Гидродинамикой называется один из важнейших разделов гидравлики, в котором исследуются и описываются законы движения жидкости.
Рисунок 1. Основные задачи гидродинамики. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Трудность тщательного изучения законов движения жидкости обусловливается прежде всего самой природой данного вещества и особенно сложностью учета сил физического трения, которые оказывают весомое воздействие на ее движение.
Из-за огромного количества переменных величин, которые определяют направление жидкости, сложность наблюдаемых при этом процессов и трудности математической формулировки заменяется некоторой упрощенной условной схемой, расчленяющей все движение на отдельные составляющие. Такой план рассматривает поток жидкости состоящим из постоянных элементарных струек.
Иногда для упрощения ученые полагают жидкость идеальной – имеющей постоянную и лишенной вязкости во всех точках плотность. Полученные посредством такого метода уравнения движения идеальной жидкости исправляются в итоге введением соответствующих дополнений и опытных показателей, которые переносятся на реальные элементы и используются для решения конкретных, сложных задач.
Основные задачи гидродинамики
Центральными задачами гидродинамики являются установление прямых зависимостей для главных факторов направления жидкости и отыскание необходимых характеристик движения по заданным заранее параметрам.
Последними считаются физические силы, которые вызывают движение, а искомыми свойствами выступают скорость движения и внутреннее давление в жидкости.
Давление внутри жидкости называется в этом случае гидродинамическим, которое действует в определенных точках пространства, что влияет на движение элементарных частиц. Знание законов и принципов гидродинамики позволяет исследователям находить разность давлений, необходимую для дальнейшего перемещения данного количества жидкости с конкретной скоростью, а значит, и расход энергетического потенциала на такой процесс, или наоборот – установить точную скорость и расход вещества при известном перепаде напряжений.
Еще одна важная задача гидродинамики непосредственно связана с анализом движения жидкостей внутри труб и каналов, а также с исследованием закономерностей общего обтекания жидкостями различных материальных тел.
Примером неустановившегося движения может выступать истечение жидкости из отверстий при нестабильном уровне её в резервуаре: с внезапным понижением высоты столба скорость истечения автоматически уменьшается во времени.
Кроме того, могут быть ещё следующие виды движения жидкости:
- вихревое движение – предполагает вращение частиц жидкости вокруг своих осей;
- равномерное движение – установившееся явление, при котором живые сечения любого потока и средняя скорость одинаковы абсолютно по всей длине;
- неравномерное движение – поперечное сечение движущегося элемента изменяется по длине потока.
Стоит отметить, что для характеристики состояния жидкости недостаточно знать только распределение внутреннего давлений в каждой ее материальной точке. Необходимо знать также, с какими начальными скоростями движется жидкость в конкретных точках. Поэтому в гидродинамике основной акцент делается на разрешении двух основных задач: определении распределения давления и скоростей внутри потока жидкости, а также установлении силовой взаимосвязи жидкости с соприкасающимися с ней твердыми телами.
Классификация гидравлических сопротивлений
Рисунок 2. Гидравлическое сопротивление. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
При движении реальной жидкости часть внутренней энергии потока всегда затрачивается на преодоление гидравлических сопротивлений, которые подразделяются на такие два вида:
- сопротивления по всей длине потока - обусловливаются силами трения и зависят от длины потока;
- местные сопротивления – формируются посредством изменения направлений или величины скорости в различных сечениях энергетического потока.
Такие сопротивления вызываются задвижками, кранами, вентилями на разных трубах неожиданным сужением или расширением потока. Часть энергии движущейся жидкости, которая затрачивается на преодоление гидравлических препятствий, называется потерями энергии.
Внешняя задача гидродинамики
Законы движения твердых физических тел в жидкости (или обтекание жидкостью материальных веществ) имеют существенное значение для расчета многих современных аппаратов, применяющихся при производстве и реализации строительных материалов. Знание законов гидродинамики позволяет более полно представить физическую сущность процессов, происходящих, например, при транспортировании бетонного раствора по трубопроводам, перемешивании разнообразного рода масс, движении элементарных частиц при сушке и обжиге во взвешенном конденсированном состоянии, а также экономично и правильно сконструировать технологические установки и агрегаты, применяемые непосредственно для этих целей.
При быстром обтекании твердого тела потоком жидкости или при движении вещества в покоящейся жидкости формируются гидродинамические сопротивления, которые проявляются в близости от самого объекта и определяются взаимодействием сил вязкости и параметров, определяемых разностью внутреннего давления перед обтекаемым телом.
Соотношение между данными параметрами должно быть всегда различным, и исходить из формы самого твердого тела, уравнения движения потока и ряда других внешних факторов. Так, к примеру, при обтекании потоком жидкости тонкой плоской пластинки, установленной параллельно направлению осей скорости набегающей среды, сопротивление в гидродинамике определяется в первую очередь силами трения, появляющимися на боковых поверхностях пластинки.
В случае, если же поток набегает на предмет по нормали к ее изначальной поверхности, то эффект проявления сил вязкости становится пренебрежимо малым, в результате чего сопротивление напрямую зависит от разности давления за и перед обтекаемым телом. При обтекании потоком вещества произвольной формы коэффициенты трения и давления оказываются несоизмеримыми по величине.
С развитием турбулентности все большую роль начинают играть силы внутренней инерции. Под их влиянием пограничный слой постепенно отрывается от поверхности, что приводит к формированию за телом отрывного, вихревого течения, направленного строго навстречу потоку. В итоге возникает дополнительная сила гидравлического сопротивления, движущаяся в сторону потока. Вследствие этого явления в лобовой части физического тела всегда оказывается больше энергии в его кормовой части. Равнодействующая указанных сил давления, отличная от нулевого показателя, и определяет собой сопротивление давления в гидродинамике. Поскольку она находится в зависимости от формы вещества, ее называют сопротивлением формы.
