Основы гидродинамики
Гидродинамикаизучает законы движения жидкости и ее взаимодействие с неподвижными и подвижными поверхностями. По законам гидравлики изучают движение воды в каналах, ручьях, реках, движение воды через водослив, в трубах, в порах грунта.
Состояние жидкости в покое определяется лишь гидростатическим давлением, ее состояние в движении характеризуется еще и скоростью движения частиц. Совокупность движения частиц жидкости в русле, ограниченном твердыми стенками, называется потоком жидкости.
Различают установившееся и неустановившееся движение потока жидкостей. Если при движении потока жидкости в каждой точке основные характеристики движения (давление и скорость) будут оставаться неизменными в течение времени, то такое движение называется установившимся, или стационарным. В качестве примеров установившегося движения можно привести движение воды в каналах, реках между паводками, водопроводных трубах при постоянном расходе, истечение жидкости из отверстия в стенке или дне сосуда, когда уровень жидкости в этом сосуде все время поддерживается постоянным.
При неустановившемсядвижении скорость каждой точки жидкости изменяется с течением времени, поэтому изменяются расход и давление жидкости. Примеры этого вида движения - истечение из отверстия резервуара, движение воды в реках в паводок или во время выпадения интенсивных осадков.
В природе наблюдается неустановившееся движение жидкости, так как русла рек имеют различную ширину и переменную глубину, поэтому возникают трудности при теоретических расчетах. Для упрощения расчетов в гидродинамике вводится понятие плавно изменяющегося движения, при котором жидкость движется с небольшим углом расхождения, т. е. прямолинейными параллельными струйками. Это означает, что поперечное сечение потока жидкости расположено перпендикулярно движению воды.
Установившееся движение может быть равномерным и неравномерным.
При равномерномдвижении (рис. 6.4, а) скорости движения воды V и поперечные сечения потока в двух смежных сечениях 1-1 и 11-11 одинаковы. Глубина потока имеет постоянное значение. Эпюры скоростей для всех сечений потока имеют одинаковую площадь и форму. Примерами такого движения могут быть движения воды в водопроводных трубах, в призматических каналах с постоянной глубиной наполнения.
При неравномерномдвижении (рис. 7.4, б) по длине потока глубины -и скорости течения воды меняются, т. е. изменяет свои размеры и живое сечение потока жидкости. Эпюры скоростей по длине потока имеют различную форму и площадь. Примерами такого движения могут быть движения воды на быстротоках, в открытых естественных руслах, на участках расположения мостов и труб. Перед искусственными сооружениями создается напор воды Н в результате уменьшения живого сечения водотока. На выходе из искусственного сооружения поток растекается и устанавливается обычная бытовая глубина Нб для нестесненных условий.
Рисунок 6.4 Схема установившегося движения жидкости
В зависимости от характера сил, действующих на жидкость и приводящих ее в движение, потоки делятся на напорные и безнапорные.
Напорные потоки- потоки, в которых все поперечное сечение заполнено жидкостью. Движение осуществляется за счет силы тяжести (массовых сил) перемещающейся жидкости, а также за счет давления. Примерами напорного движения могут служить движения воды в напорных водопроводных трубах, в водопропускных трубах под автомобильной дорогой.
В безнапорных потокахимеется свободная поверхность, связанная с атмосферой воздушной среды. Движение осуществляется только за счет силы тяжести перемещающейся жидкости. Примерами безнапорного движения могут служить движения воды в ручьях, реках, каналах, канавах, трубах, работающих неполным сечением.