- •А.М. Калякин кинематика
- •А.М. Калякин Кинематика
- •Саратов 2007
- •Введение
- •1. Основные определения. Виды движения
- •1.1. Два метода изучения движения жидкости
- •1.2. Установившееся и неустановившееся движение
- •1.3. Линии тока. Свойство линий тока
- •1.5. Потоки равномерные и неравномерные,
- •1.6. Пространственные и плоские (двумерные) потоки
- •1.4. Трубка тока. Элементарная струйка
- •2. Ускорение жидкой частицы
- •3. Уравнение неразрывности
- •4. Элементы потока
- •5. Уравнение неразрывности для потока
- •6. Средняя скорость.
- •7. Уравнение неразрывности
- •8. Общий характер движения жидкой частицы
- •9. Потенциальное движение
- •9.1. Условия существования потенциального движения. Потенциал скорости
- •9.2. Уравнения Лапласа для потенциала скорости
- •10. Вихревые движения жидкости
- •Дополнительная часть. Д.1. Уравнения линий тока
- •Д.2. Плоские течения
- •Физический смысл функции тока
- •Примеры плоских сечений
- •Постановка задач для решения уравнения Лапласа
- •Первая краевая задача (задача Дирихле)
- •Вторая краевая задача (задача Неймана)
- •Д.3. Вихревая линия и вихревая трубка. Теоремы о вихрях
- •Литература
- •Оглавление
- •10. Вихревые движения жидкости
Физический смысл функции тока
П
ψn+Δψ
и
на плоскостиXOY.
В данном случае сечение S
будет криволинейным; выберем на нём
элемент dS
и заменим его составным,
состоящим из двух прямолинейных отрезков
AO=dy
и OB=-dx
– проекций dS
на оси XOY.
Очевидно, что расход через dS
и расход через составное сечения равны
одной и той же величине (рис. Д.2.2)
.

![]()
ψn
Рис. Д.2.2
Если учесть, что
![]()
и что
,
то получим окончательно
.
Итак,
разность
есть объемный
расход жидкости через площадку единичной
высоты, расположенную между линиями
тока
и
.
Примеры плоских сечений
Пример Д.2.1. Рассмотрим плоское прямолинейное и равномерное установившееся течение несжимаемой невязкой жидкости с одинаковой во всём потоке (в любой точке) скоростью, направленной вдоль оси Оy. В этом случае
,
![]()
Тогда уравнение неразрывности удовлетворяется, и течение является потенциальным.
Тогда
![]()
![]()
![]()
–
линии
равных потенциалов
представляют собой прямые, параллельные
оси абсцисс, рис. Д.2.3. Ось Оy
(x=0)
также является одной из эквипотенциальных
линий; обозначим её через
.

Рис. Д.2.3
М
Рис
Д.2.2
,
следовательно
Рис.
Д.2.2
Для функции тока найдём аналогично
.
Линии тока представляют прямые, параллельные оси Оy.
Задача Д.2.2. Найти
потенциал
и функцию тока
плоского поступательного потока,
направленного под углом к оси абсцисс.
Решение. Такой поток может быть образован в результате наложения плоского однородного поступательного потока, параллельного оси абсцисс на плоский однородный поступательный поток вдоль оси ординат.
,
.
П
ример
Д.2.2.
Предположим, что невязкая несжимаемая
жидкость непрерывно подводится к
некоторой точке плоскости и растекается
по ней с одинаковой интенсивностью по
всем направлениям, рис. Д.2.4; такое течение
называется плоским
источником.
Проведём
из центра источника несколько
концентрических окружностей различного
радиуса. Уравнение постоянства расхода
через цилиндрическую поверхность,
построенную на любой окружности и
имеющую высоту, равную единице, будет
иметь вид (при
=const)
.
С
Рис.
Д.2.4
,
где
.
Поэтому
.
Аналогично
;
окончательно полный дифференциал потенциала скорости
.
Интегрируя это выражение, найдём потенциал скорости для источника
,
где
С – константа интегрирования, которую
можно принять равной нулю, если положить,
что при круге r=1
функция
и тогда
,
(Д.2.10)
Для определения функции тока учтём, что
,
,
.
После интегрирования
.
Из
рис. Д.2.4 видно, что
,
где
– угол, образованный одной из линий
тока. Принимая
,
приy=0
получаем c=0
и, следовательно, для функций тока можно
записать
.
(Д.2.11)
Эта
зависимость выражает функцию тока
источника. Из выражений (Д.2.10) и (Д.2.11)
следует, что потенциал скорости источника
может быть представлен семейством
концентрических окружностей различного
радиуса, а функция тока
представляется пучком прямых, исходящих
из центра.
Потенциал скорости и функция тока для стока будут иметь вид, аналогичный (Д.2.10) и (Д.2.11), но с обратным знаком, т.е.
![]()
,
.
П
Рис.
Д.2.5
,
а сток в точке
,
рис. Д.2.5. В этом случае потенциалы
скорости и функции тока для источника
и стока определяются следующими
зависимостями
,
;
(Д.2.12)
,
.
(Д.2.13)
Будем
теперь сближать источник и сток, т.е.
величина
стремится к нулю
.
В пределе при
сток поглотит источник и всякое движение
будет отсутствовать. Если одновременно
со сближением центров источника и стока
будем увеличивать их расход так, чтобы
,
то получим в процессе течение, которое называется диполем. Постоянная М, характеризующая этот поток, называется моментом диполя, а ось Оx – осью диполя. На основании зависимостей (Д.2.12) и (Д.2.13) определяем потенциал скорости и функцию тока рассматриваемого течения (диполя) так, как будет показано ниже.
=
.
Умножим
числитель и знаменатель последнего
равенства на
;
в числителе получим
,
т.е.
![]()
.
В
последнем выражении – предел отношения
приращения функции к приращению аргумента
по координате х, что является частной
производной по х; поэтому выражение для
может быть записано так
.
Аналогично для функции тока диполя получается выражение
.
В
ыполняя
операции дифференцирования, приходим
к окончательным выражениям
,
.
А
Рис. Д.2.6
Пример Д.2.4. Бесциркуляционное обтекание круглого цилиндра плоским прямолинейным потоком.
Рассмотрим
цилиндр бесконечной длины, который
обтекается безграничным прямолинейным
плоским потоком идеальной жидкости
перпендикулярно его оси и так, что
скорость набегающего потока
направлена вдоль оси Ох; начало координат
поместим на оси цилиндра. Произведём
сложение двух течений: одного – диполя,
помещённого в начале координат, а второго
– прямолинейного со скоростью
,
параллельной оси ОХ. Произведём
суммирование функций тока
.
(Д.2.14)
Из
этого равенства следует, что при у=0, а
также на окружности радиуса
,
определяемого условием
,
(Д.2.15)
функция тока равна нулю, т.е. постоянна и, следовательно, названные линии являются линиями тока. Картина линий тока приведена на рис. Д.2.7.
Ψ=0 Ψ=0
Ψ=0
Ψ=0 Рис.
Д.2.7 Ψ=0 Ψ=0
Так
называемая «нулевая» линия тока
состоит из отрезка отрицательной оси
абсцисс от бесконечности до точки А, из
окружности радиуса
(ACBD)
и из отрезка положительной оси абсцисс
от точки В до бесконечности. Эта «нулевая»
линия тока разграничивает две области
течения жидкости: «внешний поток» (вне
окружности радиуса
)
и «внутренний поток», замыкающийся
внутри окружности радиуса
.
Этот «внутренний поток» не влияет на
поведение внешнего потока и ,следовательно,
картина обтекания не изменится, если
предположить, что потоком обтекается
жесткий цилиндр радиуса
.
Такое течение носит название
бесциркуляционного обтекания цилиндра.
Исключая с помощью (Д.2.15) момент диполя
из (Д.2.14), найдём выражение для функции
тока (при
)
.
Потенциал скорости такого течения будет иметь вид
.
Формулы
перехода от прямоугольных координат
(х,у) к полярным
имеют вид
,
![]()
и,
следовательно, функции
и
могут быть представлены в полярных
координатах
,
(Д.2.16)
.
(Д.2.17)
Найдём
распределение скоростей по контуру
цилиндра. Для этого достаточно найти
тангенциальную составляющую
,
так как скорость направлена по касательной
к линии тока, а радиальная составляющая
скорости на контуре цилиндра равна
нулю. Поэтому
.
Знак
«минус» указывает, что скорость направлена
в сторону, противоположную направлению
отсчёта углов
.
Распределение скоростей по развёртке
полуокружности (верхней и нижней) имеет
вид отрезка синусоиды. Скорости в точках
А и В – так называемых точках разветвления
(критических точках) – при
и
равны нулю. Максимум скорости достигается
на пересечении поверхности цилиндра с
осью ординат
,
.
(Д.2.18)
Задача
Д.2.3. применяя
зависимость (Д.2.16), построить линии тока
для случая обтекания цилиндра при
следующих данных: r=3
см,
см/с. Построить кривую распределения
скорости
на осевом сечении цилиндра от его
поверхности (по вертикали от точкиС,
рис. Д.2.6).
