопротивлений и др. Например, для течения (точнее, для стабилизированного изотермического потока) жидкости в прямой круглой^{[ источник не указан 1459 дней ]} трубе с очень гладкими стенками

Значения Re выше критического и до определённого предела относятся к переходному (смешанному) режиму течения жидкости, когда турбулентное течение более вероятно, но ламинарное иногда тоже наблюдается — то есть неустойчивая турбулентность. Числу Re_кр 2300 соответствует интервал 2300—10000; для упомянутого примера с тонкими плёнками это 20-120 — 1600.

Вопрос №18

Преобразова́ния Галиле́я — в классической механике (механике Ньютона) и нерелятивистской квантовой механике преобразования координат и скорости при переходе от одной инерциальной системы отсчета (ИСО) к другой^[1]. Термин был предложен Филиппом Франком в 1909 году.^[2] Преобразования Галилея опираются напринцип относительности Галилея, который подразумевает одинаковость времени во всех системах отсчета («абсолютное время»^[3]).

Преобразования Галилея являются предельным (частным) случаем преобразований Лоренца для скоростей, малых по сравнению со скоростью света в пустоте и в ограниченном объёме пространства. Для скоростей вплоть до порядка скоростей движения планет в Солнечной системе (и даже бо́льших), преобразования Галилея приближенно верны с очень большой точностью.

механический принцип относительности -законы динамики одинаковы во всех инерциальных системах отсчета

В основе специальной теории относительности лежат два принципа или постулата, сформулированные Эйнштейном в 1905 г.

1. Принцип относительности: все законы природы инвариантны по отношению к переходу от одной инерциальной системы отсчета к другой. Это означает, что во всех инерциальных системах физические законы (не только механические) имеют одинаковую форму. Таким образом, принцип относительности классической механики обобщается на все процессы природы, в том числе и на электромагнитные. Этот обобщенный принцип называют принципом относительности Эйнштейна.

2. Принцип постоянства скорости света: скорость света в вакууме не зависит от скорости движения источника света или наблюдателя и одинакова во всех инерциальных системах отсчета. Скорость света в СТО занимает особое положение. Это предельная скорость передачи взаимодействий и сигналов из одной точки пространства в другую.

Преобразова́ния Ло́ренца — линейные (или аффинные) преобразования векторного (соответственно, аффинного) псевдоевклидова пространства, сохраняющиедлины или, что эквивалентно, скалярное произведение векторов.

Вопрос №19.

В основе молекулярно-кинетической теории лежат три основных положения:

3. Все вещества – жидкие, твердые и газообразные – образованы из мельчайших частиц – молекул, которые сами состоят из атомов («элементарных молекул»). Молекулы химического вещества могут быть простыми и сложными, т.е. состоять из одного или нескольких атомов. Молекулы и атомы представляют собой электрически нейтральные частицы. При определенных условиях молекулы и атомы могут приобретать дополнительный электрический заряд и превращаться в положительные или отрицательные ионы.

4. Атомы и молекулы находятся в непрерывном хаотическом движении.

5. Частицы взаимодействуют друг с другом силами, имеющими электрическую природу. Гравитационное взаимодействие между частицами пренебрежимо мало.