Гидростатика
Гидростатика - раздел гидромеханики, в котором изучаются свойства сплошной среды, находящейся в статическом равновесии. В этом случае можно утверждать, что
v
= 0,
=0,
где А - любой параметр рассматриваемой среды. Кроме того,

Система основных уравнений гидростатики выглядит следующим образом

(13)
где
- плотность, р - давление, q
-
вектор теплового потока, а
F - массовая сила, т. е. сила, действующая на каждую частицу объема (как правило, это сила тяжести).
Из второго уравнения системы (13) можно при некоторых предположениях получить соотношение между плотностью и давлением, что существенно облегчает решение многих задач. Пусть F - это консервативная сила, т. е. ее можно представить в виде
F = -grad U
Тогда второе уравнение системы (13) можно записать в виде
-gradU=
grad
p
(14)
Предположим,
что плотность среды зависит только от
давления, т.е.
= Ф( р). Такая среда называется баротропной.
Введем следующую функцию

Легко проверить, что тогда
—grad
p
= grad
Р.
Подставив полученное выражение в (14), можем записать
grad(U+ Р) = 0, U + Р = const.
Как правило, U = gz - потенциал силы тяжести. Таким образом,
gz + P = const.
(16)
Константа в правой части равенства определяется из начальных условий. Что же касается функции Р, то существует несколько баротропных процессов, для которых можно выписать ее значение.
1)
Несжимаемая жидкость (
=const).
Р
= p/
.
(17)
2)
Изотермический процесс (
).

(18)
3)
Адиабатический процесс (р/
=
)

(19)
где
- некоторая константа, зависящая от вида
жидкости или газа.
Подставляя какое-либо из выражений (17), (18) или (19) в формулу (16), мы получим связь между плотностью, давлением и высотой z. Рассмотрим пример использования подобной формулы.
Задача
3. Определить давление газовой смеси на
высоте z
=
5 км, если на высоте
=
З км
=
37 кН/
,
1.24 кг/
.
Процесс изменения давления считается
изотермическим.
Решение. Подставим формулу (18) в выражение (16). Получим
gz
+
In
р
= const.
Найдем константу из начальных условий
const
=
g
+
In
,


Подставим
в полученное выражение числовые значения
,
,
и
и вычислим
р
= 19.18кН/
.
Литература
[2] с. 83 -95,
[4] с. 78 - 87.
Гидродинамика идеальной жидкости
Модель идеальной жидкости предполагает отсутствие сил внутреннего трения. Основным уравнением динамики идеальной жидкости является уравнение Эйлера:

(20)
В некоторых случаях уравнение (20) может быть проинтегрировано. Предположим, что течение стационарное, массовая сила F
консервативна и жидкость баротропна. Тогда справедлив так называемый интеграл Бернулли:
=
const,
где U - потенциал массовой силы, а Р может иметь вид (17), (18) или (19), в зависимости от исследуемого течения.
Рассмотрим решение задач по гидродинамике идеальной жидкости.
Задача
4.
Цилиндрический сосуд, заполненный
жидкостью с плотностью
=
2
кг/
,
двигается поступательно с ускорением
а =3 м/
,
составляющим угол
= 30° с горизонтом. Определить
распределение давления в жидкости, а
также уравнение свободной поверхности,
считая, что жидкость находится в
равновесии, объем жидкости 1.2
,
площадь основания сосудаS
=
0.79
,
давление на свободной поверхности
=100 кН/
.
Рис. 3.
Решение. Расположим оси декартовой системы координат так, чтобы вектор ускорения а лежал в плоскости Oyz. Т. к. нам нужно определить давление, запишем уравнение (20) в виде
-grad
p =

р
=
а
= p(a
cos
a sin
k)=
j
+
3 •
k
,

Запишем уравнения движения в координатном виде:



Таким образом, давление можно найти, вычислив криволинейный интеграл

=-15.59
где
С - произвольная постоянная. На свободной
поверхности, уравнение которой нам
также надо найти, давление р =
=
Н/
.
Подставим это в полученное выражение.
-15.59
•
у - 32.4
z
+
С =
,

Мы получили уравнение свободной поверхности в виде уравнения плоскости с точностью до произвольной постоянной. Займемся теперь определением произвольной постоянной. Ее можно найти из условия, что объем жидкости при движении остается неизменным. Вычислим объем с помощью двойного интеграла. Найдем радиус основания сосуда.

Тогда


Подставляя
значения V и R,
получим, что С = 149.22 •
.
Теперь можем записать окончательные выражения для функции давления и для уравнения свободной поверхности.
р
= -15.59 • 103у -32.4
z
+149.22
•
,
z = -0.48 у + 1.52.
Задача
5. Цилиндрический сосуд с радиусом
основания R=25
см
заполнен жидкостью с плотностью
= 2 •
кг/
.
Объем жидкости 1.4
.
Сосуд вращается вокруг вертикальной
оси с угловой скоростью 4 1/с. Определить
распределение давления в сосуде и
уравнение свободной поверхности, считая,
что давление на поверхности жидкости
=100
кН/
.
Рис. 4.
Решение. Снова воспользуемся уравнением (20). По определению, скорость при вращении равна

Тогда

.
Аналогично предыдущей задаче, запишем уравнение (20) в координатном виде





Т.к. давление на свободной поверхности известно, можем записать уравнение свободной поверхности

Это уравнение параболоида. Определим произвольную постоянную из условия сохранения объема.


Подставляя
значения V и R,
получим, что С = 239.25-
. В результате можем записать
p
= 16
(
)
- 19.6
z
+
239.25
,
z
=
0.82
+
7.1.
Задача
6. Определить силу действия атмосферного
вихря на здание шириной 4 м, если циркуляция
скорости в этом вихре Г = 3.1
-
/с,
плотность воздуха
=1.235 кг/
,
а расстояние от здания до центра
вихря 50 м. Площадь стены здания, обращенной
к вихрю, равна 310 м . Среду считать
несжимаемой.
Рис. 5.
Решение. Запишем интеграл Бернулли в этом случае

По
условию задачи
сохраняет
постоянное значение. Константу в
правой части равенства можно выразить
через значения скорости и давления на
бесконечности. Тогда

(23)
Очевидно,
=
0. Скорость v
на
расстоянии г от центра вихря вычисляется
по формуле v
=
Таким
образом

Стены здания находятся на расстоянии 50 м и 54 м от центра вихря. Давление на них, согласно формуле, будет

Результирующая сила давления равна

где S - площадь стены здания. Проведя вычисления, получим
R = 26.23 кН.
Задача
7. Газ плотностью
= 1.16 кг/
находится в радиальном цилиндрически
симметричном движении в слое высотой
1 км. Определить распределение давления
в зависимости от расстоянияr
и потока (расхода) воздуха Q
,
если
= 98 кН/
. Среду считать несжимаемой.
Рис. 6.
Решение. Запишем интеграл Бернулли в виде (23). В нашем случае

Подставив эти выражения в (23) и выразив давление p, получим

Литература
[2] с. 48-153, с. 110-117, с. 144- 175, [3] с. 143 - 148,
[4] с. 88-99, с. 106- 110, с. 158- 162, [5] с. 160- 165.
