2.1. Основные характеристики потока

Объемным расходом (расходом) Q называют объем жидкости V, протекающий через живое сечение потока в единицу времени – Q=V/t.

Живым сечением потока называют поверхность, в каждой точке которой линии тока жидкости пересекают ее под прямым углом (рис.13). Для потока, в котором положение линий тока является параллельным (параллельноструйное движение) или это положение достаточно близко к параллельному (плавноизменяющееся движение) живое сечение является плоским (рис.13,б). Характеристикой живого сечения является его площадь  .

С редней скоростью потока  называется отношение расхода жидкости в некотором живом сечении к площади этого сечения =Q/ .

Ч асть контура поперечного сечения русла или трубы, непосредственно соприкасающаяся с жидкостью называется смоченным периметром , который характеризуется длиной  (рис.14).

Отношение площади сечения потока к длине смоченного периметра называется гидравлическим радиусом R_Г

Для круглых труб, полностью заполненных водой, гидравлический радиус R_Г связан с геометрическим радиусом r соотношением: r=2R_Г.

2.2. Уравнение постоянства расхода

Уравнение постоянства расхода (его называют еще уравнением неразрывности) представляет собой условие сплошности потока несжимаемой жидкости. Оно показывает, что для установившегося течения объемные расходы жидкости в двух разных поперечных сечениях одного и того же потока будут равны. Уравнение выражает частный случай закона сохранения вещества и записывается так

(2.1)

В уравнении (2.1) ₁, ₂ и ₁, ₂ обозначают соответственно среднюю скорость и площадь живого сечения на двух разных участках потока. Уравнение неразрывности показывает, что расход по длине потока не изменяется и равен произведению средней скорости  потока на площадь живого сечения . Следует твердо усвоить, что это уравнение справедливо для установившихся (не изменяющихся во времени) потоков несжимаемой жидкости и при отсутствии в ней разрывов (газовых и паровых полостей).

2.3. Режимы движения жидкости

Различают два основных режима течения жидкости: ламинарный (слоистый) и турбулентный (вихревой). При ламинарном режиме частицы жидкости движутся по параллельным траекториям без перемешивания. По этой причине жидкость движется отдельными слоями, и поток имеет слоистую структуру. Турбулентное движение характеризуется пульсацией давления и скоростей частиц, что вызывает интенсивное перемешивание жидкости в потоке, то есть вихревое движение.

Критерием режима течения является число Рейнольдса

(2.2)

где  – средняя скорость потока, м/с;

d – внутренний диаметр трубы (канала), м;

 - кинематический коэффициент вязкости жидкости, м²/с.

В случае течения жидкости по трубам некругового сечения при вычислении числа Рейнольдса по формуле (2.2) вместо диаметра трубы d_Г используется гидравлический диаметр, определяемый соотношением

где R_Г – гидравлический радиус, м;

 – площадь живого сечения, м²;

 – смоченный периметр, м.

В инженерной практике расчетный режим течения определяют, сравнивая число Рейнольдса Re с его критическим значением Re_кp, которое соответствует смене режимов движения жидкости. Для равномерных потоков жидкости в трубах (каналах) круглого сечения принимают Re_кp=2300. При Re<Re_кр=2300 поток будет ламинарным, а при Re>Re_кр=2300 – турбулентным.

Из выражения (2.2) следует, что числа Рейнольдса малы и, следовательно, режим является ламинарным, при низких скоростях течения в каналах незначительного поперечного сечения (в порах грунта, капиллярах) или при движении жидкостей с большой вязкостью (нефть, масло, битумы). Турбулентный режим в природе и технике встречается чаще. Его закономерностям подчиняется движение воды в реках, ручьях, каналах, системах газоводоснабжения и водоотведения, а также течение бензина, керосина и других маловязких жидкостей в трубах.