- •Саратовский государственный технический университет
- •А.М. Калякин, в.К. Шашмин
- •Гидравлические задачи. Методы решения
- •Учебное пособие для студентов всех специальностей
- •Введение
- •1. Физические свойства жидкостей и газов
- •2. Кинематика
- •3. Гидростатика
- •3.4. Закон Архимеда. На тело, погружённое (полностью или частично) в жидкость, действует сила, направленная вертикально вверх и равная весу жидкости в объёме погружённой части тела Wпогр.
- •Общий раздел
- •К задаче 91
- •Специальный раздел «Физические основы Гидростатики»
- •Решения Физические свойства жидкостей и газов
- •Кинематика
- •Гидростатика
- •Сообщающиеся сосуды
- •Указания к общему разделу
- •Указания к специальному разделу «физические основы гидростатики»
- •ЛитературА
- •Моменты инерции, координаты центра тяжести и центра давления плоских фигур
- •Содержание
- •Подписано в печать 27.11.08 Формат 6084 1/16 Бум. Офсет. Усл. Печ. Л. 5,58 (6,0) Уч.-изд. Л. 5,7 Тираж 170 экз. Заказ 340 с 71
Кинематика
2.1. Прежде
всего, необходимо проверить, существует
ли такой поток. Судя по компонентам
вектора скорости, он стационарный и
жидкостьнесжимаемая,
поэтому должно выполняться уравнение
неразрывности (2.7). Вычисляя входящие
в него производные, получим
,т.е. поток с заданными
компонентами скорости может существовать.
Выражение для компонентыayимеет вид:
и окончательно
ay (0,1,2) =16 a2.
Ответ: ay (0,1,2) =16 a2.
2.2 [3]. В
каждой точке потока должно выполняться
уравнениенеразрывности
и это является основным условием
существования данного течения.
Уравнение неразрывности имеет вид (в
декартовой системе координат)
.
а) Решение
данной задачи состоит в вычислении
частных производных от компонент
скорости, подстановки их в уравнение
неразрывности и решении получившегося
уравнения.
.Уравнение неразрывности
примет вид: a ( + – 2 ) = 0.Таким образом,
течение существует, если в каждой его
точке + – 2 = 0.Последнее соотношение
выполняется, в частности, если = = .
б) Проверяя выражение уравнения неразрывности, получаем, что такое течение возможно при любых, и .
в) В
данном случае
.
Из уравнения неразрывности следует, что для существования плоского течения достаточно, чтобы 2 a = 2a или=.
Ответ: а) течение существует, если в каждой его точке + – 2 = 0;б) течение возможно при любых, и ;в) течение существует, если = .
2.3 [2]. В
данном случае, конечно, имеютсяв
виду средние скорости, так как они
одинаковые, то можно определить их
величину (по известнымQиSв первом сечении)
.Площадь бокового
притока равна
.Суммарный расход
после слияния равенQ=Q1+Q2.Сечение потока
после слияния
.
Ответ:
,
.
2.4. Объемный расход жидкости, проходящей через полосу ширинойdy, равенdQ =ux dy. Объемный расход жидкости между пластинами
.
Средняя
скорость определяется по формуле
.Так
как движение плоское, то расход,
подсчитанный выше, протекает
в потоке единичной ширины. Подставляя
из условия задачи h = 0,1 м,
получим Q = 100,01а = 0,1 (м3/с),
V = a
(м/с). Уравнение неразрывности имеет вид
(в декартовой системе координат)
.
Подставляя
в него значения компонент скорости,
убеждаемся в его
выполнении.
Ответ: V=a(м/с).
2.5. Вначале
определим расход по формуле
(учли, что
1 л = 1000 см3).Определяем среднюю
скорость с помощью зависимостиV = Q / S.
Площадь сечения трубыS = d2/4 = 3,14(1,5)2/4 = 1,766 см2.
Средняя скорость равнаV = 150/1,766 = 84,92 см/с = 0,84 м/с.
Кинематический коэффициент вязкости определяем с помощью известной зависимости = 0,01778/(1+0,00337Т+0,00022Т 2).Подставляя в последнюю зависимость Т=18С, получим = 0,01778/(1+0,0033718+0,00022(18)2) = 0,0106 см2/с.
Ч
исло
Рейнольдса равноRe = Vd / = 84,921,5 / 0,0106 = 12016
(обычно при определении числа Re
учитывают только целую часть). Возможно
было бы вначале составить общую
зависимость для числа Re,
а затем подставить в нее все числовые
значения. Например, для средней скорости
,
учитывая, чтоQ = W / t,
последняя формула примет вид
.
Для числаRe
получим
.
При подстановке в последнюю формулу
числовых значений важно все давать в
одной системе измерений.
Ответ: Re= 12016,V= 0,84 м/с.
2.6. Осьхнаправлена вдоль потока и совпадает с
осью трубы, зависимостьrотуиzимеет вид
.Применяя зависимости
(2.1), для случая а) получим:x = y = z=0,
т.е. поток потенциальный.
Для случая б) имеем при подстановке
;
,
т.е. поток вихревой.
Ответ:а) поток потенциальный; б) поток вихревой.
2.7. Для
установившегося потока несжимаемой
жидкости должно выполняться уравнение
неразрывности
.
Вычисляя частные производные
,
убеждаемся, что уравнение неразрывности
удовлетворяется, т.е. такой поток жидкости
может существовать. Из определения
функции тока следует![]()
.
Интегрируем
(*), получим
,
или
(***).
Из
(**) следует
,
или
,
поэтому
.
Частную
производную заменяем обычной и интегрируем
.
Подставляя выражение для f(x) в (***), получим зависимость.
.
Условие потенциальности потока
выполняется, так как x = y = z= 0
и поток имеет потенциал. Для потенциального
потока
и
.
Интегрируя первое соотношение, получаем
,
или
.
Из второго соотношения
получаем
.
Интегрируем последнее равенство
.
Потенциальная функция определена с точностью до постоянной, поэтому получаем (0,0) = 0, тогда С2=0. Окончательно, потенциал скорости будет иметь вид
.
Ответ:
,
.
