Лекции по гидравлике

[pic] , на верхнюю[pic] Проекции массовых сил на координатные оси:

на ось ОХ будет на ось ОУ будет

на ось OZ будет[pic] Тогда сумма сил действующих вдоль оси ОХ:

[pic]

сумма сил действующих вдоль оси 07:

[pic]

сумма сил действующих вдоль оси OZ:

[pic]

где:[pic], проекции ускорения массовых сил на координатные оси.

После преобразования получим систему дифференциальных уравнений равновесия

жидкости:

[pic] i i >

2.5. Сообщающиеся сосуды

В своей практической деятельности человек часто сталкивается с вопросами

равновесия жидкости в сообщающихся сосудах, когда два сосуда А и В

соединены между собой жёстко или гибким шлангом. Сами сосуды (А и В) обычно

называются коленами. Такой гидравлический элемент часто используется в

различных гидравлических машинах (гидравлические прессы и др.), системах

гидропривода и гидроавтоматики, различных измерительных приборах и в ряде

других случаев. С природ[pic] ными сообщающимися сосудами человек

встречается с давних пор: сообщающимися сосудами больших размеров являются

водонасыщенные пласты горных пород с системой колодцев, играющих роль

отдельных колен природной гидродинамической системы.

В открытых сообщающихся сосудах, заполненных однородной жидкостью свободный

уровень жидкости устанавливается на одном и том же уровне в обоих коленах.

Если в коленах сосудов залиты две несмешивающиеся жидкости с различной

плотностью, то свободные уровни жидкости в правом и левом коленах

устанавливаются на разных высотах в зависимости от соотношения плотностей

жидкостей.

Для типичного случая, изображённого на рисунке, запишем уравнение

равновесия жидкости относительно уровня раздела жидкостей.

или:[pic]

В закрытых сообщающихся сосудах давления на свободную поверхность могут

быть шными, тогда уравнение равновесия будет иметь следующий вид:

[pic]

2.6. Сила давления жидкости па плоскую поверхность, погружённую в

жидкость

Согласно основному закону гидростатики величина давления р определяется

глубиной погружения точки под уровень свободной поверхности h жидкости и

величиной

плотности жидкости р.

Для горизонтальной поверхности величина давления одинакова во всех точках

этой поверхности, т.к.:

[pic] Отсюда:[pic]

[pic]

Таким образом, Сила давления жидкости на горизонтальную поверхность (дно

сосуда) равно произведению площади этой поверхности на величину давления на

глубине погружения этой поверхности. На рисунке показан так называемый

«гидравлический парадокс», здесь величины силы давления на дно всех сосудов

одинаковы, независимо от формы стенок сосудов и их физической высоты, т.к.

площади доньев у всех сосудов одинаковы, одинаковы и величины давлений.

Сила давления на наклонную поверхность, погруженную в жидкость.

Практическим примером такой поверхности может служить наклонная стенка

сосуда. Для вывода урав-

нения и вычисления силы давления на стенку выберем следующую систему

координат: ось ОХ направим вдоль пересечения плоскости свободной

поверхности жидкости с наклонной стенкой, а ось OZ направим вдоль этой

стенки перпендикулярно оси ОХ. Тогда в качестве координатной плоскости XOZ

будет выступать сама наклонная стенка. На плоскости стенки выделим малую

площадку[pic], которую, в связи с малыми размерами можем считать

горизонтальной. Величина давления на глубине площадки будет равна:

[pic]

где: h - глубина погружения площадки относительно свободной поверхности

жидкости (по вертикали).

[pic] Сила[pic]давления[pic]dP на площадку:

Для определения силы давления

на всю смоченную часть наклонной стенки (часть площади стенки сосуда,

расположенная ниже уровня свободной поверхности жидкости) необходимо

проинтегрировать это уравнение по всей смоченной части площади стенки S .

[pic]

Интеграл[pic] представляет собой статический момент площади S относительно

оси ОХ. Он, как известно, равен произведению этой площади на координату её

центра тяжести zc. Тогда окончательно:

[pic]

Таким образом, сила давления на наклонную плоскую поверхность, погружённую

в жидкость равна смоченной площади этой поверхности на величину давления в

центре тяжести этой площади. Сила давления на плоскую стенку кроме величины

и направления характеризуется также и точкой приложения этой силы, которая

называется центром давления.

Центр давления силы атмосферного давления p0S будет находиться в центре

тяжести площадки, поскольку атмосферное давление передаётся на все точки

жидкости одинаково. Центр давления самой жидкости на площадку можно

определить исходя из теоремы о моменте равнодействующей силы. Согласно этой

теореме момент равнодействующей

силы относительно оси ОХ будет равен сумме моментов составляющих сил

относительно этой же оси.

[pic]

откуда:[pic]

где:- положение центра избыточного давления на вертикальной оси,

[pic] - момент инерции площадки S относительно оси ОХ.

Отсюда центр давления (точка приложения равнодействующей силы избыточного

давления) расположен всегда ниже центра тяжести площадки. В сучаях, когда

внешнней действующей силой на свободную поверхность жидкости является сила

атмосферного давления, то на стенку сосуда будут одновременно действовать

две одинаковые по величине и противоположные по направлению силы

обусловленные атмосферным давлением (на внутреннюю и внешнюю стороны

стенки). По этой причине реальной действующей несбалансированной силой

остаётся сила избыточного давления.

2.7. Сила давления на криволинейную поверхность, погружённую в жидкость

Выберем внутри покоящейся жидкости криволинейную поверхность ABCD, которая

может быть частью поверхности некоторого тела погруженного в жидкость.

Построим проекции этой поверхности на координатные плоскости. Тогда в

координатной плоскости XOZ проекцией этой поверхности будет плоская

поверхность [pic], в координатной

плоскости YOZ — плоская поверхность[pic] и в плоскости свободной

поверхности

жидкости (координатная плоскость ХОТ) - плоская поверхность [pic]. На

криволи-

нейной поверхности выделим малую площадку dS, проекции которой на

координатные

плоскости будут соответственно [pic] . Сила давления на криволинейную

поверхность dP будет направлена по внутренней нормали к этой поверхности и

может быть представлена в виде:

Горизонтальные составляющие могут быть определены, как силы давления

'[pic]' - на

проекции[pic]малой площадки dS на соот-

ветствующие координатные плоскости:

[pic]

[pic]

Интегрируя эти уравнения, получим (как в случае с давлением на наклонную

поверхность):

[pic]

Вертикальная составляющая силы давления:

^[pic]

Второй интеграл в этом равенстве представляет собой объём образованный

рассматриваемой криволинейной поверхностью ABCD и её проекцией на свободную

поверхность жидкости[pic]. Этот объём принято называть телом давления[pic]

[pic]

Таким образом, горизонтальные составляющие силы давления на криволинейную

поверхность равны давлениям на вертикальные проекции этой поверхности, а

вертикальная составляющая равна весу тела давления, и силе внешнего

давления на горизонтальную проекцию криволинейной поверхности.

Основные уравнения гидростатики широко используются на практике. Примероми

могут служить простейшие гидравлические машины - гидравлический пресс,

построенный по принципу сообщающихся сосудов и гидравлический аккумулятор.

Гидравлический пресс состоит из двух цилиндров приводного (1) и рабочего

(2) со-

единеных между собой трубопроводом и представляет систему сообщающихся

сосудов. В приводном цилиндре перемещается плунжер малого диаметра d, в

рабочем цилиндре находится поршень с большим диаметром D. Связь между

плунжером и рабочим поршнем осуществ[pic] ляется через рабочую жидкость,

заполняющую гидравлическую систему (сообщающиеся сосуды). Усилие F через

рычаг передаются рабочей жидкости.

Сила давления на жидкость под плунжером Р] передаёт жидкости давление р,

которое, в свою очередь, передаётся во все точки рабочего поршня.

[pic]

Тогда сила давления на поверхность рабочего поршеня будет равна'

[pic]

Таким образом, с помощью гидравлического пресса, приложенная к концу рычага

^ сила, увеличивается в[pic]раз.

2.8. Равновесие твёрдого тела в жидкости

Определим силу давления на твёрдое тело, погружённое в жидкость. На

замкнутую криволинейную поверхность, являющуюся поверхностью твердого тела

погружённого в

жидкость будут действовать массовые силы (в данном случае силы тяжести) и

поверхностные, силы давления на поверхность тела. Рассмотрим действие сил

давления. Как известно, горизонтальные составляющие силы давления будут

взаимно уравновешены. Так как проекции тела на координатную плоскость XOZ с

его левой и правой сторон [pic] совпадут; то совпадут и координаты центров

тяжести этих проекций. Тогда проекции сил давления на ось

ОХ будут одинаковыми по величине, но противоположными по направлению[pic]

Аналогично можно записать и для проекций сил давления на ось OY (давление

на проекции поверхностей в координатной плоскости YOZ),[pic].

Неуравновешенными будут

лишь вертикальные составляющие силы давления, действующие на верхнюю и

нижнюю стороны поверхности тела.

Вертикальными сечениями выделим на верхней и нижней половинах тела малые

площадки. Тогда вертикальные составляющие на верхнюю и нижнюю площадки

будут равны:

[pic]

После интегрирования по объёму тела найдём равнодействующую сил давления.

Она окажется равной разности весов двух тел давления, ограниченных

свободной поверхностью жидкости и верхней и нижней поверхностями тела.

[pic]

Равнодействующая сил давления носит название выталкивающей силы, эта сила

направлена вертикально вверх и численно равна весу жидкости в объёме

вытесненной телом. Последнее положение получило название закона Архимеда.

Закон Архимеда часто формулируют несколько иначе: «тело, погружнное в

жидкость теряет в своём весе столько сколько весит вытесненная им

жидкость».

Таким образом, На погружённое в жидкость тело действуют две силы:

вес тела[pic]и выталкивающая сила[pic]

Если[pic]Тело будет тонуть.

Если[pic]Тело будет всплывать до тех пор пока вес тела и величина

выталкивающей силы, действующей на погруженную часть объёма тела не

уравновесятся.

Если[pic]Тело будет находиться во взвешенном состоянии в жидкости,

т.е. плавать внутри жидкости на любой заданной глубине.

Для тела плавающего на поверхности жидкости должно, таким образом

выполняться условие:

[pic]

Другими словами, степень погружения плавающего на поверхности тела под

уровень жидкости заваисит от со[pic] отношения плотности тела[pic]и

жидкости:

Если тело однородное, то точка приложения силы тяжести тела и точка

приложения выталкивающей силы совпадают. В тех случаях, когда плавающее на

поверхности жидкости тело не однородно по своему составу (корабль с грузом)

в условиях равновесия точки приложения действующих на тело сил

располагаются в разных местах на прямой вертикальной линии. В таких случаях

на плавающее в жидкости тело действует пара сил, от

действия которой зависит положение тела относительно жидкости Такие

плавающие тела могут находиться в остойчивом и не остойчивом состоянии Так

тело 1 под действием пары сил находится в состоянии равновесия На тело 2

действует пара сил, стремящаяся уменьшить угол крена (угол между осью

плавания тела и плоскостью сво[pic] бодной поверхности жидкости) Такое

положение плавающего тела называется остойчивым На тело 3 действует пара

сил, стремящаяся увеличить угол крена (перевернуть тело), такое положение

тела называется не остойчивым положением

; t* 3. Элементы кинематики жидкости

Кинематикой называют раздел механики, изучающий движение физических тел

вообще, вне связи с источником движения (силами). Это определение

справедливо и для кинематики жидкости как отдельного раздела гидравлики.

3.1. Методы изучения движения жидкости.

Жидкость представляет собой физическое тело, состоящее из бесконечно

большого числа бесконечно малых частиц. С большой степенью точности мы

можем рассматривать жидкое тело как сплошную среду, эта модель позволяет

значительно упростить решение большинства гидравлических задач. Тем не

менее, нередки случаи, когда уровень исследования движения жидкого тела

требует глубокого знания физических процессов происходящих в движущейся

жидкости на молекулярном уровне. В таких случаях вполне удобная модель

сплошной среды может оказаться неприемлемой.

Исходя из практики изучения гидравлики как прикладной дисциплины, можно

упомянуть два метода изучения движения жидкости: метод Лагранжа и метод

Эйлера.

Описание движения жидкости методом Лагранжа сводится к рассмотрению

положения частиц жидкости (в полном смысле слова) в любой момент времени.

Так в начальный момент времени частицы находились в точках 1, 2, 3 и 4. По

истечении некоторого времени они переместились в точки: Г, 2',3'и4', причём

это перемещение сопровождалось изменением объёмов и форм частиц (упругой

деформацией). Тогда можно утверждать, что частицы жидкости при [pic] своём

движении участвуют в трёх видах движения (поступательном, вращательном и

деформации). Для описания такого сложного движения жидкости необходимо,

таким образом, определить как траектории частиц, так и гидравлические

характеристики частиц (плотность р, температуру Т и скорость и) в функции

времени и координат.

[pic]

Переменные а, Ь, с, и / носят название переменных Лагранжа. Задача сводится

к решению систем дифференциальных уравнений в частных производных для

каждой части-

цы жидкости. Метод Лагранжа ввиду громоздкости и трудности решения может

использоваться в случаях детального изучения поведения лишь отдельных

частиц жидкости. Использование этого метода для инженерных расчётов не

рентабельно.

Суть другого метода, метода Эйлера заключается в том, что движение жидкости

подменяется изменением поля скоростей. Под полем скоростей понимают

некоторую достаточно большую совокупность точек бесконечного пространства

занятого движущейся жидкостью, когда в каждой точке пространства в каждый

момент времени находится частица жидкости с определённой скоростью

(вектором скорости). Припишем неподвижным точкам пространства скорость

частиц жидкости, которые в данный момент времени находятся в этих точках.

Поскольку пространство бесконечно и непрерывно, то мы имеем массив данных о

скоростях достаточно полный, чтобы определить (задать) поле в каждой его

точке. Условно, нос достаточной точностью такое поле можно считать

непрерывным.

Несмотря на то, что исходные условия создания модели движущийся жидкости

довольно сложные, тем не менее, метод Эйлера весьма удобен для расчётов.

Построение поля скоростей осуществляется следующим образом:

На некоторый момент времени (например, to) произвольным образом выберем

необходимое число точек, в которых находятся частицы жидкости.

Приписав их скорости [pic] точкам неподвижного

пространства (1, 2, 3, 4, 5 и 6) мы сделаем «моментальную фотографию» поля

скоростей на выбранный момент времени. В следующий момент времени [pic]в

тех же выбранных точках

неподвижного пространства будут находиться другие частицы жидкости, имеющие

другие скорости [pic]. Выполнив уже

известную процедуру второй раз, получим но[pic] вую «моментальную

фотографию» поля скоростей на момент времени[pic]. Теперь вместо изучения

траекторий частиц жидкости

будем сравнивать поля скоростей. Тогда система уравнений примет вид:

[pic]

Поле скоростей движения жидкости иногда называют гидродинамическим полем по

аналогии с электромагнитным, тепловым и др. полями. Это определение не

противоречит физической стороне процесса движения жидкости. Анализируя

состояние гидродинамического поля на разные моменты времени[pic], можно

отметить, что с течением времени поле изменилось, несмотря на то, что в

отдельных точках 5 и 6 скорости остались постоянными[pic] Такое поле

называют нестационарным гидродинамическим полем. В частном случае, когда во

всех точках неподвижного пространства с течением времени предыдущие частицы

жидкости сменяются другими с такими же скоростями, то поле скоростей во

времени не меняется. Такое гидродинамическое поле называют стационарным. В

соответствии с этим различают и два вида движения жидкости: установившееся,

когда поле скоростей является стационарным и неустановившееся при

нестационарном гидродинамическом поле.

3.2.Кинематические элементы движущейся жидкости

Основной кинематической характеристикой гидродинамического поля является

линия тока - кривая, в каждой точке которой вектор скорости направлен по

касательной к кривой. И ходя из данного определения можно записать

дифференциальное уравнение линии [pic] тока:

[pic]

Если через некоторую неподвижную в пространстве кривую провести линии тока,

то полученная поверхность называется поверхностью тока, а образованное этой

поверхностью тело будет называться трубкой тока. Жидкость, наполняющая

трубку тока, называется элементарной струйкой. Поскольку линии тока никогда

не пересекаются, то поверхность трубки тока является непроницаемой [pic]

внешней границей для элементарной струйки жидкости. Сечение трубки тока,

нормальное к линиям тока называется живым сечением элементарной струйки dS.

При установившемся движении жидкости понятия линии тока и траектории

движения частицы жидкости совпадают. Объём жидкости протекающий через живое

сечение элементарной струйки в единицу времени называется расходом

элементарной струйки.

[pic] ?

где: [pic] объём жидкости, протекающий через живое сечение трубки тока

за

время[pic]

[pic] расход жидкости в живом сечении трубки тока. Размерность расхода

жидкости в системе СИ -м/с.

Гидродинамическое поле считается потенциальным (безвихревым), если в этом

поле отсутствует вихревое движение жидкости. В потенциальном поле может

существовать лишь поступательное или криволинейное движение жидкости. 3.3

Уравнение неразрывности жидкости

Если в гидродинамическом поле отсутствуют вихри, то; для такого поля можно

записать уравнение, связывающее параметры движущейся жидкости (плотность

жидкости) с

параметрами, характеризующими условия движения жидкости. Вывод такого

уравнения основан на представлении жидкости как сплошной непрерывной среды,

в силу чего такое уравнение получило название уравнения неразрывности.

Для этой цели выделим в пространстве малый элемент жидкой среды в виде

па[pic] раллелепипеда, стороны которого будут равны соответственно.[pic].

Грани

параллелепипеда пусть будут параллельны координатным плоскостям. В центре

элемента в данный момент времени будет находиться частица жидкости,

плотность которой равна р, а вектор скорости движения и направлен таким

образом, что жидкость втекает внутрь элемента через левую, нижнюю и

переднюю грани элемента и вытекает через противоположные грани. Будем

считать также, что размер элемента достаточно мал, и можно допустить, что в

пределах этого элемента изменение плотности жидкости и скорости её движения

будет прямо пропорционально расстоянию от центра элемента. Одновременно

размеры граней будут достаточно велики по сравнению с точкой, что позволит

утверждать, что плотность жидкости и скорость во всех точках граней будут

одинаковыми, как и плотность жидкости в пределах соответствующих граней.

Тогда произведение плотности жидкости на вектор скорости (импульс) в

специальной литературе часто называют вектором

массовой скорости ри.

В таком случае проекция вектора массовой скорости в центре левой грани

элемента на ось ОХ будет равна:

[pic]

а проекция вектора массовой скорости в центре правой грани элемента на ось

ОХ:

[pic] &

Масса жидкости, поступившая через левую грань элемента за малый интервал

времени dt\

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10