Виды движения жидкости: Движение жидкости

Содержание

3.2. Виды движения жидкости

Всякое движение жидкости характеризуется следующими основными параметрами: форма потока, плотность жидкости, скорость, ускорение, давление. В зависимости от изменения основных параметров рассматривают различные виды движения жидкости: установившееся и неустановившееся, равномерное и неравномерное.

Неустановившимся (нестационарным) называется движение, когда скорость течения и давление зависят от координат точки и изменяются во времени:

Примерами неустановившегося движения жидкости могут служить, например: истечение жидкости через отверстие из резервуара, если уровень в нём меняется; истечение жидкости из аккумулятора при изменении давления газа в нём; течение жидкости в трубопроводе с включённым в гидросистему поршневым насосом.

Неустановившиеся процессы происходят в магистралях жидкостного ракетного двигателя (ЖРД) при запуске и остановке или при переходе с одного режима тяги на другой.

Установившимся (стационарным) называется движение жидкости, при котором скорость и давление являются функциями только координат и не зависят от времени.

Параметры жидкости при установившемся движении будут функцией только трёх переменных, а именно координат рассматриваемой точки.

Установившееся движение может быть равномерным и неравномерным.

При равномерном движении скорость и давление в соответствующих точках сечения по длине остаются постоянными, т.е. поле скоростей остаётся неизменным вдоль потока.

Примером равномерного движения жидкости может служить установившееся течение в цилиндрическом трубопроводе на достаточном удалении от входа в него (рис. 3.2,а).

Рис. 3.2. Равномерное (а) и неравномерное (б) движение

При неравномерном движении скорость, давление и плотность могут изменяться с изменением координат движущейся частицы жидкости. Примером неравномерного течения жидкости может служить установившийся поток в конической трубе, а также движение жидкости на входном участке потока с меняющимся (нестабилизированным) от сечения к сечению профилем местных скоростей (рис. 3.2,б).

Исследование установившихся течений значительно проще, чем неустановившихся. В дальнейшем мы будем рассматривать, главным образом, установившиеся течения и лишь некоторые частные случаи неустановившегося движения.

Кроме рассмотренных видов движения жидкости различают также движение безнапорное и напорное.

Безнапорное движение происходит в открытых системах и осуществляется за счёт сил тяжести. Например, движение воды в реках, каналах, трубах при неполном их заполнении.

Напорное движение происходит в закрытых системах (трубопроводах), когда поток со всех сторон окружён твёрдыми стенками и движение осуществляется за счёт разности давлений по длине потока. Например, например движение жидкости в трубопроводе от насоса.

Гидродинамическое давление. При движении вязкой жидкости обязательно возникают касательные напряжения. Согласно законам механики, в общем случае это приводит к возникновению в данной точке нормальных напряжений по трём взаимно ортогональным направлениям. Напряжения сжатия по разным направлениям могут быть разными, в отличие от условий покоя, когда они по всем направлениям одинаковы, о чём говорит одно из свойств гидростатического давления.

В гидродинамике по аналогии с гидростатикой вводится понятие гидродинамического давления с тем же свойством быть постоянным по всем направлениям в данной точке. Для него сохраняется то же обозначение . Таким свойством обладает среднее арифметическое значение нормальных напряжений в рассматриваемой точке по трём взаимно ортогональных площадкам, взятое с обратным знаком

Виды движения (течения) жидкости

Течение жидкости вообще может быть неустановившимся (нестационарным) или установившимся (стационарным).

Неустановившееся движение– такое, при котором в любой точке потока скорость движения и давление с течением времени изменяются, т.е. u и P зависят не только от координат точки в потоке, но и от момента времени, в который определяются характеристики движения т.е.:

и .

Примером неустановившегося движения может являться вытекание жидкости из опорожняющегося сосуда, при котором уровень жидкости в сосуде постепенно меняется (уменьшается) по мере вытекания жидкости.

Установившееся движение – такое, при котором в любой точке потока скорость движения и давление с течением времени не изменяются, т.е. u и P зависят только от координат точки в потоке, но не зависят от момента времени, в который определяются характеристики движения:

и ,

и, следовательно, ,,,.

Пример установившегося движения — вытекание жидкости из сосуда с постоянным уровнем, который не меняется (остаётся постоянным) по мере вытекания жидкости.

В случае установившегося течения в процессе движения любая частица, попадая в заданное, относительно твёрдых стенок, место потока, всегда имеет одинаковые параметры движения. Следовательно, каждая частица движется по определённой траектории.

Траекторией называется путь, проходимый данной частицей жидкости в пространстве за определенный промежуток времени.

При установившемся движении форма траекторий не изменяется во время движения. В случае неустановившегося движения величины направления и скорости движения любой частицы жидкости непрерывно изменяются, следовательно, и траектории движения частиц в этом случае также постоянно изменяются во времени.

Поэтому для рассмотрения картины движения, образующейся в каждый момент времени, применяется понятие линии тока.

Линия тока — это кривая, проведенная в движущейся жидкости в данный момент времени так, что в каждой точке векторы скорости u_i совпадают с касательными к этой кривой.

Нужно различать траекторию и линию тока. Траектория характеризует путь, проходимый одной определенной частицей, а линия тока направление движения в данный момент времени каждой частицы жидкости, лежащей на ней.

При установившемся движении линии тока совпадают с траекториями частиц жидкости. При неустановившемся движении они не совпадают, и каждая частица жидкости лишь один момент времени находится на линии тока, которая сама существует лишь в это мгновение. В следующий момент возникают другие линии тока, на которых будут располагаться другие частицы. Еще через мгновение картина опять меняется.

Если выделить в движущейся жидкости элементарный замкнутый контур площадью

dω и через все точки этого контура провести линии тока, то получится трубчатая поверхность, которую называют трубкой тока.

Часть потока, ограниченная поверхностью трубки тока, называется элементарной струйкой жидкости. Таким образом, элементарная струйка жидкости заполняет трубку тока и ограничена линиями тока, проходящими через точки выделенного контура с площадью dω. Если dω устремить к 0, то элементарная струйка превратится в линию тока.

Из приведённых выше определений вытекает, что в любом месте поверхности каждой элементарной струйки (трубки тока) в любой момент времени вектора скоростей направлены по касательной (и, следовательно, нормальные составляющие отсутствуют). Это означает, что ни одна частица жидкости не может проникнуть внутрь струйки или выйти наружу.

При установившемся движении элементарные струйки жидкости обладают рядом свойств:

площадь поперечного сечения струйки и ее форма с течением времени не изменяются, так как не изменяются линии тока;
проникновение частиц жидкости через боковую поверхность элементарной струйки не происходит;
во всех точках поперечного сечения элементарной струйки скорости движения одинаковы вследствие малой площади поперечного сечения;
форма, площадь поперечного сечения элементарной струйки и скорости в различных поперечных сечениях струйки могут изменяться.

Трубка тока является как бы непроницаемой для частиц жидкости, а элементарная струйка представляет собой элементарный поток жидкости.

При неустановившемся движении форма и местоположение элементарных струек непрерывно изменяются.

Кроме того, установившееся движение подразделяется на равномерное и неравномерное.

Равномерное движение характеризуется тем, что скорости, форма и площадь сечения потока не изменяются по длине потока.

Неравномерное движение отличается изменением скоростей, глубин, площадей сечений потока по длине потока.

Среди неравномерно движущихся потоков следует отметить плавно изменяющиеся движения, характеризующееся тем, что:

линии тока искривляются мало;
линии тока почти параллельны, и живое сечение можно считать плоским;
давления в живом сечении потока зависят от глубины.

Ниже приведены 6 различных типов потока жидкости [Fluid Mechanic]

В этом посте вы узнаете, что такое потока жидкости в механике жидкости и типа потока жидкости на примерах.

Поток и типы жидкости

Когда жидкость проходит через точку или путь, различные параметры, связанные с потоком жидкости, изменяются по разным схемам. В данной статье мы изучим классификацию различных типов течений жидкости по условной изменчивости параметров течения в пространстве и во времени.

Двумя общими параметрами любого потока жидкости являются скорость частицы жидкости и давление рассматриваемой жидкости. Поток жидкости можно разделить на различные модели в зависимости от изменения параметров потока во времени и на расстоянии.

Преимущество характеристики потока жидкости в виде некоторого шаблона помогает анализировать его в соответствии с соответствующей парадигмой решения.

См. также: Жидкость: свойства жидкостей [краткое объяснение]

Типы течения жидкости

Ниже приведены 6 различных типов потоков жидкости

Установившийся и нестационарный поток
Равномерный и неравномерный поток
Одно-, двух- и трехмерный поток
Вращательный или безвихревой поток
26 9
Сжимаемый или несжимаемый поток

1.

Установившийся и нестационарный поток жидкости

1. Установившийся поток

Установившийся поток — это поток, при котором условия (скорость, давление и поперечное сечение) могут изменяться от точки к точке, но не не меняются со временем.

В реальных условиях очень редко встречаются такие потоки с абсолютно постоянными во времени параметрами. Параметры обычно меняются со временем, но дисперсия находится в небольшом диапазоне, так что среднее значение конкретного параметра остается постоянным в течение фиксированного периода времени.

2. Нестационарное течение

Если в какой-либо точке жидкости условия изменяются с течением времени, говорят, что течение неустойчиво. (На практике всегда имеется небольшая разница в скорости и давлении, но если средние значения постоянны, расход считается постоянным.

Постоянный поток может быть равномерным или неравномерным, поэтому неустойчивый поток также может быть равномерным или неравномерным. При стационарном течении расход постоянен во времени, а при равномерном течении площадь поперечного сечения потока жидкости через проточный поток постоянна.

Читайте также: Закон Паскаля: объяснение, формула, вывод и применение закона Паскаля

2. Равномерный и неоднородный поток жидкости

1. Равномерный поток

тогда поток жидкости равномерный.

Для равномерного потока площадь поперечного сечения потока должна оставаться постоянной. Таким образом, подходящим примером равномерного потока является течение жидкости по трубопроводу постоянного диаметра. И наоборот, поток по трубопроводу переменного диаметра будет существенно неравномерным.

2. Неравномерный поток

Поток жидкости является неравномерным, если параметры потока изменяются и варьируются в разных точках на пути потока.

Если в данный момент скорость неравномерна в каждой точке, то течение неравномерно. (На практике, согласно этому определению, каждая жидкость, которая течет вблизи твердой границы, будет неоднородной, потому что жидкость на границе должна иметь граничную скорость, обычно нулевую. Однако поток считается однородным, если форма и размер поперечного сечения потока жидкости постоянны).

Читайте также: Разница между гидравликой и пневматикой

Комбинируя вышеизложенное, мы можем классифицировать любой поток по одному из четырех типов:

1. Устойчивый равномерный поток

Условия не меняются в зависимости от положения в потоке со временем. Примером может служить течение воды в трубе постоянного диаметра с постоянной скоростью.

2. Устойчивый неравномерный поток

Условия меняются от точки к точке потока, но не меняются со временем. Например, жидкость течет в ленточной трубе с постоянной скоростью на входе — скорость будет меняться по мере продвижения по длине трубы к выходу.

3. Нестационарное равномерное течение

В данный момент условия одинаковы в любой точке данного времени, но будут меняться со временем. Например, труба постоянного диаметра, соединенная с насосом, перекачивающим с постоянной скоростью, затем закрывается.

4. Нестационарный неравномерный поток

Каждое состояние потока может меняться от точки к точке и с течением времени в каждой точке. Например волны в канале.

3. Одно-, двух- и трехмерное течение жидкости

Хотя в целом все жидкости текут в трехмерной форме, изменяясь во всех направлениях в зависимости от давления, скорости и других свойств потока, во многих случаях наибольшее изменение происходит только в двух направлениях или даже только в одном.

В этих случаях изменения в другом направлении можно эффективно игнорировать, чтобы упростить анализ.

1. Одномерный поток

Поток является одномерным, если параметры потока, такие как скорость, давление, глубина и т. д., изменяются только в направлении потока в данный момент, а не по поперечному сечению.

Поток может быть неустойчивым, в этом случае параметр меняется во времени, но все еще не по сечению. Примером одномерного потока является течение в трубе.

Все параметры потока могут быть выражены только как функции времени и пространственных координат.
Координация в одном пространстве обычно представляет собой расстояние, измеряемое вдоль осевой линии (не строго прямолинейной), по которой течет жидкость.
На самом деле поток никогда не бывает одномерным, потому что вязкость снижает скорость до нуля на твердых границах.
Однако ценные результаты часто можно получить из «одномерного анализа», если неравномерность фактического потока не очень велика.
Средние значения параметров потока на любом участке (перпендикулярном потоку) предполагается использовать для всего потока на этом участке.

2. Двумерное течение

Течение двумерное, если можно предположить, что параметры течения различаются в этом направлении по направлению потока и в одном направлении по прямым углам.

В этом типе потока линии тока представляют собой изогнутые линии в одной плоскости и одинаковы во всех параллельных плоскостях. Примером является течение через водослив, типичные линии тока которого можно увидеть на рисунке ниже.

Все параметры потока представляют собой время и две пространственные координаты (скажем, x и y).
Без изменений в направлении z.
Подобные модели линий тока обнаруживаются во всех плоскостях для направления z в любом мгновенном направлении.

3. Трехмерное течение

В трехмерном течении жидкости гидродинамические параметры являются функциями трех пространственных координат и времени.

Движение элемента жидкости в пространстве имеет одновременно три отличительные характеристики.

Поступательное движение
Скорость деформации
Вращение

4. Вращательное или безвихревое течение жидкости

1.

Вращательное течение

Вращающееся течение жидкости также является типом вращения частиц вокруг своей оси по линиям тока.

2. Безвихревое течение

Это тип течения, при котором частицы жидкости не вращаются вокруг своей оси, когда они движутся по линиям потока.

Угловой момент элементов жидкости анализируется, чтобы классифицировать любой поток как вращательный или безвихревой. Если угол в пределах двух пересекающихся линий границы элемента жидкости поворачивается при движении в потоке, то поток является Вращательным потоком.

Но если элемент жидкости вращается как единое целое и нет изменения углов внутри граничных линий, то течение не может быть вращательным, поэтому это безвихревое течение.

Это означает, что при вращательном течении должна быть некоторая деформация жидкостного элемента. Такая деформация элемента жидкости или деформация сдвига, безусловно, вызвана тангенциальными силами и касательными напряжениями.

Напряжение сдвига вызвано вязкостью, поэтому поток вязкой жидкости вращательный. Хотя это не означает, что течение невязких или идеальных жидкостей всегда безвихревое. Течение типичных жидкостей может быть вращательным за счет внешней работы или теплового взаимодействия.

5. Ламинарный или турбулентный поток

1. Ламинарный поток

Он определяется как тип потока, в котором частицы жидкости движутся по четко определенному пути или потоку, а все линии тока прямые и параллельные.

При этом частицы движутся светящимися слоями или плавно скользят по соседнему слою. Этот тип течения также известен как вязкое течение.

Умеренно движущийся поток жидкости состоит из слоев жидкости, движущихся мимо других слоев, так что некоторые слои движутся поверх других слоев. Такой поток жидкости называется ламинарным потоком.

При ламинарном течении между этими слоями жидкости действуют вязкие напряжения сдвига, которые определяют распределение скоростей в этих слоях потока. Напряжение сдвига определяется уравнением Ньютона для напряжения сдвига при ламинарном течении.

2. Турбулентный поток

Турбулентный поток — это тип потока, в котором частицы жидкости движутся зигзагообразно. Из-за зигзагообразного движения частиц жидкости образуются вихри, ответственные за большие потери энергии.

По мере увеличения скорости потока в холодных слоях эти плавно движущиеся слои начинают беспорядочно увеличиваться, и при дальнейшем увеличении скорости потока поток частиц жидкости становится полностью случайным, и такого ламинарного слоя больше не существует. Касательные напряжения при турбулентном течении выше, чем при ламинарном.

Безразмерный параметр, число Рейнольдса, описывается как отношение сил инерции и вязкости для идентификации этих двух типов структур течения. С увеличением скорости потока начальные силы увеличиваются, поэтому число Рейнольдса.

Для среднего потока число Рейнольдса меньше 2000, а для турбулентного потока больше 2300. Для переходной зоны между двумя типами число Рейнольдса колеблется в пределах 2000–4000.

6. Сжимаемый или несжимаемый поток

1. Сжимаемый поток

Сжимаемый поток — это тип потока жидкости, в котором плотность жидкости изменяется от точки к точке, или можно сказать, что плотность (ρ) непостоянна для жидкость.

2. Несжимаемый поток

Это тип потока, при котором плотность потока жидкости постоянна. Жидкости, как правило, несжимаемы, а газы сжимаемы.

Все жидкости, даже вода, сжимаемы, их плотность меняется при незначительном изменении давления. В стационарных условиях и при условии, что изменение давления мало, можно упростить анализ течения и считать его несжимаемым и имеющим постоянную плотность.

Как вы понимаете, сжимать жидкости довольно сложно, поэтому в большинстве стабильных условий они считаются неприемлемыми. В некоторых нестабильных условиях могут быть очень высокие перепады давления, которые необходимо учитывать и для жидкостей.

Стекла, напротив, очень легко сжимаются, в большинстве случаев требуется, чтобы с ними обращались как со сжатыми, принимая во внимание изменения давления.

Вот и все, спасибо за внимание. Если вам понравилась наша статья « Types of Fluid Flow », поделитесь ею с друзьями. Если у вас есть какие-либо вопросы по поводу « Типы потока жидкости », вы можете задать их в комментариях.

Читать далее:

Какие существуют типы манометров? Его преимущества и недостатки
Механические манометры: типы, работа, области применения, преимущества и многое другое

Описание различных типов потока Fluid Flow

— это подробная классификация различных потоков жидкости, существующих в природе.

В этом мы определяем поток жидкости по различным свойствам, таким как изменение скорости, падение давления, изменение плотности, маршруты и т. Д. Поток жидкости — это раздел гидромеханики, который имеет дело с жидкостями. Он предполагает движение жидкости под действием неравных сил. Пока действуют неуравновешенные силы, это движение будет сохраняться. В механике жидкости существует шесть различных типов течения жидкости.

Прежде чем мы углубимся в особенности различных типов течения в гидромеханике, важно сначала понять, что такое жидкость. Жидкость — это жидкость, газ или другой материал, который постоянно деформируется (течет) из-за приложенного напряжения сдвига или внешней силы. У них нулевой модуль сдвига, или, другими словами, они не могут сопротивляться никакому напряжению сдвига. Хотя термин жидкость охватывает как жидкую, так и газовую фазы, его определение различается в зависимости от области исследования. Давайте теперь обсудим различные типы потока жидкости в механике жидкости.

Прочитать статью полностью

Что такое Fluid Flow?

Fluid Flow — это часть гидромеханики, которая занимается динамикой жидкостей. Движение жидкости под действием неуравновешенных сил является предметом этого явления. Пока применяется неуравновешенное давление, это движение будет продолжаться. Давайте подробнее рассмотрим различные типы течения жидкости.

Было определено пять типов жидкостей: идеальная жидкость, реальная жидкость, ньютоновская жидкость, неньютоновская жидкость и идеальная пластичная жидкость. Анализ жидкости можно сделать двумя способами.

Лагранжев подход: В этом методе выбирается одна частица жидкости и исследуется ее поведение в нескольких областях (по отношению к пространству).
Подход Эйлера: Этот метод включает в себя выделение сегмента пространства и анализ поведения частиц жидкости, проходящих через него в разное время. Этот метод в основном используется в механике жидкости [относительно времени].

Какие существуют типы течения жидкости?

Жидкости, газы и плазма являются примерами жидкостей, которые являются одной из фаз материи. Жидкости, по одному из научных определений, — это вещества с нулевым модулем сдвига или, иначе говоря, вещества, не способные сопротивляться приложенной к ним сдвигающей силе.

Существует шесть различных типов течения жидкости:

Стационарный и нестационарный
Равномерный и неравномерный
Ламинарный и турбулентный
Сжимаемый и несжимаемый
Вращательный и безвихревой
Одно-, двух- и трехмерное течение жидкости

Стационарное и нестационарное Поток жидкости

Термин «стационарный поток» относится к потоку, при котором характеристики жидкости в данной точке, такие как скорость, давление, плотность и т. д. не меняются во времени.

(δV/δT) _x0,y0,z0 = 0,(δP/δT) _x0,y0,z0 = 0,(δρ/δT) _x0,y0,z0 = 0

Нестационарное течение определяется как поток, в котором параметры жидкости в данной точке изменяются со временем, такие как скорость, плотность и давление.

(δV/δT) _x0,y0,z0 ≠0,(δρ/δT) _x0,y0,z0 ≠0

Равномерный и неравномерный Fluid Flow2 Равномерный поток 900 описывается как поток, в котором скорость не меняется в пространстве в любой момент времени (т. Е. Длина направления потока).
(δV/δs) _{t=постоянная} = 0
Неравномерные типы потока жидкости описываются как тип потока жидкости, при котором скорость колеблется относительно пространства в любой момент времени (т. е. длина направления потока ).
(δV/δs) _{t=постоянная} ≠ 0
Ламинарный и турбулентный Поток жидкости
Частицы жидкости движутся по четко определенным маршрутам или прямым и параллельным линиям тока в этой форме потока жидкости. В результате частицы движутся пластинками или слоями, плавно скользя по следующему слою. Этот тип потока жидкости также известен как вязкий поток или обтекаемый поток.
Турбулентный поток жидкости определяется как поток, в котором частицы жидкости движутся зигзагообразно, образуя водовороты и тратя много энергии. Число Рейнольдса (VD/ν) — безразмерное число, определяющее тип течения жидкости в трубе.
Ламинарный поток возникает, когда число Рейнольдса меньше 2000.
Когда число Рейнольдса превышает 4000, течение описывается как турбулентное.
Течение может быть ламинарным или турбулентным, если число Рейнольдса находится в диапазоне от 2000 до 4000. из одного места в другое.
ρ ≠ постоянная
Тогда как несжимаемые виды течения жидкости описываются как течения с постоянной плотностью, что означает, что плотность жидкости не меняется от точки к точке.
ρ = константа
Течение газов сжимаемо, тогда как течение жидкостей несжимаемо.
Вращательный и безвихревой поток жидкости
Вращательный поток жидкости — это тип потока жидкости, при котором частицы жидкости вращаются вокруг своей оси, двигаясь вдоль линии тока.
С другой стороны, безвихревой поток жидкости определяется как форма потока жидкости, при которой частицы жидкости не вращаются вокруг своей оси, двигаясь вдоль линии тока.
Одно-, двух- и трехмерное течение жидкости
Одномерное течение — это когда параметр потока, такой как скорость, является функцией времени и только одной пространственной координаты, скажем, x.
u=f(x), v=0 и w=0
Компоненты скорости x,y и z равны u,v и w соответственно.
Скорость двумерного потока жидкости является функцией времени и двух прямоугольных пространственных координат, таких как x и y.
u= f ₁ (x,y,), v= f ₂ (x,y,) и w= 0.
Трехмерный поток жидкости – это форма потока жидкости, в которой скорость функцией времени и тремя взаимно перпендикулярными направлениями. Функция трех пространственных координат (x,y,z).
u= f ₁ (x,y,z), v= f ₂ (x,y,z) и w= f ₃ (x,y,z).
Часто задаваемые вопросы о типах потока жидкости
Какие существуют типы потока жидкости?
Шесть различных типов течения жидкости:
Стационарное и нестационарное
Равномерное и неравномерное
Ламинарное и турбулентное
Сжимаемое и несжимаемое
Трехвращательное и безвихревое объемный поток жидкости
Какой из четырех типов потока жидкости вам наиболее знаком?
Наиболее известные типы течения жидкости могут быть стационарными или нестационарными, сжимаемыми или несжимаемыми, вязкими или невязкими, вращательными или безвихревыми, и это лишь некоторые из характеристик. Некоторые из этих характеристик связаны со свойствами жидкости, тогда как другие связаны с движением жидкости.
Каково определение энергии жидкости?
Жидкость, которая включает в себя как жидкости, так и газы, представляет собой материал, который может легко течь. Эти материалы часто содержат первичную энергию, которую можно использовать. К ним относятся сбор первичных потоков энергии, таких как гидроэнергетика (вода — это жидкость с потенциальной энергией, которая движется в круговороте воды).
В чем разница между ньютоновской и неньютоновской жидкостью?
Ньютоновские жидкости подчиняются закону вязкости Ньютона. Скорость сдвига не влияет на вязкость. Поскольку неньютоновские жидкости не подчиняются закону Ньютона, их вязкость (отношение напряжения сдвига к скорости сдвига) является переменной величиной и зависит от скорости сдвига.
Как выглядит жидкость?
Жидкость — это материал, который течет при скручивании.