Уравнение Бернулли

Красным отмечены те вопросы на которые надо ответить

Уравнение Бернулли для потока реальной жидкости, его физический смысл.

Уравнение Бернулли является следствием закона сохранения энергии для стационарного потока идеальной (то есть без внутреннего трения) несжимаемой жидкости:

Здесь — плотность жидкости, — скорость потока, — высота, на которой находится рассматриваемый элемент жидкости, — давление в точке пространства, где расположен центр массы рассматриваемого элемента жидкости, — ускорение свободного падения.

В реальных потоках жидкости присутствуют силы вязкого трения. В результате слои жидкости трутся друг об друга в процессе движения. На это трение затрачивается часть энергии потока. По этой причине в процессе движения неизбежны потери энергии. Эта энергия, как и при любом трении, преобразуется в тепловую энергию. Из-за этих потерь энергия потока жидкости по длине потока, и в его направлении постоянно уменьшается.

Из закона Бернулли следует, что при уменьшении сечения потока, из-за возрастания скорости, то есть динамического давления, статическое давление падает. Это является основной причиной эффекта Магнуса. Закон Бернулли справедлив и для ламинарных потоков газа. Закон Бернулли справедлив в чистом виде только для жидкостей, вязкость которых равна нулю. Для описания течений реальных жидкостей в технической гидромеханике (гидравлике) используют интеграл Бернулли с добавлением слагаемых, учитывающих потери на местных и распределенных сопротивлениях.

Уравнение Бернулли для потока реальной жидкости

Распределение скоростей

1 - элементарная струйка;

идеальная жидкость;

2 - реальная (вязкая) жидкость

• При движении реальной вязкой жидкости возникают силы трения и вихри, на преодоление которых жидкость затрачивает энергию.

• В результате полная удельная энергия жидкости в сечении 1-1 будет больше полной удельной энергии в сечении 2-2 на величину потерянной энергии

Что такое трубка Пито и для чего она служит?

Трубка Пито – прибор для измерения скорости в точках потока. для измерения динамического напора текущей жидкости или газа. Представляет собой Г-образную трубку. Установившееся в трубке избыточное давление приближённо равно: , где p— плотность движущейся (набегающей) среды; Vₒ- скорость набегающего потока;ξ— коэффициент.

Напорная трубка Пито подключается к специальным приборам и устройствам. Применяется при определении относительной скорости и объёмного расхода в газоходах и вентиляционных системах в комплекте с дифференциальными манометрами.

Применяется как составная часть трубки Прандтля в авиационных приёмниках воздушного давления для возможности одновременного определения скорости и высоты полёта.

Как перевести уравнение Бернулли из размерности длин в размерность давлений?

Уравнение Бернулли в форме напоров, м

Уравнение Бернулли в форме давлений, Па

-- потери давления от первого сечения до второго.

Какие существуют режимы течения и как определяются границы существования этих режимов?

1. Ламинарный режим движения. Особенности - слоистый характер течения жидкости, отсутствие перемешивания, неизменность давления и скорости по времени.

2. Переходный режим.

3. Турбулентный режим течения. Заметны: вихреобразование, вращательное движение жидкости, непрерывные пульсации давления и скорости в потоке воды.

1. Ламинарным называется слоистое течение без перемешивания частиц жидкости и без пульсации скорости и давления. При ламинарном течении жидкости в прямой трубе постоянного сечения все линии тока направлены параллельно оси трубы, при этом отсутствуют поперечные перемещения частиц жидкости.

2. Турбулентным называется течение, сопровождающееся интенсивным перемешиванием жидкости с пульсациями скоростей и давлений. Наряду с основным продольным перемещением жидкости наблюдаются поперечные перемещения и вращательные движения отдельных объемов жидкости. 3. Переход от ламинарного режима к турбулентному наблюдается при определенной скорости движения жидкости. Эта скорость называется критической (Vкр=kv/d).

Значение этой скорости прямо пропорционально кинематической вязкости жидкости v и обратно

пропорционально диаметру трубы d.

4. Входящий в эту формулу безразмерный коэффициент k одинаков для всех жидкостей и газов, а также для любых диаметров труб. Этот коэффициент называется критическим числом Рейнольдса Reкр и определяется следующим образом:

Reкр= Vкрd/v= pVкрd/μ≈2300…2320

Как вычисляется число Рейнольдса?

Критерий подобия Рейнольдса (число Рейнольдса) позволяет судить о режиме течения жидкости в трубе. Число (критерий) Рейнольдса Re - мера отношения силы инерции к силе трения

Re= Vd/v= pVd/μ, где μ-динамич.коэф.вязкости, v=μ/p,

При Re < Reкр =2320 течение является ламинарным;

2320 <Re < 3800…4200 - переходная область;

Re > 3800…4200 течение турбулентное.

Зависимости справедливы только для круглых труб.

При увеличении скорости растут силы инерции. Силы трения при этом больше сил инерции и до некоторых пор выпрямляют траектории струек

При некоторой скорости vкр:

Сила инерции Fи > силы трения Fтр, поток становится турбулентным

Уравнение Бернулли для установившегося движения идеальной жидкости, его физический смысл.

Приведем уравнения Эйлера к виду, удобному для интегрирования, умножив соответственно на dx, dy,

dz и сложив:

Получаем

С учетом, что

-полный дифференциал давления

Окончательное выражение:

Если жидкость находится только под действием силы тяжести и ее плотность неизменна, то

Окончательно

уравнение Бернулли для струйки идеальной жидкости

Уравнение Бернулли для установившегося движения вязкой жидкости.

Распределение скоростей

1 - элементарная струйка; идеальная жидкость;

2 - реальная (вязкая) жидкость

Здесь

V 1,2 - средняя скорость потока в сечениях 1,2;

hW1,2 = hпот 1-2 - потерянный напор потери напора между сечениями 1-2;

α1,2 - безразмерный коэффициент Кориолиса - отношение действительной кинетической энергии потока в данном сечении к кинетической энергии потока в том же сечении при равномерном распределении скоростей.

Таким образом, уровень первоначальной энергии, которой обладает жидкость в первом сечении, для второго сечения будет складываться из четырех составляющих: геометрической высоты, пьезометрической высоты, скоростной высоты и потерянного напора между сечениями 1-1 и 2-2
Скорость течения вязкой жидкости в длинной трубке: v = (ΔP / η) · R² / (8 · l), где ΔP — разность давлений на концах трубки, η — вязкость жидкости или газа (сильно зависит от температуры), R — внутренний радиус трубки, l — её длина, l >> R.

Коэффициенты Кориолиса. Величина коэффициентов для ламинарного и турбулентного режимов течения.

Коэффициент Кориолиса - отношение действительной кинетической энергии потока в данном сечении к кинетической энергии потока в том же сечении при равномерном распределении скоростей. Мощность элементарной струйки:

Для потока

Разделив полученное выражение на и учитывая, что (удельная мощность на 1 Н

веса жидкости = средний напор в сечении Нср) получаем:

Здесь - коэффициент Кориолиса.

При равномерном распределении скоростей α =1 (элементарная струйка/идеальная жидкость),

при неравномерном α>1. V - средняя скорость в живом сечении .

- коэффициент Кориолиса для ламинарного режима.

- коэффициент Кориолиса для турбулентного режима (стремится к 1,0 при увеличении Re)

Рациональный выбор сечений для решения уравнения Бернулли.

Сечения выбираются всегда перпендикулярно направлению движения жидкости и должны располагаться на прямолинейных участках потока

Одно из расчетных сечений необходимо брать там, где нужно определить давление р, высоту z или

скорость V , второе, где величины р, z, и V известны

Нумеровать расчетные сечения следует так, чтобы жидкость двигалась от сечения 1-1 к сечению 2-2

Плоскость сравнения 0-0 –любая горизонтальная плоскость. Для удобства её проводят через центр тяжести одного из сечений

Практическое применение уравнения Бернулли: трубка Пито.

Трубка Пито – прибор для измерения скорости в точках потока.

Составив уравнение Бернулли для сечений a-a и b-b, получим

. Отсюда

Практическое применение уравнения Бернулли: расходомер Вентури.

а) Пренебрегая потерями напора и считая z1 = z2 , напишем уравнение Бернулли для сечений 1-1 и 2-2:

б) Из уравнения неразрывности

в) Из уравнения пьезометра

Решая совместно, получаем:

Энергетическое толкование уравнения Бернулли.

Энергетических характеристик жидкости. Суммарной энергетической характеристикой жидкости является её гидродинамический напор.

С физической точки зрения это отношение величины механической энергии к величине веса жидкости, которая этой энергией обладает. Таким образом, гидродинамический напор нужно понимать как энергию единицы веса жидкости. И для идеальной жидкости эта величина постоянна по длине. Таким образом, физический смысл уравнения Бернулли это закон сохранения энергии для движущейся жидкости.

Здесь с энергетической точки зрения (в единицах энергии, Дж/кг) gz — удельная потенциальная энергия положения; rР/ — удельная потенциальная энергия давления; gz + rР/ — удельная потенциальная энергия; u²/2 — удельная кинетическая энергия; и — скорость элементарной струйки идеальной жидкости.

Умножив все члены уравнения на удельный вес жидкости g, получим

gz - весовое давление, Па; P — гидродинамическое давление, Па; иr² /2— динамическое давление Па; Hg— полное давление, Па

Геометрическое толкование уравнения Бернулли.

Положение любой частицы жидкости относительно некоторой произвольной линии нулевого уровня 0-0 определяется вертикальной координатой Z. Для реальных гидравлических систем это может быть уровень, ниже которого жидкость из данной гидросистемы вытечь не может. Например, уровень пола цеха для станка или уровень подвала дома для домашнего водопровода.

Как и в гидростатике, величину Z называют нивелирной высотой.
Второе слагаемое - носит название пьезометрическая высота. Эта величина соответствует высоте, на которую поднимется жидкость в пьезометре, если его установить в рассматриваемом сечении, под действием давления P.
Сумма первых двух членов уравнения ¾ гидростатический напор.
Третье слагаемое в уравнения Бернулли называется скоростной высотой или скоростным напором. Данную величину можно представить как высоту, на которую поднимется жидкость, начавшая двигаться вертикально со скорость u при отсутствии сопротивления движению.
Сумму всех трёх членов (высот) называют гидродинамическим или полным напором и, как уже было сказано, обозначают буквой Н.

Все слагаемые уравнения Бернулли имеют размерность длины и их можно изобразить графически.

Значения - нивелирную, пьезометрическую и скоростную высоты можно определить для каждого сечения элементарной струйки жидкости. Геометрическое место точек, высоты которых равны , называется пьезометрической линией. Если к этим высотам добавить скоростные высоты, равные , то получится другая линия, которая называется гидродинамической или напорной линией.

Из уравнения Бернулли для струйки невязкой жидкости (и графика) следует, что гидродинамический напор по длине струйки постоянен.

Линия полного напора и ее построение.

Физический смысл уравнения Бернулли.

Из закона Бернулли следует, что при уменьшении сечения потока, из-за возрастания скорости, то есть динамического давления, статическое давление падает. Это является основной причиной эффекта Магнуса. Закон Бернулли справедлив и для ламинарных потоков газа. Явление понижения давления при увеличении скорости потока лежит в основе работы различного рода расходомеров (например труба Вентури), водо- и пароструйных насосов. А последовательное применение закона Бернулли привело к появлению технической гидромеханической дисциплины — гидравлики.

Закон Бернулли справедлив в чистом виде только для жидкостей, вязкость которых равна нулю, то есть таких жидкостей, которые не прилипают к поверхности трубы. На самом деле экспериментально установлено, что скорость жидкости на поверхности твердого тела почти всегда в точности равна нулю (кроме случаев отрыва струй при некоторых редких условиях).

закон Бернулли объясняет эффект притяжения между телами, находящимися на границе потока движущейся жидкости (газа). Иногда это притяжение может создавать угрозу безопасности. Например, при движении скоростного поезда «Сапсан» (скорость движения более 200 км/час) для людей на платформах возникает опасность сброса под поезд.Аналогично «затягивающая сила» возникает при движении судов параллельным курсом: например, подобные инциденты происходили с лайнером «Олимпик».

Влияние эпюры скоростей в канале на удельную кинетическую энергию потока. Ее учет в уравнении Бернулли.

Кавитация, причины, условия возникновения, меры борьбы с кавитацией. Определение возможности кавитации с помощью уравнения Бернулли.

Кавитация – явление, возникающее в жидкости при высоких скоростях движения жидкости, т.е. при малых давлениях. Кавитация – нарушение сплошности жидкости с образованием паровых и газовых пузырей (каверн), вызванное падением статического давления жидкости ниже давления насыщенных паров этой жидкости при данной температуре.

p2=pнп=f(t)- условие возникновения кавитации

Меры борьбы с кавитацией:

• снижение скорости жидкости в трубопроводе;

• уменьшение перепадов диаметров трубопровода;

• повышение рабочего давления в гидросистемах

(наддув баков сжатым газом);

• установка всасывающего отверстия насоса не

выше допускаемой высоты всасывания (из паспорта

насоса);

•применение кавитационно-стойких материалов.