Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Гідростатика – найбільш простий розділ гідроаеромеханіки, що досліджує ситуації, коли рух відсутнє або швидкість мала. Гідростатика дозволяє зрозуміти деякі властивості такої важливої гідродинамічної величини, як тиск. Тиск на опору роблять і тверді, і сипучі речовини, але воно відрізняється від гідростатичного. Тиск твердого тіла визначається його вагою, тиск рідини – її глибиною. Сила тиску р на дно посудини не залежить від його форми, а визначається тільки рівнем налитої в посудину рідини відповідно до гідростатичної формули:

p = р_о + рgh

де р – щільність рідини, g – прискорення вільного падіння, h – глибина занурення, р_о – атмосферний тиск.

Сипучі тіла, подібно рідині й газу, можуть натискати на бічну поверхню, але для такого тиску не виконується закон Паскаля, що затверджує, що тиск у будь-якому місці спочиваючої рідини іл газу в усіх напрямках однаково, причому тиск однаково передається по всім обсязі рідини або газу. У законі Паскаля вага рідини або газу не враховується.

До основних законів гідростатики, крім закону Паскаля й гідростатичної формули, можна віднести закон Архімеда: на занурене в рідину або газ тіло діє сила, що виштовхує, рівна по величині ваги витиснутої рідини (або газу), спрямована проти сили тяжіння й прикладена до центра ваги витиснутого обсягу.

Якщо занурене в рідину тіло замінити такою ж рідиною, то вийде стан рівноваги - на поверхню тіла діє сила тиску рідини, що врівноважує вагу рідини усередині поверхні.

Рух рідин і газів.

Рух рідин і газів, як і всі інші види руху, розглянуті в механіці, можна повністю охарактеризувати, оперуючи одиницями виміру довжини, часу й сили. Так, діаметр парашута можна вимірювати в метрах, час зниження, скажемо, на 100 метрів – у секундах, а вага вантажу – у ньютонах. Точно так само вхідний перетин насоса можна вимірювати у квадратних метрах, об'ємна витрата середовища – у кубічних метрах у секунду, а потужність – у ньютон-метрах (джоулях) у секунду. Існує багато способів виміру таких характеристик плину з використанням різних – механічних і електричних – еквівалентів лінійки, годин і пружинних ваг. Наприклад, швидкість рідин і газів можна оцінювати по числу обертів в одиницю часу проградуїрованої крильчатки (гідрометрична вертушка й анемометр) або по зміні електроспротиву дроту, що нагрівається минаючим струмом, (дротовий термоанемометр); тиск можна визначати по викликуваному їм відхиленню вигнутої трубки або мембрани (манометр Бурдона й барометр-анероїд) або по струму, генеруємому пьезокристалом.

Прогнозування характеристик плину.

Якби такі виміри руху рідин і газів були єдиним заняттям гідроаеромеханіки, це була б дисципліна досить вузького профілю. Набагато більше важливе значення, чим вимір, має точне прогнозування характеристик плину при заздалегідь відомих або передбачуваних умовах. Очевидно, що недостатньо вміти просто виміряти пропускну здатність побудованого водозливу, - потрібно спочатку надійно спроектувати водозлив, розрахований на максимально можливий потік; точно так само виміряти лагом швидкість судна в плаванні простіше, ніж заздалегідь указати потужність двигунів, які будуть потрібні новому судну для підтримки заданої крейсерської швидкості; надрукувати в газеті швидкість вітру й атмосферний тиск, обмірювані вчора, набагато легше, ніж пророчити погодні умови на завтрашній день. Коротше кажучи, щирий предмет гідроаеромеханіки - установлення співвідношень між різними характеристиками плину, що дозволяють визначити кожну з них, як тільки задані інші характеристики, від яких вона залежить.

Рівняння нерозривності.

Хоча гідроаеродинаміка заснована на трьох добре відомих в механіці законах збереження маси, імпульсу й енергії, формулювання цих законів у ній виглядають складніше. Наприклад, звичайне визначення закону збереження маси говорить, що маса системи тіл залишається незмінної. Для рідини, що тече в трубі, цей закон використовується у формі, називаної рівнянням нерозривності. Рівняння нерозривності - співвідношення між швидкістю плину, об'ємною витратою середовища й відстанню між лініями струму. Це рівняння виражає один з основних законів гідроаеромеханіки, відповідно до якого об'ємна витрата у всякій трубці струму, обмеженої сусідніми лініями струму, повинен бути в будь-який момент часу однаковий у всіх її поперечних перерізах. Оскільки об'ємна витрата Q дорівнює добутку швидкості поточного середовища V на площу A поперечного перерізу трубки струму, рівняння нерозривності має такий вигляд:

Q = V₁A₁ = V₂A₂

або ж vS = const ( v – швидкість рідини, S – площа перетину труби, по якій тече рідина. Зміст - скільки води вливається - стільки й повинне вилитися, якщо умови плину незмінні).

Тому там, де перетин великий і лінії струму розріджені, швидкість повинна бути мала, і навпаки. (Всі три частини цієї подвійної рівності повинні виражатися в одній і тій же системі одиниць. Так, якщо величина Q виражена в м³/з, те швидкість V повинна виражатися в м/с, а площа A – у м².)

Рівняння Бернуллі.

Одне з найважливіших рівнянь гідромеханіки було отримано в 1738 році швейцарським ученим Данилом Бернуллі. Йому вперше вдалося описати рух нестисливої ідеальної рідини (сили тертя між елементами ідеальної рідини, а також між ідеальною рідиною й стінками посудини відсутні). Рівняння Бернуллі має вигляд:

р + рv² + pgh = const.

2

де р – тиск рідини, р – її щільність, V – швидкість руху, g – прискорення вільного падіння, h – висота, на якій перебуває елемент рідини.

Відповідно до рівняння Бернуллі, у випадку сталого плину, для якого не мають істотного значення всі інші характеристики поточного середовища, крім щільності (питомої ваги), повний напір однаковий у всіх поперечних перерізах трубки струму. Якщо до отвору в стінці труби приєднати манометричну трубку, то рідина в такій трубці підніметься на висоту, рівну гідростатичному напору. Якщо манометричну трубку виставити назустріч потоку, то рідина в манометрі підніметься на додаткову висоту, рівну швидкісному напору. Трубка, що має одночасно торцеве й бічні манометричні отвори, називається трубкою Пито й використовується для визначення швидкості плину по обмірюваному швидкісному напорі. Трубки Пито входять у комплект вимірювального встаткування всіх літаків, а також широко застосовуються для вимірів швидкості плину в трубопроводах, в аеро- і гідродинамічних трубах.

Якщо швидкість плину дорівнює нулю (тобто середовище не рухається), то рівняння Бернуллі зводиться до простого рівняння гідростатики.

Відповідно до цього рівняння, збільшенню висоти в нерухливому середовищі рідини або газу відповідає рівне зменшення гідростатичного напору. Тому тиск у будь-якій крапці нерухливої рідини дорівнює глибині цієї крапки під вільною поверхнею, помноженої на питому вагу рідини. На основі цього співвідношення обчислюється тиск рідини на стінки резервуарів, а також проводиться аналіз плавучості й остійності морських і річкових судів.

У тих випадках, коли швидкість плину відмінна від нуля, рівняння Бернуллі разом з рівняннями нерозривності й закону збереження кількості руху дозволяє вирішувати практично важливі завдання - про витрату середовища, що тече через вимірювальні діафрагми, поверх вимірювальних і водоскидних водозливів і під затвори шлюзових галерей; про траєкторію струменя рідини; про форму, швидкість і силу хвиль, що діють на судна й хвилеломи. Хоча в таких завданнях звичайно розглядається біг води під атмосферним шаром повітря, аналогічні процеси гравітаційного характеру мають місце у випадку плину більше холодної (і, отже, більше щільної) води під більше теплої, як і інших рідин і газів різної щільності. Таким чином, водним потокам у ріках аналогічні океанські плини й вітри, оскільки всі гравітаційні явища підкоряються тим самим законам гідроаеромеханіки.

3. Гравітаційне моделювання

Число Фруда

Хоча багато завдань такого роду вирішуються із прийнятною точністю, існує багато інших складних завдань, аналітичне рішення яких поки неможливо. Проте задовільне рішення ряду таких завдань можна знаходити шляхом моделювання з використанням теорії подоби. Вплив сили ваги на картину потоку характеризується безрозмірною величиною (критерієм подоби), складеної з якоїсь характерної швидкості V, характерної довжини L, різниці питомих ваг верхніх і нижньої поточних середовищ і щільності однієї з них:

Ця величина називається числом Фруда. Очевидно, що у випадку бігу води під атмосферним повітрям ми маємо просто . Подоба буде забезпечено тільки в тому випадку, якщо число Фруда для моделі дорівнює числу Фруда для реального об'єкта (тобто, наприклад, швидкість моделі судна повинна бути зменшена пропорційно квадратному кореню зі зменшення розміру). Такого роду експериментальні дослідження зменшених моделей - звичайна практика при проектуванні судів і річкових гідротехнічних споруджень; більше того, у цей час методи моделювання поширюються на аналогічні гравітаційні завдання метеорології й океанографії.

Гідродинаміка Ейлера й Навье-Стокса.

Виводячи диференціальне рівняння руху ідеальної рідини, Леонард Ейлер думав, що сили, що діють на будь-яку поверхню в ній, так само як і в нерухливій рідині, перпендикулярні самої цієї поверхні. Таке припущення дозволило описати рух рідини аналітично. Однак іноді теорія ідеальної рідини Ейлера перестає працювати.

Реальна рідина відрізняється від ідеальної тем, що вона має внутрішнє тертя, або в'язкістю. Два дотичні елементи рідини, що рухаються в тому самому напрямку, але з різними швидкостями, впливають один на одного. Сила взаємодії прискорює повільно, що рухається елемент, рідини й сповільнює більше швидкий. Ньютон припустив, що величина цієї сили (сила внутрішнього тертя) пропорційна різниці швидкостей елементів рідини. Закон грузлого тертя Ньютона говорить, що сила внутрішнього тертя F пропорційна зміні швидкості рідини v у напрямку, перпендикулярному руху, і залежить від площі S зіткнення елементів рідини. Коефіцієнт пропорційності в ньому називається коефіцієнтом динамічної в'язкості ( n ).

F = n ^dv S

^dy

Рідини, у яких внутрішнє тертя подібним чином залежить від зміни швидкості, називаються рідинами з лінійною в'язкістю, або ньютонівськими рідинами.

Величину коефіцієнта динамічної в'язкості Ньютон визначив за допомогою досвіду: пересуваючи по поверхні рідини плоску пластину з різною швидкістю, він помітив, що для підтримки певної швидкості потрібна сила, що при невеликій глибині рідини виявилася прямо пропорційна площі S і швидкості пластини v і обернено пропорційна глибині рідини h.

F = n v S

h

Незважаючи на те, що при збільшенні глибини рідини сила грузлого тертя пластинки не стає малої, ця формула досить точно описує взаємодію між дотичними елементами рідини. Чим більше різниця швидкостей, тим більше сила, з якої вони впливають один на одного, змушуючи пригальмовувати більше швидкі елементи й розганяючи повільні. У результаті відносний рух у рідині припиняється.

У більше строгому формулюванні лінійна залежність грузлого тертя від зміни швидкості руху рідини називається рівнянням Навье-Стокса. Воно враховує стискальність рідин і газів і справедливо не тільки поблизу поверхні твердого тіла, але й у кожній крапці рідини.

Вплив в'язкості на картину плину.

В'язкість рідини й газу звичайно істотна тільки при відносно малих швидкостях, тому гідродинаміка Ейлера - це приватний граничний випадок більших швидкостей гідродинаміки Стокса. При малих швидкостях відповідно до закону грузлого тертя Ньютона сила опору тіла пропорційна швидкості. При більших швидкостях, коли в'язкість перестає відігравати істотну роль, опір тіла пропорційно квадрату швидкості.

Цей критерій називається числом Рейнольдса й має вигляд.

число Рейнольдса - безрозмірна величина, що характеризує відносну роль сил в'язкості.

Воно грає таку ж роль у моделюванні впливу в'язкості, що й число Фруда при моделюванні гравітаційних ефектів, а тому є основою досвідів, проведених в аеродинамічних трубах з моделями літаків, і градуїровок витратомірів для рідин різної в'язкості - загалом, при дослідженні всіх видів плинів по трубах і з обтіканням тіл у всіх випадках, коли домінує вплив в'язкості. Якщо рівність чисел Фруда для моделі й натурного об'єкта вимагало зменшення швидкості моделі у зв'язку з її зменшеними розмірами, то рівність чисел Рейнольдса, навпаки, вимагає, щоб швидкість моделі збільшувалася зі зменшенням її розмірів. Тому, щоб не потрібно було надмірно підвищувати швидкість в експериментах зі зменшеними моделями, часто застосовують текучі середовища з меншою в'язкістю або більшою щільністю; так, в аеродинамічних трубах нерідко підвищують тиск до декількох атмосфер, що дозволяє знизити швидкість за рахунок підвищення щільності.

Турбулентний плин у трубах.

Плин грузлої рідини уздовж границі може виявитися нестійким стосовно малих збурювань, якщо число Рейнольдса перевищить деяке значення. Так, наприклад, плин у трубі постійного діаметра стійко до всіх збурювань, якщо число Рейнольдса менше приблизно 2000, і тоді формула Пуазейля дає співвідношення між перепадом тиску й швидкістю незалежно від щільності. Але коли число Рейнольдса перевищує зазначене критичне значення, будь-яке локальне збурювання викликає коливання швидкості або утворення завихрень, які швидко поширюються по всім потоці, створюючи безладний вторинний рух, називаний турбулентним плином. Через незліченні вихри турбулентний плин характеризується значно більшою витратою енергії (більше високими втратами тиску), чим стійке, або ламінарне, плин, і формула Пуазейля в цьому випадку заміняється формулою

Характеристики

Список файлов курсовой работы