Основы гидродинамики

Гидродинамика изучает законы движения жидкости в трубах, каналах, пористых телах.

На движущую жидкость действуют внешние массовые силы, силы трения (вязкость жидкости).

Величины, характеризующие состояние движущей жидкости являются скорость их течения и давление. Основная задача гидродинамики- установить связь между ними при заданной системе внешних сил.

Виды движения жидкости: установившийся

(стационарное), при которой каждая частица жидкости имеет постоянную скорость и неустановившиеся

(нестационарное),

при которой скорости частиц меняются.

Режимы течения жидкости:

• Ламинарное,

  при котором движение частиц воды параллельное, не смешивающее. Наблюдается при малых скоростях, малых поперечных размерах потока, малых плотностях, больших коэффициентов вязкости.

• Турбулентное,

  в котором частицы перемешиваются по сложным траекториям. Скорости меняются по величине и направлению. Возникают при больших скоростях, больших поперечных размерах потока, малой вязкостью жидкости.

О. Рейнольдом было выведено число, при котором ламинарное движение переходит в турбулентное, равное Rе=2300, Rе=Ud p/μ

Большинство течений, наблюдаемые в природе турбулентные. Ламинарное встречается в очень узких каналах, при течение жидкости в узких каналах.

Движение жидкости происходит по своим законам. Уравнение Бернулли

выражает баланс энергии движущейся жидкости (для идеальной невязкой жидкости): сумма кинетической и потенциальной энергии единицы массы жидкости остается неизменной.

Потери напора

при течение вязкой жидкости. Могут быть: линейные,

потери на преодоление внутреннего трения между слоями жидкости и стенками трубы, которые зависят от режима течения; местные

- препятствие в трубопроводе: вентиля, колена, диффузоры, сужения, расширения и т.д.

Гидравлическим ударом

называют комплекс явлений, происходящих в жидкости при резком уменьшении скорости ее течения. Представим себе, что по трубопроводу течет поток со скоростьюU. Если резко преградить ему путь, то жидкость остановится не сразу по всему трубопроводу. Сначала остановятся передние слои, следующие слои, не имея возможности продолжить путь, будут давить на передние, сжимая их и тоже останавливаясь. В слоях образуется область повышенного давления, которая в виде ударной волны отразится от задвижки в направлении, обратном движению жидкости, затем начнет обратное движение. Таким образом при гидравлическом ударе возникает чередующийся процесс резкого повышения и понижения давления. Все это может привести к поломке трубопровода.

Причины удара:

-быстрое открывание и закрывание запорных и регулирующих устройств;

-внезапная остановка насоса;

-выпуск воздуха через гидранты на оросительной сети при заполнение водой трубопровода;

-пуск насоса при открытом затворе на нагнетательной линии.

Защита:

-сброс жидкости из трубопровода при повышение давления (через предохранительные клапана),

-впуск и защемление воздуха с помощью специальных клапанов. Защемленный воздух в местах нарушения сплошности потока не позволяет при обратном движение воды соударяться. После гашения удара, воздух из сети удаляется через вантузы.

-впуск воды в трубопровод. При понижении давления в трубопроводе, открывается обратный клапан участка бассейн-трубопровод и из бассейна поступает вода, которая заполняет разрывы сплошности в потоке.

-установка специальных гасителей ударов (расширенные участки трубопровода, поршневые конструкции и т.д.)

Истечение жидкости через отверстия.

При работе с жидкостью возникает необходимость рассчитать истечение жидкости из отверстий и щелей, предусмотренных конструкцией аппарата или появившиеся при аварии.

Истечение может происходит из отверстий на дне сосуда или в боковой стенке.

Расход жидкости при этом равен : Qо=UoАо=Ао√2gH, где Uo –скорость истечения жидкости;

Ао- выходное отверстие; Н- геометрический напор жидкости

Для расчета скорости и расхода реальной жидкости учитывают два фактора:

1) выходное отверстие является местным сопротивлением для вытекающей струи, вводится коэффициент ψ=0,97;

2) площадь живого сечение выходного отверстия меньше площади отверстия в стенке, вводится коэффициент α=0,62.

Поэтому общий расход воды Q= ψ α Ао√2gH= Qоαψ