Введение
В предыдущей главе было показано, что точные математические условия для сил, действующих на покоящиеся жидкости, могут быть легко получены. Это объясняется тем, что в гидростатике задействованы только простые силы давления. При рассмотрении движущейся жидкости задача анализа сразу же становится гораздо сложнее. Необходимо учитывать не только величину и направление скорости частиц, но и сложное влияние вязкости, вызывающей сдвиговое или фрикционное напряжение между движущимися частицами жидкости и на границах раздела. Относительное движение, возможное между различными элементами тела жидкости, приводит к значительному изменению давления и сдвигового напряжения от одной точки к другой в зависимости от условий течения. Из-за сложностей, связанных с явлением течения, точный математический анализ возможен лишь в немногих, и с инженерной точки зрения несколько непрактичных, случаях. Поэтому необходимо решать задачи течения либо экспериментальным путем, либо с помощью определенных упрощающих предположений, достаточных для получения теоретического решения. Эти два подхода не являются взаимоисключающими, поскольку фундаментальные законы механики всегда справедливы и позволяют применять частично теоретические методы в ряде важных случаев. Также важно экспериментально определить степень отклонения от истинных условий, возникающего в результате упрощенного анализа.
Наиболее распространенное упрощающее предположение заключается в том, что жидкость является идеальной или совершенной, что исключает усложняющие вязкостные эффекты. Это лежит в основе классической гидродинамики, раздела прикладной математики, которому уделяли внимание такие выдающиеся ученые, как Стокс, Рэлей, Ранкин, Кельвин и Лэмб. Классическая теория имеет серьезные внутренние ограничения, но поскольку вода имеет относительно низкую вязкость, во многих ситуациях она ведет себя как реальная жидкость. По этой причине классическую гидродинамику можно считать ценнейшей основой для изучения характеристик движения жидкости. Настоящая глава посвящена фундаментальной динамике движения жидкости и служит базовым введением к последующим главам, посвященным более конкретным проблемам, встречающимся в гидравлике гражданского строительства. Выводятся три важных основных уравнения движения жидкости, а именно уравнение непрерывности, уравнение Бернулли и уравнение импульса, и объясняется их значение. Далее рассматриваются ограничения классической теории и описывается поведение реальной жидкости. На протяжении всей главы предполагается несжимаемая жидкость.
Типы потоков
Различные типы движения жидкости можно классифицировать следующим образом:
1. Турбулентный и ламинарный режимы
2. Вращательные и безвихревые
3. Устойчивый и неустойчивый
4. Равномерные и неравномерные.
Погружной канализационный насос
Осевые насосы серии MVS и погружные насосы серии AVS смешанного потока (вертикальные осевые и погружные насосы смешанного потока для сточных вод) — это современные разработки, успешно созданные с использованием передовых зарубежных технологий. Производительность новых насосов на 20% выше, чем у старых, а КПД на 3–5% выше.
Турбулентное и ламинарное течение.
Эти термины описывают физическую природу потока.
В турбулентном потоке движение частиц жидкости нерегулярно, и происходит, казалось бы, случайный обмен положениями. Отдельные частицы подвержены флуктуациям поперечных скоростей, так что движение носит вихревой и извилистый, а не прямолинейный характер. Если краситель ввести в определенную точку, он быстро распространится по всему потоку. В случае турбулентного потока в трубе, например, мгновенная регистрация скорости в сечении покажет приблизительное распределение, как показано на рисунке 1(а). Стационарная скорость, которая регистрируется обычными измерительными приборами, обозначена пунктирной линией, и очевидно, что турбулентный поток характеризуется нестационарной флуктуирующей скоростью, наложенной на временное стационарное среднее значение.
Рис. 1(а) Турбулентный поток
Рис. 1(б) Ламинарный поток
В ламинарном потоке все частицы жидкости движутся по параллельным траекториям, и отсутствует поперечная составляющая скорости. Последовательность движения такова, что каждая частица точно следует по пути предыдущей частицы без каких-либо отклонений. Таким образом, тонкая нить красителя останется неизменной, без диффузии. В ламинарном потоке (рис. 1б) поперечный градиент скорости значительно больше, чем в турбулентном. Например, для трубы отношение средней скорости Vmax к максимальной скорости Vmax составляет 0,5 при турбулентном потоке и 0,05 при ламинарном потоке.
Ламинарный поток характеризуется низкими скоростями и вязкой, вялой текучестью жидкостей. В гидравлике трубопроводов и открытых каналов скорости почти всегда достаточно высоки, чтобы обеспечить турбулентное течение, хотя тонкий ламинарный слой сохраняется вблизи твердой границы. Законы ламинарного течения хорошо изучены, и для простых граничных условий распределение скоростей можно анализировать математически. Из-за своей нерегулярной пульсирующей природы турбулентное течение не поддается строгой математической обработке, и для решения практических задач необходимо в значительной степени полагаться на эмпирические или полуэмпирические соотношения.
Вертикальный турбинный пожарный насос
Номер модели: XBC-VTP
Вертикальные пожарные насосы серии XBC-VTP с длинным валом представляют собой серию одноступенчатых и многоступенчатых диффузорных насосов, изготовленных в соответствии с последним национальным стандартом GB6245-2006. Конструкция также была усовершенствована с учетом стандарта Ассоциации противопожарной защиты США. В основном они используются для пожаротушения в нефтехимической, газовой, энергетической, хлопчатобумажной, портовой, авиационной, складской, высотной и других отраслях промышленности. Также могут применяться для снабжения судов, морских резервуаров, пожарных кораблей и других объектов.
Вращательное и безвихревое течение.
Поток считается вращательным, если каждая частица жидкости имеет угловую скорость относительно своего центра масс.
На рисунке 2а показано типичное распределение скорости, связанное с турбулентным течением вдоль прямой границы. Из-за неравномерного распределения скорости частица, изначально перпендикулярная двум своим осям, деформируется с небольшим углом поворота. На рисунке 2а показано течение по кругу.
Изображена траектория, при этом скорость прямо пропорциональна радиусу. Обе оси частицы вращаются в одном направлении, так что поток снова становится вращательным.
Рис. 2(а) Вращательное течение
Для того чтобы поток был безвихревым, распределение скорости вблизи прямой границы должно быть равномерным (рис. 2б). В случае потока по круговой траектории можно показать, что безвихревой поток будет иметь место только при условии, что скорость обратно пропорциональна радиусу. На первый взгляд, на рисунке 3 это кажется ошибочным, но более внимательное рассмотрение показывает, что две оси вращаются в противоположных направлениях, так что возникает компенсирующий эффект, создающий среднюю ориентацию осей, которая не изменяется по сравнению с начальным состоянием.
Рис. 2(б) Безвихревое течение
Поскольку все жидкости обладают вязкостью, минимум реальной жидкости никогда не является истинно безвихревым, а ламинарный поток, конечно же, обладает сильно вращательными свойствами. Таким образом, безвихревой поток — это гипотетическое состояние, представляющее академический интерес, — только если бы не тот факт, что во многих случаях турбулентного потока вращательные характеристики настолько незначительны, что ими можно пренебречь. Это удобно, поскольку безвихревой поток можно анализировать с помощью математических концепций классической гидродинамики, упомянутых ранее.
Центробежный насос для перекачки морской воды
Номер модели: ASN ASNV
Насосы моделей ASN и ASNV представляют собой одноступенчатые центробежные насосы с двойным всасыванием и разъемным спиральным корпусом, используемые для водоснабжения, циркуляции воздуха в системах кондиционирования, в зданиях, ирригации, дренажных насосных станциях, электростанциях, системах промышленного водоснабжения, противопожарных системах, судах, зданиях и т. д.
Постоянный и неустойчивый поток.
Поток считается стационарным, когда условия в любой точке остаются постоянными во времени. Строгая интерпретация этого определения привела бы к выводу, что турбулентный поток никогда не бывает по-настоящему стационарным. Однако для наших целей удобно рассматривать общее движение жидкости как критерий, а непредсказуемые колебания, связанные с турбулентностью, как лишь вторичное влияние. Очевидным примером стационарного потока является постоянный расход в трубопроводе или открытом канале.
Как следствие, поток является нестационарным, когда условия изменяются во времени. Примером нестационарного потока является изменяющийся расход в трубопроводе или открытом канале; это обычно переходное явление, следующее за стационарным расходом или следующее за ним. Другие известные примеры нестационарного потока:
Примерами более периодического характера являются волновое движение и циклическое движение больших водоемов в приливных течениях.
Большинство практических задач в гидротехнике связаны со стационарным течением. Это хорошо, поскольку переменная времени в нестационарном течении значительно усложняет анализ. Соответственно, в этой главе рассмотрение нестационарного течения будет ограничено несколькими относительно простыми случаями. Однако важно помнить, что ряд распространенных случаев нестационарного течения может быть сведен к стационарному состоянию благодаря принципу относительного движения.
Таким образом, задачу о движении судна в неподвижной воде можно переформулировать так, что судно неподвижно, а вода находится в движении; единственным критерием подобия поведения жидкости является одинаковая относительная скорость. Кроме того, волновое движение в глубокой воде можно свести к следующему:
Устойчивое состояние достигается при условии, что наблюдатель движется вместе с волнами с той же скоростью.
Вертикальный центробежный многоступенчатый центробежный насос с валом и дизельным двигателем. Этот тип вертикального дренажного насоса в основном используется для перекачивания сточных вод или отходов, не подверженных коррозии, при температуре ниже 60 °C и содержащих взвешенные твердые частицы (за исключением волокон и песка) с содержанием менее 150 мг/л. Вертикальный дренажный насос типа VTP относится к вертикальным водяным насосам типа VTP, в которых на основе увеличения и усиления фланца устанавливается масло, смазываемое водой. Он может работать при температуре ниже 60 °C и перекачивать сточные воды или отходы, содержащие определенные твердые частицы (такие как железный лом, мелкий песок, уголь и т. д.).
Равномерный и неравномерный поток.
Поток считается равномерным, если величина и направление вектора скорости не изменяются от одной точки к другой вдоль пути потока. Для соответствия этому определению площадь поперечного сечения и скорость должны быть одинаковыми в каждой точке. Неравномерный поток возникает, когда вектор скорости изменяется в зависимости от местоположения; типичным примером является поток между сходящимися или расходящимися границами.
Оба этих альтернативных условия течения распространены в гидравлике открытых каналов, хотя, строго говоря, поскольку равномерное течение всегда достигается асимптотически, это идеальное состояние, к которому можно лишь приблизиться, но которое никогда фактически не достигается. Следует отметить, что эти условия относятся к пространству, а не ко времени, и поэтому в случаях замкнутого течения (например, в трубах под давлением) они совершенно не зависят от стационарного или нестационарного характера течения.
Дата публикации: 29 марта 2024 г.