- •Тема 7 Анализ и применение уравнения Бернулли
- •7.1. Расход. Уравнение неразрывности в гидравлике
- •7.2. Анализ уравнения Бернулли
- •7.3. Энергетический смысл уравнения Бернулли
- •7.4. Предел применимости уравнений неразрывности и Бернулли
- •7.5. Примеры применения уравнения Бернулли.
- •Расходомер Вентури
- •Кавитация
7.3. Энергетический смысл уравнения Бернулли
Заключается в утверждении закона сохранения полной механической энергии единицы массы несжимаемой жидкости
а) при потенциальном течении для любой точки пространства,
б) при вихревом - только вдоль вихревой линии тока и элементарной
струйки.
Этот закон иногда формулируется в виде теоремы трех высот.
В приведенных условиях сумма трех высот - геометрической, пьезометрической и динамической сохраняет неизменное значение.
При этом составляющие полной энергии могут взаимопревращаться.
Следует иметь в виду, что изменение кинетической энергии несжимаемой жидкости вдоль элементарной струйки не может задаваться произвольно: в соответствии с уравнением неразрывности это изменение однозначно определяется изменением площади поперечного сечения канала
.
Течение в горизонтальной струйке имеет большое практическое значение, оно реализуется в соплах двигателей. Запишем уравнение Бернулли при z=const
.
Итак, увеличение скорости несжимаемой жидкости в горизонтальной элементарной струйке всегда сопровождается уменьшением давления, а уменьшение скорости – увеличением давления вплоть до при v=0. Поэтому скоростной напор широко используется, например, для подачи воды в систему охлаждения, разрушения горных пород и т.д.
В связи с тем, что скорость несжимаемой жидкости может уменьшаться только вследствие изменения площади сечения, приходим к важному выводу о том, что картина линий тока при течении несжимаемой жидкости однозначно определяет не только изменение скорости, но и статического давления: при сгущении линий тока давление уменьшается, при расширении - увеличивается. Это правило широко используется при анализе движения жидкости и ее взаимодействии с телами.
7.4. Предел применимости уравнений неразрывности и Бернулли
При течении жидкости по каналу при постоянстве , и при произвольно изменяемой площади 2. Казалось бы, что
.
Однако по уравнению Бернулли при
,
давление должно было бы принять значение минус бесконечность, что лишено смысла: абсолютное давление не может быть меньше нуля.
Таким образом уравнения неразрывности и Бернулли справедливы лишь до тех пор, пока минимальное давление в потоке остается большим нуля.
7.5. Примеры применения уравнения Бернулли.
Рассмотрим примеры применения уравнения Бернулли.
-
Расходомер Вентури
Для определения скорости и расхода жидкости часто используется расходомер Вентури. Измерим статическое давление p1 и p2 в поперечных сечениях с различными площадями.
Рис. 29 |
Интеграл Бернулли для сечений 1 и 2 принимает вид , .
|
Из уравнения равенства расходов для двух сечений 1 и 2 имеем
или .
Для вычисления показания дифференциального манометра запишем условие равновесия
.
Собирая все результаты, получаем
.
Формула используется для определения скорости в трубе. Hа практике для повышения точности иногда вводят эмпирический коэффициент, учитывающий гидравлические потери в трубке Вентури.
-
Измерение скорости
Для измерения кинетической энергии используется трубка полного давления, которая устанавливается в точке измерения открытым концом против потока жидкости ( рис. 30 ).
Рис. 30 |
Струйка жидкости, подтекающая к открытому концу трубки, полностью замораживается (v=0) и весь скоростной напор превращается в давление, которое в сумме со статическим достигает давления торможения в данной точке, и называется полным давлением , |
откуда
.
Таким образом измерение скорости жидкости или "несжимаемого" газа (M<a) основано на сопоставлении давления торможения с давлением в невозмущенном потоке. Последнее еще называется статистическим давлением. Приемником давления служит Г-образная трубка, или трубка Пито. Давление обычно измеряют с помощью U-образной трубки, куда залита жидкость манометрическая (спирт, вода, ртуть).
Приемное отверстие статического давления должно находится не слишком далеко от входа в трубку Пито, чтобы не случилось рассеивание механической энергии за счет вязкости, и не слишком близко, чтобы присутствие трубки Пито не искажало статическое давление.