Основы кинематики жидкости




 

Под кинематикой жидкости понимается раздел гидромеханики, в котором изучаются кинематические характеристики движения жидкости, но не рассматриваются силы, под действием которых это движение происходит. Кинематика жидкости изучает связи между геометрическими характеристиками движения (координаты частиц, скорость, ускорение) и временем.

Жидкость представляется как сплошная легкодеформируемая среда. Ее движение представляется как движение системы неограниченного множества частиц. Причем объем каждой жидкой частицы чрезвычайно мал по сравнению с объемом жидкости, но достаточно велик по сравнению с объемом молекулы.

 

Установившееся и неустановившееся движение жидкости [1, С. 39], [2, С. 57–58], [3, С. 54–55]

В общем случае для потока жидкости основные характеристики потока (скорость, давление) являются функциями координат пространства и времени

. (3.1)

Такое движение называется неустановившимся.

Примером неустановившегося движения жидкости является истечение жидкости из отверстия в резервуаре при условии, что количество воды в резервуаре не пополняется.

Если основные характеристики движения в любой точке потока не изменяются во времени, такое движение называется установившимся. Для установившегося движения можно записать

. (3.2)

Примером установившегося движения может служить истечение жидкости из отверстия в резервуаре при условии, что количество воды в резервуаре постоянно пополняется таким образом, что уровень воды в резервуаре остается постоянным.

 

Методы описания движения жидкости [1, С. 37–39], [2, С. 219–223], [3, С. 51–53], [4, С. 68–71]

Существует два способа математического описания движения жидкости: метод Лагранжа и метод Эйлера.

По методу Лагранжа (субстанциональный метод) рассматривается движение отдельной частицы жидкости.

Положение частицы жидкости в начальный момент времени t 0 обозначают координатами x 0, y 0, z 0. Для любой другой частицы жидкости эти координаты будут другими. При движении жидкости рассматриваемая частица перемещается, и ее координаты изменяются. Движение жидкости будет определено, если для каждой частицы будут известны координаты x, y, z как функции четырех независимых переменных: начального положения x 0, y 0, z 0 и времени t

(3.3)

Эти уравнения характеризуют «историю» движения частиц жидкости во времени. Переменные x 0, y 0, z 0, t называются переменными Лагранжа.

Проекции скорости частицы на координатные оси определяются уравнениями

, (3.4)

а проекции ускорения

. (3.5)

Метод Лагранжа не получил в гидродинамике широкого распространения, так как он дает решение лишь для простейших случаев течения. Обычно изучение движения жидкости основывается на методе Эйлера.

Метод Эйлера (локальный метод) состоит в том, что движение всей жидкости изучается путем исследования движения в отдельных неподвижных точках, через которые протекает жидкость. Изучение движения жидкости состоит:

1) в исследовании изменений во времени векторных и скалярных величин в некоторой фиксированной точке пространства;

2) исследовании изменений этих величин при переходе от одной точки пространства к другой.

Таким образом, движение жидкости характеризуют построением поля скоростей, которое в общем случае описывается уравнениями

(3.6)

где vx, vy, vz – три взаимно-перпендикулярные составляющие полной скорости.

Таким образом, полная скорость будет равна

. (3.7)

Переменные x, y, z, t называются переменными Эйлера.

Для установившегося движения уравнения, описывающие поле скоростей, примут вид

(3.8)

Ускорение жидкой частицы, воспользовавшись системой уравнений, описывающих поле скоростей, можно определить исходя из следующих соображений

, (3.9)

где ax, ay, az – проекции ускорения на координатные оси.

Эти проекции равны

. (3.10)

В общем случае неустановившегося движения скорость является функцией координат и времени, поэтому полный дифференциал, например, скорости vx равен сумме четырех частных дифференциалов

, (3.11)

а ее производная по времени

. (3.12)

Если рассматривать dx, dy, dz как проекции элементарного перемещения на оси координат, можно обозначить

, (3.13)

Подставив эти соотношения в уравнение (3.12), и составив аналогичные выражения для производных скоростей vy и vz, можно записать систему уравнений

(3.14)

Полные производные называют проекциями субстанционального или полного ускорения. Частные производные называются проекциями локального (местного) ускорения. Они представляют собой интенсивность изменения составляющих скорости в данной точке (при неизменных координатах x, y, z) и обусловлены неустановившимся характером движения жидкости. При установившемся движении эти проекции равны нулю. Суммы вида и т.п. называются проекциями конвективного ускорения. Они определяют изменение той или иной составляющей скорости по координатам, т.е. при переходе из одной точки пространства в другую.

 

Литература.

1. Лапшев, Н.Н. Основы гидравлики и теплотехники: учебник для студ. учреждений высш. проф. образования / Н.Н. Лапшев, Ю.Н. Леонтьева. – М.: Издательский центр «Академия», 2012. – 400 с. – (Сер. Бакалавриат).

2. Гусев, А.А. Гидравлика: учебник для вузов / А.А. Гусев. – М.: Издательство Юрайт, 2013. – 285 с. – Серия: Бакалавр. Базовый курс.

3. Кудинов, В.А. Гидравлика: Учеб. пособие / В.А. Кудинов, Э.М. Карташов. – М.: Высш. шк., 2006. – 175 с.

4. Альтшуль, А.Д. Гидравлика и аэродинамика (основы механики жидкости): учебник / А.Д. Альтшуль, П.Г. Киселев. – М.: Стройиздат, 1965. – 276 с.

5. Рабинович, Е.З. Гидравлика: учеб. пособие для техникумов / Е.З. Рабинович. – 2-е изд., испр. – М.: Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1957. – 396 с.

6. Гидравлика, пневматика и термодинамика: курс лекций / под ред. В.М. Филина. – М.: ИД «ФОРУМ»: ИНФРА-М, 2008. – 320 с. – (Профессиональное образование).

7. Кузнецов, В.А. Основы гидрогазодинамики: учебное пособие / В.А. Кузнецов. – Белгород: Изд-во БГТУ, 2012. – 108 с.



Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2020-11-18 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: