- •ОСНОВЫ МЕХАНИКИ ЖИДКОСТИ
- •1.1. Структура дисциплины
- •1.2. Общая постановка задач
- •1.3. Основные физические свойства жидкостей и газов
- •1.4. Модели жидкостей и газов
- •1.5. Силы и напряжения, действующие на жидкий объем
- •1.6. Режимы течения
- •1.7. Динамический пограничный слой
- •2.1. Абсолютное и относительное равновесие жидкости
- •2.3. Основное дифференциальное уравнение статики жидкостей и газов
- •2.4. Основная формула гидростатики
- •2.5. Сила давления жидкости на плоскую стенку
- •2.6. Закон Архимеда
- •2.7. Равновесие газов. Международная стандартная атмосфера
- •3.1. Основные определения кинематики
- •3.2. Методы исследования движения жидкости и газа
- •3.3. Уравнение неразрывности потока
- •3.4. Скорость движения жидкой частицы
- •4.1. Дифференциальные уравнения движения идеальной жидкости в форме Эйлера
- •Граничные и начальные условия
- •4.3. Уравнение количества движения
- •4.4. Уравнение момента количества движения
- •4.5. Уравнение Бернулли
- •4.6. Уравнение Бернулли для элементарной струйки вязкой жидкости
- •5.1. Потери на трение (потери по длине)
- •5.2. Местные гидравлические сопротивления
- •5.3. Истечение жидкости из отверстий и насадков
- •5.3.2. Истечение жидкости через затопленное отверстие (истечение под уровень)
- •5.3.3. Струйная форсунка
- •5.4. Гидравлический расчет трубопроводов
- •5.4.1. Простой трубопровод
- •5.4.2. Сложные трубопроводы
- •5.4.3. Трубопровод с насосной подачей жидкости
- •6.1. Анализ размерностей
- •6.2. Физическое подобие. Критерии подобия
- •7.1. Механизм потери устойчивости ламинарного течения
- •7.2. Пульсационное и осредненное движение потока
- •7.3. Дополнительные (кажущиеся) турбулентные напряжения
- •7.4. Полуэмпирическая теория пути перемешивания
- •8.2. Численный эксперимент
- •Рис 8.3. Отрывные и безотрывные диффузоры
- •Конструктивные особенности ГС-3М
- •Технические данные гидростенда
- •I. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПОТОКА ЖИДКОСТИ
- •Теоретические основы эксперимента
- •Описание лабораторной установки
- •Порядок выполнения работы
- •Обработка результатов эксперимента
- •Содержание отчета
- •Список использованных источников
- •Теоретические основы эксперимента
- •Описание лабораторной установки
- •Порядок выполнения работы
- •Обработка результатов эксперимента
- •Содержание отчёта
- •Контрольные вопросы
- •Теоретические основы эксперимента
- •Описание лабораторной установки
- •Порядок выполнения работы
- •Обработка результатов эксперимента
- •Содержание отчёта
- •Контрольные вопросы к работе
- •Теоретические основы эксперимента
- •Описание лабораторной установки
- •Порядок выполнения работы
- •Обработка результатов эксперимента
- •Содержание отсчёта
- •Контрольные вопросы к работе
- •Теоретические основы эксперимента
- •Описание лабораторной установки
- •Порядок выполнения работы
- •Обработка результатов эксперимента
- •Содержание отсчёта
- •Контрольные вопросы
- •Теоретические основы эксперимента
- •Описание лабораторной установки
- •Порядок выполнения работы
- •Обработка результатов эксперимента
- •Содержание отсчёта
- •МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ № 8
- •Составители: В.Н. Белозерцев, В.В. Бирюк, Е.А. Рамзаева
- •Теоретические основы работы
- •Описание лабораторной установки
- •Методика проведения эксперимента
- •Обработка результатов эксперимента
- •Порядок выполнения работы
- •Построение трубки Вентури в программе Компас-График
- •Замечание: для точного моделирования образования пузырьков пара их роста, распада и обратного перехода в воду необходимо применять нестационарный расчёт. При таком допущении может наблюдаться картина кавитации, несколько отличающаяся от реальной.
- •2.2. Включите многофазную модель с эффектами кавитации:
- •Рис. В.10.25. Выбор k-ε в качестве модели турбулентности
- •Выберите из базы данных FLUENT материалы для двух фаз: воды и водяного пара:
- •Войдите в базу данных, нажав кнопку «Fluent database...».
- •Проверим объёмное содержание второй фазы.
- •В панели «Boundary Conditions» (Граничные условия) выберите vapor (пар) из списка «Phase» (Фазы) и нажмите «Set...». Оставьте по умолчанию «Volume Fraction» (Объёмное содержание) равным 0.
- •3.2. Отображение невязки при решении:
- •3.3. Определение решения от давления на входе:
- •Нажмите «Init» для определения решения.
- •В опциях отметьте «Filled» (Заливка). Уровень градиента цветов «Levels» установите 100.
- •При необходимости пересчет численных значений проводится нажатием кнопки «Compute» (Подсчитать).
- •Гидростатика
- •Кинематика и динамика жидкости
- •Рейтинг по основам механики жидкости
∂ (ρcx ) = 0 или ∂ (ρcx ) = 0 , т.е. ρcx = const.
∂x
Умножив на постоянную величину dS, где dS − площадь поперечного сечения элементарной струйки, получим ρcxdS = const,
то есть Gx = const, кг/с или cxdS = const, то есть Qx = const, м3/с.
Дифференциальное уравнение неразрывности течения (3.1) можно представить и в другом виде, учитывая что:
|
∂ (ρcx ) |
= ρ |
∂cx + c |
|
∂ρ |
справедливо и для других осей координат. |
||||||||||||
|
|
x ∂x |
|
|||||||||||||||
|
∂x |
|
∂x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Запишем: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
∂ρ |
|
∂ρ |
|
|
∂ρ |
|
|
∂ρ |
|
∂c |
|
∂cy |
|
∂c |
|
|
|
|
|
|
+ |
|
cx + |
|
cy + |
|
cz + ρ |
|
x + |
|
+ |
|
z |
= 0 . |
||
|
∂t |
∂x |
∂y |
∂z |
|
∂y |
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
∂x |
|
∂z |
|
Записав проекции скорости как
cx = dxdt ; cy = dydt , cz = dzdt , получим:
∂ρ |
|
∂ρ dx |
|
∂ρ dy |
|
∂ρ dz |
|
∂c |
|
∂cy |
|
∂c |
|
|
|
+ |
|
+ |
|
+ |
|
+ ρ |
|
x + |
|
+ |
|
z |
= 0 |
∂t |
∂x dt |
∂y dt |
∂z dt |
|
∂y |
|
||||||||
|
|
|
|
∂x |
|
∂z |
|
ρ = f (x, y, z,t ), |
d ρ ∂ρ ∂ρ dx ∂ρ dy ∂ρ dz |
|
||||||||||||
dt |
= ∂t + |
∂x dt |
+ |
∂y dt + |
∂z dt |
, |
||||||||
поэтому |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
d ρ |
|
|
∂c |
|
|
∂cy |
|
∂c |
|
|
|
|
||
|
|
+ ρ |
|
x |
+ |
|
|
+ |
|
z |
= 0 . |
|
|
|
|
dt |
|
∂y |
|
|
|
||||||||
|
|
|
∂x |
|
|
∂z |
|
|
|
3.4. Скорость движения жидкой частицы
Для выяснения кинематических особенностей движения жидкости необходимо общее движение с «абсолютной» скоростью с = с(r, t) разложить на простейшие.
45
Как известно, скорость произвольной точки твердого тела с всегда может быть представлена как векторная сумма скорости с0 поступательного движения полюса О и скорости вращения (ω × ro )
вокруг мгновенной оси, проходящей через полюс:
c = co + (ω × ro ).
Движение жидкой частицы является более сложным и определяется теоремой Коши–Гельмгольца, согласно которой скорость движения с любой точки жидкой частицы в данное мгновение можно рассматривать как результат сложения векторов скоростей трех более простых движений:
1)скорость квазитвердого поступательного движения произвольного полюса О, находящегося в самой частице;
2)скорость вращения частицы (ω × ro ) около собственной оси,
то есть оси, проходящей через полюс О;
3) скорость сD деформационного движения, изменяющего форму и размеры частицы.
В результате: с = со + (ω × ro ) + cD
Рис. 3.2. Деформация элемента жидкости
Наличие или отсутствие деформационного и вращательного движения жидких частиц определяет качественно отличные модели
движения жидкости.
46
На рис. 3.2 совмещены в полюсе О две проекции на плоскость хоу элементарного жидкого параллелепипеда с ребрами dx, dy, dz в начальный момент движения t и в момент t + dt после перемещения в пространстве, деформаций и вращения. Для наглядности на рис. 3.2, а представлен результат лишь линейной деформации удлинения ребер, а на рис. 3.2, б только деформации сдвига ребер и вращение элемента.
Пусть проекции скорости полюса О в начальный момент времени и и v. Проекции скоростей точек А и С в общем случае будут
|
uA = u + (∂u / ∂x)dx, |
vA = v + (∂v / ∂x)dx, |
|
|
uC = u + (∂u / ∂y)dy, |
vC = v + (∂v / ∂y)dy. |
|
Скорости относительной линейной деформации. |
Точка А |
||
движется |
относительно полюса |
О вдоль оси х со |
скоростью |
(∂u / ∂x)dx . |
Это вызывает линейную деформацию удлинения или |
||
укорочения ребра ОА, равную |
AA′ = (∂u / ∂x)dxdt . Аналогичное |
рассмотрение линейных деформаций вдоль осей у и z позволяет рассчитать величины линейных деформаций, отнесенных к длине ребер, в единицу времени, т. е. скоростей линейных деформаций εх,
εу, εz вдоль соответствующих осей координат:
ε x = AA′ / dxdt = ∂u / ∂x; ε y = ∂v / ∂y;
ε z = ∂ω / ∂z.
Объемная деформация состоит в изменении объема dV=dxdydz параллелепипеда на величину ∂V = δVx + δVy + δVz за счет удале-
ния или сближения противоположных граней. Учтем, что AA′ = (∂u / ∂x)dxdt , и подсчитаем составляющую объемной деформации за счет изменения длины ребра dx по очевидной формуле, а для ребер dy и dz – по аналогии
δVx = AA′dydz = (∂u / ∂x)dVdt;
δVy = (∂v / ∂y)dVdt; δVz = (∂ω / ∂z)dVdt.
47
Скорость относительной объемной деформации е представ-
ляет изменение объема частицы, отнесенное к ее первоначальному объему и времени деформации:
e = δV /(dVdt) = ∂u / ∂x + ∂v / ∂y + ∂ω / ∂z = divc = ε x + ε y + ε z
Для несжимаемой жидкости e = div c = 0.
Скорость относительной деформации сдвига и угол поворота частицы (рис. 3.2). Движение точки А параллельно оси у со скоростью v + (∂v/∂x)dx можно представить как движение вместе с полюсом O со скоростью v и относительно полюса со скоростью (∂v/∂x)dx. В результате относительного движения ребро ОА за вре-
мя dt повернется на бесконечно малый угол
dβ A ≈ tgdβ A = AA′′ / dx = (∂v/∂x)dxdt/ dx = (∂v/∂x)dt .
Аналогично ребро ОС повернется на угол dβC ≈ tgdβC = CC′′ / dy = (∂u /∂y)dt.
Общая относительная деформация сдвига частицы или деформация скашивания прямого угла АОС в угол А"ОС" происходит в одинаковой степени под действием тангенциального напряжения τху и τух и равна dβ A + dβC = (∂v/ ∂x + ∂u /∂y)dt . Обозначив скорость суммарной относительной деформации сдвига, вызванной τху, через θxy = (dβ A + dβC )dt , а вызванной τух – через θ yx = (dβC + dβ A)dt, приходим к заключению, что они равны θху = θух. Рассуждая аналогично, найдем скорости относительных деформаций сдвига в плоскостях xz и yz:
θxy = θ yx = ∂v/∂x + ∂u / ∂u; θ xz = θ zx = ∂ω /∂x + ∂u /∂z;
θyz = θ zy = ∂ω /∂y + ∂v/∂z.
Итак, получены девять скоростей относительных деформаций, из которых шесть тангенциальных попарно равны
θxy =θ yx; θxz =θzx; θ yz =θzy.
48
Вращение частицы около собственной оси. Определим угол dγz поворота частицы в плоскости хOу около собственной оси, проходящей через точку О параллельно оси z. Совместим на рис. 3.2 параллелограммы по диагоналям ОВ и ОВ" и запишем очевидное равенство
dβC + dγ z = dβ A − dγ z,
отсюда
dγ z = 0,5(dβ A − dβC ) = 0,5(∂v / ∂x − ∂u / ∂y)dt
По аналогии для вращения около осей, параллельных осям х и у, получим
dγ x = 0,5(∂ω / ∂y − ∂v / ∂z)dt ; dγ y = 0,5(∂u /∂y − ∂ω /∂x)dt.
49