Основные гидродинамические понятия.

Поток жидкости – это непрерывная масса частиц жидкости, движущаяся в определенном направлении.

Различают поток русловой, если он ограничен полностью или частично стенками русла, и свободный.

Примерами руслового потока может служить движение жидкости в трубопроводах, реках и каналах. Примером свободного потока – движение струи жидкости, вышедшей из гидромонитора.

К гидравлическим элементам потока относятся живое сечение, расход, смоченный периметр, гидравлический радиус и среднюю скорость.

Живое сечение потока – поверхность, перпендикулярная направлению скорости потока и ограниченная его внешним контуром. Обозначается буквой и измеряется в .

Расход потока – объем жидкости, проходящий в единицу времени через живое сечение потока. Обозначается буквой и измеряется в .

Смоченный периметр потока – длина контура живого сечения, на котором жидкость соприкасается с твердыми стенками. Обозначается буквой и измеряется в .

 

 

Гидравлический радиус потока – отношение площади живого сечения к смоченному периметру . Обозначается буквой и измеряется в .

 

Величина не имеет особого физического смысла; при помощи этой величины пытаются приближенно учесть влияние формы (а так же размеров) живого сечения потока на движение жидкости.

Средняя скорость потока – частное от деления расхода потока на площадь его живого сечения . Обозначается буквой и измеряется в ;

.

 

Исходя из определений гидравлических элементов потока, установившееся движение может быть равномерным и неравномерным.

Равномерное движение жидкости – установившееся движение, при котором живые сечения и средняя скорость потока не изменяются по его длине. Пример: движение жидкости в цилиндрической трубе.

Неравномерное движение жидкости – установившееся движение, при котором живые сечения и средняя скорость потока изменяются по его длине. Пример: движение жидкости в канале при изменении глубины потока.

Напорное движение – случай, когда поток жидкости со всех сторон ограничен твердыми стенками русла, а давление в любой точке отлично от атмосферного. Движение жидкости происходит за счет разности напоров (водопроводная сеть, гидролинии в объемном гидроприводе).

Безнапорное движение – случай движения жидкости со свободной поверхностью. Движение происходит благодаря разности геодезических отметок русла (пример: движение воды в каналах и реках).

Гидравлические струи, в этом случае поток жидкости не ограничивается стенками русла.

 

Для схематизации явления движения жидкости вводят понятие о линии тока.

Пусть в любой точке потока движущейся жидкости скорость движения меняется по величине и направлению (рис. 19).

 

 

Рис. 19. Линия тока

 

Построим в точке 1 вектор, показывающий величину и направление скорости движения в этой точке в данный момент времени . Выберем на этом векторе точку 2 на расстоянии от точки 1 и построим вектор соответствующей скорости в этой точке в тот же момент времени . Затем выберем точку 3 и т.д.

В пределе ломаная линия 1-2-3… станет кривой, проходящей через данную точку 1. Эта кривая называется линией тока.

Следовательно, линией тока называется линия в потоке, касательные к которой в каждой точке совпадают с направлением векторов скорости в точке.

Элементарные струйки. Возьмем в движущейся жидкости элементарную площадку и из всех точек ее периметра проведем линии тока (рис. 20).

 

 

Рис. 20. Элементарная струйка

 

Совокупность этих линий образует поверхность, которая ограничивает пространство, называемое трубкой тока.

Движение жидкости по трубке тока представляет собой элементарную струйку.

Следовательно, элементарная струйка – часть потока жидкости, ограниченной линиями тока, проведенными через все точки замкнутого контура, находящегося в движущейся жидкости.

Любой поток жидкости можно рассматривать как совокупность большого количества элементарных струек.

Трубкой тока называется поверхность, образованная системой линий тока, проведенных через все точки контура элементарной площадки. С точки зрения положений геометрии, трубку тока можно рассматривать как элементарный канал, через который протекает жидкость.

 

Для случая установившегося движения элементарной струйке придаются следующие свойства:

а) форма элементарной струйки остается неизменной с течением времени;

б) через стенки элементарной струйки движение жидкости не происходит (обмена энергией жидкости между элементарными струйками нет);

в) вследствие малости поперечного сечения элементарной струйки скорость и гидродинамическое давление во всех точках ее поперечного сечения одинаковы.