Основное уравнение установившегося равномерного движения

Установим закономерность между потерями напора и силами трения. Для этого выделим в трубе или открытом канале с движущейся жидкостью объем жидкости, ограниченный двумя поперечными сечениями 1-1 и 2-2, находящимися на расстоянии L друг от друга. При равномерном движении площади живых сечений, а, следовательно, и скоростные напоры равны. Поэтому hl=z1+p1/g -z2-p2/g . Выделенный объем жидкости находится в равномерном движении. Равномерное движение возможно лишь в случае, когда все силы, действующие на тело уравновешены. На выделенный объем жидкости действуют сила тяжести G = g w L, приложенная в его центре тяжести, силы гидродинамического давления P1=p1w и P2=p2 w , нормальные к сечениям и направленные в разные стороны, и

сила трения возникающая на поверхности соприкосновения жидкости со стенками T=t L c , направленная противоположно движению. Так как движение равномерное (без ускорения) силы инерции не возникают. Спроецируем силы на ось направления движения.

Разделим на g w

Напряжение силы трения отнесенное к единице веса равно произведению гидравлического радиуса на гидравлический уклон.

- динамическая скорость. Эта величина не имеет физического смысла, но имеет размерность скорости.

Ламинарный режим

Исследуем ламинарный режим движения жидкости теоретически.

r = 0 t = 0

r = r₀

Из последнего выражения виден линейный закон изменения касательного напряжения по сечению.

С другой стороны

Следовательно

Постоянная интегрирования определяется из условия равенства нулю скорости у стенок трубы при

.

Окончательно, подставив значение в уравнение (1.6) получим уравнение, выражающее закон распределения скоростей при ламинарном режиме

где - коэффициент кинематической вязкости.

Уравнение, известное как формула Стокса, представляет уравнение параболы, имеющей максимум при , то есть по оси трубы

Зная закон распределения скорости по живому сечению трубы, получим зависимость для определения расхода

.

Зависимость, определяющая расход носит название формулы Пуазейля.

Так как , получаем

,

то есть средняя скорость в трубе при ламинарном режиме равна половине максимальной скорости, наблюдаемой на оси. Преобразуем зависимость

,

откуда

,

где - потери напора по длине.

Зависимость, определяющая величину потерь напора при ламинарном режиме движения, показывает, что потери напора при ламинарном режиме пропорциональны первой степени средней скорости, зависят от рода жидкости, обратно пропорциональны площади сечения трубы и не зависят от шероховатости стенок трубы.

Преобразуем зависимость, умножив числитель и знаменатель на и перегруппировав сомножители

.

ПОНЯТИЕ О ГИДРАВЛИЧЕСКИ ГЛАДКИХ И ШЕРОХОВАТЫХ ПОВЕРХНОСТЯХ

На основании экспериментальных и теоретических исследований считают, что на границе потока (у стенок) существует тонкий слой жидкости с ламинарным режимом движения, а в центре находится, так называемое, турбулентное ядро. Между этими областями расположен переходный слой. При этом толщина ламинарного подслоя составляет десятые доли миллиметра.

Поверхность стенок всегда обладает неровностями. Эти неровности имеют различную величину, форму и периодичность, которые зависят от рода материала и способа его изготовления. Величина неровностей характеризуется абсолютной шероховатостью, представляющая собой среднюю линейную величину неровностей.

Если величина выступов меньше толщины ламинарного подслоя, то такая поверхность называется гидравлически гладкой. В этом случае потери энергии на трение не будут зависеть от шероховатости поверхности. Если неровности выступают сквозь ламинарную пленку, то поверхность называется гидравлически шероховатой.

Толщина ламинарного слоя зависит от числа Рейнольдса (с увеличением Re толщина уменьшается), следовательно, одна и та же поверхность в различных гидравлических режимах может быть гидравлически гладкой или шероховатой.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: