2. Поток жидкости. Основные элементы потока.
Потоком называется объём движущейся жидкости, ограниченный полностью или частично твёрдыми стенками.
Потоки бывают безнапорные (каналы), напорные (трубопроводы), гидравлические (ограниченные жидкостной или газовой средой).
При изучении потоков жидкости вводится ряд понятий, характеризующий потоки с гидравлической и геометрической точек зрения. Такими понятиями являются: площадь живого сечения потока, смоченный периметр и гидравлический радиус. Рассмотрим эти понятия.
Площадью живого сечения потока называется площадь, проведённая нормально к направлению линий тока, т.е. нормально к направлению скоростей элементарных струек, составляющих поток (рисунок 4), обозначается ω.
В ряде случаев живые сечения потока, строго говоря, являются криволинейными. Так, например, при движении жидкости в конически расходящейся трубе (рисунок 5), когда поток состоит из ряда расходящихся элементарных струек. Живое сечение представляет собой криволинейную поверхность АВ, однако, если расхождение струек невелико, то практически под живым сечением понимают плоское сечение потока, нормальное к общему направлению движения жидкости, т.е. в рассматриваемом случае сечение А,В нормальное к оси трубы.
Рисунок 4.Живые сечения различных русел.
В ряде случаев живые сечения потока, строго говоря, являются криволинейными. Так, например, при движении жидкости в конически расходящейся трубе (рисунок 5), когда поток состоит из ряда расходящихся элементарных струек. Живое сечение представляет собой криволинейную поверхность АВ, однако, если расхождение струек невелико, то практически под живым сечением понимают плоское сечение потока, нормальное к общему направлению движения жидкости, т.е. в рассматриваемом случае сечение А,В нормальное к оси трубы.
Живое сечение может быть ограниченно твёрдыми стенками полностью или частично (во втором случае часть живого сечения ограничивается открытой поверхностью жидкости) (Рисунок 4 б, в). Если стенки ограничивают поток полностью, движение жидкости называют напорным; если же ограничение частичное, движение называется безнапорным.
Напорное движение характеризуется тем, что гидродинамическое давление в любой точке потока отлично от атмосферного и может быть как больше, так и меньше последнего.
Рисунок 5.Живое сечение в расходящейся трубе.
Безнапорное движение характеризуется постоянным давлением на свободной поверхности, обычно равным атмосферному.
Примером напорного движения является, например, движение жидкости в трубопроводе при её перекачке насосами, истечении из резервуара или водонапорного бака; примером безнапорного движения может служить движение жидкости в открытых каналах и реках.
Смоченным периметром называют часть периметра живого сечения, по которому поток соприкасается с ограничивающими его стенками, обозначим его через А. При напорном движении жидкости геометрический и смоченный периметры совпадают по величине.
В случае безнапорного движения жидкости смоченный периметр будет отличен от геометрического, т.к. линия, по которой жидкость соприкасается с воздухом в длину смоченного периметра не входит.
Так, в случае канала (рис.6), смоченный периметр будет равен:
A=b + 2h
а геометрический периметр будет равен;
П=2b+2h
Рисунок 6. Смоченный периметр канала.
Гидравлическим радиусом сечения называют отношение площади живого сечения к смоченному периметру, обозначается R.
Размерность живого сечения (площадь) [L2 ]; смоченного периметра (длина)—[L]; гидравлический радиус (длина)—[L].
Подчеркнём, что гидравлический радиус и геометрический радиус два совершенно разных понятия.
Например, при напорном движении жидкости в круглой трубе диаметром d геометрический радиус будет равен
r=d/2,
а гидравлический радиус будет равен
При движении в открытом канале (рис.6) гидравлический радиус равен
понятие же геометрического радиуса этому сечению вообще не присуще.