Лекции 2012 (949139), страница 12

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

Текст из файла (страница 12)

5.8. Вывод дифференциальных уравнений движения

идеальной жидкости и их интегрирование (уравнений Эйлера).

В потоке идеальной жидкости возьмем произвольную точку М с координатами x, y, z (рис.5.6) и выделим вблизи этой точки малый объем в форме прямоугольного параллелепипеда так, чтобы точка М была одной из его вершин. Пусть ребра этого параллелепипеда будут параллельны координатным осям и соответственно равны δх, δу и δz, тогда его объем равен δW = δх*δу*δz, а масса δМ= ρδхδуδz.

Составим уравнение движения этого объема. Действующая на объем результирующая массовая сила, может быть разложена на составляющие соответственно осям координат, и, будучи отнесена к массе объема, даст единичные массовые силы или проекции ускорений на оси: Х, У и Z.

Проекции массовых сил, действующих на выделенный объем, равны этим составляющим, умноженным на массу выделенного объема.

Если давление в точке М обозначить через Р, давление вдоль оси Х в точке N - будет сумой давления в точке М и приращения по координате Х.

Разность между значениями давлений в этих точках, умноженная на площадь даст нам силу, действующую вдоль оси Х

.

Принцип Д’Аламбера: При движении системы ее положение может рассматриваться, как положение равновесия, если к активным силам, действующим на систему, прибавить фиктивные силы(силы инерции).

Скорость движения жидкости в точке М обозначим через V , а ее проекции через V_х, V_y V_z . Проекции ускорения, с которыми движется выделенный объем, будут равны: V_х/dt, V_y/dt, V_z/dt.

По принципу Д’Аламбера силы, которые необходимо ввести в уравнения движения, равны произведению ускорений на массу параллелепипеда.

Уравнения движения выделенного объема жидкости в проекциях на координатные оси будут иметь вид

ρ*δхδyδz*(dV_х/dt) = Xρ δхδyδz - (dp/dx)* δхδyδz;

{ ρ*δхδyδz*(dV_y/dt) = Yρ δхδyδz - (dp/dy)* δхδyδz;

ρ*δхδyδz*(dV_z/dt) = Zρ δхδyδz - (dp/dz)* δхδyδz;

где X,Y, Z – проекции единичных массовых сил.

Разделим эти уравнения почленно на массу элемента δm = ρ*δхδyδz и перейдем к пределу, устремляя одновременно δх, δy и δz к нулю и, стягивая параллелепипед к точке М, получим уравнения движения жидкости. Это система дифференциальных уравнений движения идеальной жидкости, называемая уравнениями Эйлера.

(5.16)

Члены этих уравнений представляют собой соответствующие ускорения, а смысл каждого из уравнений заключается в следующем: полное ускорение частицы вдоль координатной оси складывается из ускорения от массовых сил и ускорения от сил давления.

Уравнения Эйлера в таком виде справедливы как для несжимаемой, так и для сжимаемой жидкости, а также для случая, когда из массовых сил действует только сила тяжести, и для общего случая относительного движения жидкости. При этом в величины Х, У и Z входят компоненты ускорения переносного движения. Так как при выводе уравнений (5.16) не накладывались условия стационарности движения, то они справедливы и для неустановившегося движения.

Рассматривая установившееся движение жидкости, умножим каждое из уравнений (5.16) на проекции элементарного перемещения по осям и сложим уравнения:

В проекциях на ось X:

В проекциях на ось Y:

В проекциях на ось Z:

Просуммировав эти проекции, получим:

(5.17)

Учитывая, что выражение в скобках является полным дифференциалом давления: .

Произведение проекции скорости на дифференциал скорости можно выразить следующим образом:

Уравнение (5.17) можно переписать в следующем виде

Xdx +Ydy + Zdz = (1/ρ)*(dp) + d(V²/2), (5.18)

или dU = (1/ρ)*(dp) + d(V²/2).

где U – силовая функция.

Интегрирование этого уравнения выполним для основного частного случая установившегося движения идеальной жидкости, когда на жидкость действует лишь одна массовая сила - сила тяжести. При направлении оси вертикально вверх

X = 0, Y= 0, Z = - g.

Подставляя эти значения в уравнение (5.17) получим

gdz + dp/ρ + d(V²/2) = 0 или dz + dp/(gρ) + d(V²/2g) = 0.

Так как для несжимаемой жидкости ρ = const, предыдущее уравнение можно переписать в виде

d(z + p/(gρ) + (v²/2g)) = 0

Это уравнение означает, что приращение суммы трех членов, заключенных в скобки, при перемещении частицы жидкости вдоль линии тока (траектории) равно нулю, следовательно, указанный трехчлен есть величина постоянная вдоль линии тока, а следовательно, и вдоль элементарной струйки, т. е.

z + p/(gρ) + (v²/2g) → const.

Таким образом, получили уравнение Бернулли для струйки идеальной жидкости, найденное в предыдущем параграфе другим способом.

Если записать это уравнение для двух сечений струйки 1-1 и 2-2, оно примет вид первой формы уравнения Бернулли:

= Н

6-я лекция.

23.03.12

6. КИНЕМАТИКА И ДИНАМИКА РЕАЛЬНОЙ ЖИДКОСТИ-2

6.1 Уравнение Бернулли для потока реальной (вязкой) жидкости.

6.2 Мощность потока.

6.3 Коэффициент Кориолиса.

6.4 Гидравлические потери (общие сведения).

6.5 Местные потери.

6.6. Потери энергии на трение по длине

6.7.Примеры использования уравнения Бернулли в технике

6.1.Уравнение Бернулли для потока реальной (вязкой) жидкости.

При выводе уравнения Бернулли для потока реальной (вяз­кой) жидкости необходимо учесть: неравномерность распределения скоростей по сечению и потери энергии. Эти явления соответствуют вязкой жидкости.

При движении жидкости из-за влияния вязкости происхо­дит торможение потока. Наибольшие значения ско­рость достигает в центральной части потока, по мере приближения к стенке она уменьшается почти до нуля. Пример распределения скоростей показан на рис. 6.1.

Из-за неравномерного распределения скоростей происходит скольжение или сдвиг одних слоев по другим и между слоями возникают касательные напряжения или напряжения трения. Движение вязкой жидкости сопровождается вращением частиц, вихреобразованием и перемешиванием.

При движении реальной жидкости на преодоление сопротивлений, связанных с вязкостью, требуются затраты энергии, поэтому удельная энергия движущейся вязкой жидкости не остается постоянной, как в случае идеальной жидкости, а уменьшается вдоль потока.

При выводе уравнения Бернулли для потока вязкой жидкости вместо неравномерного распределения скоростей рассматриваются средние скорости и средние значения удельной энергии жидкости в данном сечении. Измерение скорости в различных точках сечения потока выполнить сложно, измерение средней скорости потока выполнить проще и они могут быть сделаны с большей точностью.

Для потока вязкой жидкости делается допущение: принимается, что в пределах рассматриваемых поперечных сечений потока, справедлив основной закон гидростатики и гидростатический напор есть величина одинаковая для всех точек данного сечения.

6.2. Мощность потока

Мощностью потока называется полная энергия, которую проносит поток через данное сечение в единицу времени.

Мощностью называется отношение работы, выполненной за определенный промежуток времни к длительности этого промежутка. Например, для гидроцилиндра

где давление p = ρgh, , работа А =pghS*L, массовый расход δQ_m = ρW/t = ρ(L*S) /t

Выразим работу, как произведение силы или произведение давления р на площадь S гидроцилиндра на ход - L, который поршень проходит под действием этой силы. Это выражение мощности гидравлического потока подведенного к гидроцилиндру.

Элементарные струйки, составляющие поток обладают различной энергией.

Мощность элементарной струйки это произведение полной удельной энергии струйки жидкости в виде третьей формы уравнения Бернулли в данной точке

gН= gz + p/(ρ) + (V²/2), (6.1)

на элементарный массовый расход струйки

δQ_m = ρ(V*δS /δt),

где V – скорость в сечении δS струйки .

Это произведение позволяет выразить мощность струйки:

δN = gH*δQ_m = (gz + p/ρ + v²/2)*ρ* v*δS = P*δQ (6.2)

Мощность всего потока найдем, как интеграл от предыдущего выражения по площади S:

(6.3)

Учитывая, допущение о том, что гидростатический напор для всех элементарных струек в сечении потока есть величина постоянная, получим мощность потока:

(6.4)

6.3 Коэффициент Кориолиса

Характеристики

Список файлов лекций