Основные параметры и режимы течения жидкости

Основными параметрами, характеризующими движение жидкости являются: площадь живого сечения S, расход жидкости Q и средняя скорость движенияv.

Площадь живого сечения.Живым сечением потока жидкости (рис. 8.1) называется сечение, которое в каждой своей точке нормально к векторам скоростей частиц жидкости.

Рис. 8.1. Живые сечения потока жидкости:

а– теоретическое сечение; б – практическое сечение;

в–эпюра скоростей в живом сечении по глубине потока

В практике чаще всего встречаются потоки жидкостей, живое сечение которых представляет собой поверхность, мало отличающуюся от плоскости.

Расход жидкости.Расходом жидкостиназывается количество жидкости, проходящее через данное живое сечениев единицу времени. Расход может измеряться в объемных или массовых единицах:

Q= V/tQm= m/t.

Средняя скорость движения жидкости. В общем случае скорости частиц в разных точках живого сечения будут различны. Если площадь эпюры частных скоростей Fэ разделить на ширину потока жидкости H, то в соответствующем масштабе получим значение средней скорости движения жидкости, т.е.,

v= Fэ/H.

С другой стороны,

v= Q/S.

Это соотношение часто используется в практике для определения третьей неизвестной величины при двух известных, в частности, для определения средней скорости движения жидкости по расходу и площади живого сечения.

Основные режимы движения жидкости.В зависимости от того, остаются постоянными или изменяются те или иные параметры во времени и пространстве, режимы движения жидкости могут быть различными. Основными режимами движения жидкости являются:

– установившееся и неустановившееся;

– равномерное и неравномерное;

– напорное и безнапорное движение;

– неразрывное и кавитационное;

– ламинарное и турбулентное.

Установившееся и неустановившееся движение. Установившимся движениемназывается такой вид движения, при котором параметры, характеризующие движение, не изменяются во времени. Примером такого движения является истечение жидкости из емкости, в которой поддерживается постоянный уровень. При этом жидкость вытекает с постоянной скоростью, струя в пространстве занимает вполне определенное положение, давление в какой-либо точке А (рис. 8.2) остается неизменным. Если уровень в резервуаре не поддерживается постоянным, то перечисленные параметры будут переменными, Такое движение жидкости и называется неустановившимся.

Равномерное и неравномерное движение.Равномерным движением называется такой вид движения, при котором параметры, характеризующие это движение, не меняются по длине потока. Неравномерное движение, наоборот, характеризуется тем, что параметры движения потока будут переменными. Примером равномерного движения может служить движение жидкости в трубе постоянного диаметра при постоянном напоре. Неравномерное движение при тех же условиях будет, например, в конической трубе.

а

б

в

г

д

е

ж

з

 

 

 

и

к

 

Рис. 8.2. Основные режимы движения жидкости:

а– установившееся; б – неустановившееся; в – равномерное; г – неравномерное;

д – напорное; е – безнапорное; ж – неразрывное; з – кавитационное;

и– ламинарное; к – турбулентное

Напорное и безнапорное движение.Напорным движением называется движение, при котором поток жидкости со всех сторон ограничен твердыми стенками. Примером такого движения является движение жидкости в трубопроводе за счет напора, создаваемого насосом. Напорное движение осуществляется за счет наличия разности давлений по длине трубопровода.

Безнапорное движение-это такое движение жидкости, при котором имеется свободная поверхность жидкости. Примером подобного движения является течение воды в реках, открытых каналах и др. Безнапорное движение происходит за счет разности уровней жидкости.

Неразрывное и кавитационное движение.Неразрывным движением называется такой вид движения, при котором жидкость движется сплошным потоком, образуя сплошную среду, заполняющую пространство. При движении газов неразрывность потока будет во всех случаях.

При движении капельных жидкостей неразрывность потока нарушается. Причиной этого может быть повышение температуры жидкости или понижение давления. В обоих случаях возможно выделение паров жидкости и растворенных вней газов. Когда давление парообразования становится равным внешнему давлению, в жидкости образуются пузыри и даже целые полости, заполненные парами или газами, которые расчленяют поток.

Давление парообразования, как уже отмечалось, зависит от температуры жидкости и характеризуется для воды следующими данными:

       при t = 100o C                        pп =  760  мм рт. ст.;

       при t = 50o C                         pп =  91,2 мм рт. ст.;

       при t =  10oC                          pп =   7,6 мм рт. ст.

Пузыри или полости с парами и газами, перемещаясь в жидкости или вместе с ней, попадают в узлы гидравлической системы с более низкой температурой или более высоким давлением. При этом пары жидкости мгновенно конденсируются, а газы снова растворяются в жидкости, в образовавшиеся пустоты с большой скоростью устремляются частицы жидкости. Это приводит к резкому  повышению давления в этих местах (от 0,1 до 1 кПа), а также к местному повышению температуры (от 100 до 1500oС). Рассмотренное явление носит названиекавитации. Кавитация вредна для гидравлических систем.

Ламинарное и турбулентное движение жидкости. Ламинарнымназывается струйчатое (или слоистое) течение без перемешивания частиц жидкости и без пульсации скорости и давления. При таком течении все линии тока жидкости вполне определяются формой русла. При ламинарном течении в трубе все линии тока направлены параллельно оси трубы. Ламинарное течение является упорядоченным, строго установившимся течением. Ламинарный режимнаблюдается преиму-щественно при движении вязких жидкостей (нефти, смазочных масел и т.п.), а также менее вязких жидкостей при их течении с небольшими скоростями.

Турбулентнымназывается течение, сопровождающееся интенсивным перемешиванием жидкости и пульсацией скоростей и давления. Движение отдельных частиц оказывается хаотичным, беспорядочным. Наряду с осевым перемещением наблюдается вращательное и поперечное перемещение отдельных объемов жидкости. Этим и объясняются пульсации скоростей и давления.