Основные понятия и формулы по "Гидравлике"

Гидравлика

 

 

1. Введение.

 

Механика материальной точки и механика твердого тела - это предмет изучения теоретической механики. Наряду с твердыми телами в природе существуют жидкости и газы. Законы механического движения жидкостей изучает гидромеханика. В гидромеханике, как и в механике твердых тел, выделяют кинематику жидкости, гидростатику и гидромеханику.

Кинематика жидкости является разделом гидромеханики, в котором движение изучается вне зависимо от действующих сил; в кинематике устанавливается связь между геометрическими характеристиками движения и временем.

Гидростатика изучает законы равновесия (покоя) жидкости.

Гидродинамика изучает законы движения жидкости.

В зависимости от теоретической  или прикладной направленности употребляют  наименования теоретическая или прикладная гидромеханика.

 

2. Жидкости и их свойства.

 

Материальные тела могут  находится в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном. Каждое из этих состояний характеризуется специфическими свойствами, которые определяются особенностями их молекулярной структуры, непосредственно связанной с силами взаимодействия молекул. Этими силами являются силы притяжения и отталкивания, действующие одновременно и зависящие от расстояния между частицами.

На примере двух изолированных  молекул (рис. 1) на расстоянии сила взаимодействия равна нулю, то есть силы отталкивания уравновешивают силы притяжения. При результирующей силой является сила притяжения, которая растет по абсолютной величине, достигая максимума при , а затем уменьшается. При – силы отталкивания. Молекула в поле этих сил обладает потенциальной энергией , которая связана с силой f(r) дифференциальным соотношением

dE=-f(r)dr       (1)

В точке , , достигает экстремума (минимума). В твердых (кристаллических) телах молекулы располагаются на расстоянии , где потенциальная энергия минимальна, образуя кристаллическую решетку. Тепловое движение – колебание атомов в узлах решетки. Средняя кинетическая энергия теплового движения - kT , она много меньше энергии связи молекулы в узле решетки, т. е.

       (2)

Отсюда – устойчивость сохранения объема и формы твердого тела.

В газе межмолекулярное расстояние , что соответствует слабым силам притяжения и малой потенциальной энергии. Тепловое движение доминирует над силами притяжения

       (3)

Молекулы практически  свободны. Свободное беспорядочное  движение молекул газа обуславливает его расширение во все стороны, поэтому газ не имеет определенного объема и собственной формы, а занимает объем и принимает форму сосуда, в котором он находится.

Жидкости по молекулярному  строению занимают промежуточное положение  между кристаллическим твердым телом и газом

       (4)

Поэтому они обладают плотностью близкой  к твердому телу, устойчиво сохраняют  величину занимаемого ими объема, но не держат форму.

Сложность молекулярного строения жидкости затрудняет получение теоретическим  путем достаточно общих связей между молекулярными характеристиками и наблюдаемыми свойст вами: температурой, давлением плотностью, вязкостью и др. Поэтому в гидродинамике пользуются экспериментально установленными значениями для этих величин и связями между ними.

Основными параметрами, характеризующими термодинамическое состояние жидкости, являются температура Т, давление р и плотность ρ.

Связь между плотностью, температурой и давлением устанавливается уравнением состояния, которое для реальных жидкостей и газов выводится в кинетической теории. Однако ввиду сложности общего уравнения состояния и затруднительности определения входящих в него констант, для качественного анализа свойств этих сред пользуются приближенными теоретическими или эмпирическими уравнениями.

Другой термодинамической характеристикой  жидкости является сжимаемость.

Количественно    сжимаемость    оценивается изотермическим коэффициентом сжимаемости:

,      (5)

где – удельный объем, . Жидкости, в отличие от газов, обладают малой сжимаемостью. Коэффициент сжимаемости большинства жидкостей лежит в пределах (Н/м²)^-1. Для всех жидкостей он уменьшается с возрастанием давления и возрастает с повышением температуры.

Объем жидкостей и газов изменяется не только при изменении давления, но и при изменении температуры. Как правило, жидкости и газы расширяются  с повышением температуры, а плотность их при этом уменьшается. Исключение составляет вода, плотность которой возрастает при повышении температуры от 0 до 4 °С и достигает максимума при 4 °С. Такая аномалия объясняется особенностями молекулярного строения воды.

Количественно изменение объема при  изменении температуры и постоянном давлении оценивается коэффициентом теплового объемного расширения

.      (6)

У жидкостей этот коэффициент зависит  от температуры и давления, возрастая  с повышением первой и уменьшаясь с увеличением второго.

Молекулярные движения в жидкостях  и газах обусловливают сопротивление  этих сред сдвигающим усилиям.

Механизм возникновения силы сопротивления  можно представить следующим образом. Слой жидкости, прилегающей к пластинке, прилипает к ней и движется вместе с пластинкой со скоростью . Вследствие молекулярных связей этот слой увлекает за собой следующий и т. д. Поскольку нижний слой примыкает к неподвижной пластинке, его скорость равна нулю. Таким образом, в жидкости возникает слоистое движение с некоторым распределением скоростей по высоте и =f(y).

В рассматриваемом случае распределение  скоростей линейное. Вследствие действия межмолекулярных связей между движущимися слоями жидкости возникают силы вязкости или внутреннего трения. Ньютон указал на те параметры, от которых зависит величина этой силы . Для рассматриваемого слоистого движения

– касательное напряжение (7)

где μ – динамический коэффициент вязкости; S – площадь соприкосновения слоев; – градиент скорости, являющийся показателем интенсивности изменения величины скорости по нормали к ее направлению.

Динамический   коэффициент   вязкости   μ   является   основной количественной характеристикой вязкости жидкостей и газов.

Наряду с динамическим коэффициентом  вязкости в гидрогазодинамике широко используют кинематический коэффициент  вязкости ν, определяемый соотношением

,       (8)

где – плотность жидкости.

Единицей измерения  кинематического коэффициента вязкости служит м²/с.

 

3. Гипотеза сплошности среды.

 

В гидромеханике рассматриваются  макроскопические движения жидкостей  и газов, а также силовое взаимодействие этих сред с твердыми телами. При этом, как правило, размеры рассматриваемых объемов жидкостей, газов и твердых тел оказываются несопоставимо большими по сравнению с размерами молекул и межмолекулярными расстояниями. Это естественно, поскольку межмолекулярные расстояния в жидкостях составляют всего см.

Указанные обстоятельства позволяют  ввести гипотезу сплошности изучаемой среды и заменить реальные дискретные объекты упрощенными моделями, представляющими собой материальный континуум, т. е. материальную среду, масса которой непрерывно распределена по объему. Такая идеализация упрощает реальную дискретную систему и позволяет использовать для ее описания хорошо разработанный математический аппарат исчисления бесконечно малых и теорию непрерывных функций.

Параметры, характеризующие термодинамическое состояние, покой или. движение среды, считаются при этом непрерывно изменяющимися по всему объему, занятому средой, кроме, быть может, отдельных точек, линий или поверхностей, где могут существовать разрывы.

Теоретические результаты, подученные для гипотетической сплошной среды, тем лучше совпадут с результатами наблюдений, чем полнее и точнее учтены в ней свойства реальных жидкостей и газов. К сожалению, идеализацию среды во многих случаях не удается ограничить только допущением ее сплошности. Сложность изучаемых явлений заставляет отказываться от учета и некоторых других свойств реальных сред. В зависимости от тех свойств, которые приписываются гипотетической сплошной среде, получают различные ее модели.

Гипотеза сплошности среды означает, что всякий малый элемент объема жидкости считается все-таки настолько большим, что содержит еще очень большое число молекул. Соответственно этому, когда мы будем говорить о бесконечно малых элементах объема, то всегда при этом будем подразумевать «физически» бесконечно малый объем, т. е. объем достаточно малый по сравнению с объемом жидкости, но большой по сравнению с молекулярными расстояниями.

Согласно гипотезе сплошности масса  среды распределена в объеме непрерывно   и   в  общем   неравномерно.   Основной  динамической характеристикой среды является плотность распределения массы по объему или просто плотность среды.

Плотность среды  в произвольной точке А определяется соотношением

,      (9)

где – масса, заключенная в малом объеме , включающем точку А; предел берется при стягивании объема к этой точке.

Наряду с плотностью в рассмотрение вводится понятие удельного объема , который представляет собой объем, содержащий единицу массы:

.       (10)

Плотность среды может изменятся  от точки к точке и в данной точке со временем, т. е.

      (11)

Аналогично для давления имеем . Как известно, по двум термодинамическим величинам с помощью уравнения состояния вещества могут быть определены все термодинамические величины. Таким образом, задание пяти величин: трех компонентов скорости , давления и плотности полностью определяет  состояние движущейся  жидкости. Подчеркнем, что есть скорость жидкости в каждой данной точке х, у, z пространства в момент времени t.

Однако эта функциональная связь не является непосредственной, так как плотность жидкостей и газов определяется фактически значениями термодинамических параметров состояния (р и Т), которые при движении среды зависят от координат (х, у, z) и времени (t).

Математическое  описание  движения  жидкой  среды  общими дифференциальными уравнениями, учитывающими все физические свойства, присущие этой среде, оказывается весьма сложной задачей. Если даже ограничится учетом только текучести, вязкости и сжимаемости, то и тогда уравнения движения, выражающие основные законы механики, оказываются настолько сложными, что пока не удалось разработать общих аналитических методов их решения. Применение численных методов интегрирования таких уравнений на базе современных ЭВМ также связано со значительными трудностями. В гидромеханике поэтому широко используют различные упрощенные модели среды и отдельных явлений.

Под моделью реальной среды понимают такую гипотетическую среду, в которой учтены только некоторые из физических свойств, существенные для определенного круга явлений и технических задач. Другие малосущественные свойства среды в модели игнорируются.

Одной из основных в гидромеханике  является модель несжимаемой идеальной (или невязкой) жидкости. Так называется гипотетическая сплошная среда, обладающая текучестью, лишенная вязкости и полностью несжимаемая. Эта модель является объектом исследования в разделе гидромеханики «Теория идеальной несжимаемой жидкости». Игнорирование свойств вязкости и сжимаемости сильно упрощает математическое описание движения жидкости и позволяет получить многие решения в конечном замкнутом виде. Несмотря на значительную степень идеализации среды, теория несжимаемой невязкой жидкости дает ряд не только качественно, но и количественно подтверждаемых опытом результатов, полезных для практических приложений. Но не менее существенное значение этой теории состоит в том, что она является базой для других моделей, более полно учитывающих свойства реальных сред. Следует, однако, подчеркнуть, что пренебрежение вязкостью является весьма сильной степенью идеализации, поэтому теория идеальной несжимаемой жидкости может приводит к результатам, резко расходящимся с опытом.

Более полно свойства реальной жидкости учитываются в  модели вязкой несжимаемой жидкости, которая представляет собой среду, обладающую текучестью и вязкостью, но абсолютно несжимаемую. Теория вязкой несжимаемой жидкости лишь в ограниченном числе случаев с простейшими граничными условиями позволяет получить точные решения полных уравнений движения. Наибольшее значение в этой теории имеют приближенные уравнения и их решения. Такие уравнения получают путем отбрасывания в полных уравнениях движения тех членов, которые мало влияют на соответствие теоретических решений опыту. Решения приближенных уравнений могут быть как точными, так и приближенными.