- •Часть 1. Гидравлика
- •Основные понятия и законы
- •Жидкости и их свойства
- •1.2. Скоростное поле среды в окрестности точки
- •1.3. Силы, действующие в жидкости
- •1.4. Уравнение неразрывности
- •1.5. Обобщенный закон трения
- •1.6. Уравнение движения жидкости
- •1.7. Основы теории подобия
- •1.7.1. Теоремы подобия
- •1.7.2. Соотношения между множителями подобного преобразования и получение критериев подобия
- •1.7.3. Получение критериев подобия методом масштабных преобразований
- •1.7.4. Уравнения подобия
- •Гидростатика
- •2.1. Основное уравнение гидростатики. Закон Паскаля
- •2.2. Давление жидкости на плоскую и криволинейную стенки
- •Определение силы, действующей на наклонную пластину, погруженную в жидкость
- •Давление жидкости на криволинейную поверхность
- •2.3 Основы теории плавания. Закон Архимеда
1.2. Скоростное поле среды в окрестности точки
Вдвижущейся жидкости связь между скоростями точек имеет сложный вид. Это связано с возможностью перемещения отдельных частиц относительно им подобных, что приводит к деформации выделенного объема жидкости – растяжению, т.е. изменению линейных размеров вдоль координатных осей, и изменению угла между гранями, образующими этот объем. Движение элементарного объема жидкости раскладывают на движение его как абсолютно твердого тела (квазитвердого тела) и деформационное движение.
. (1.1)
Уравнение (1.1) является математической формулировкой первой теоремы Гельмгольца.
Скорость любой точки квазитвердого тела определяется выражением
,
где – вектор скорости точки тела, выбранной в качестве полюса;– вектор угловой скорости вращения рассматриваемой точки относительно полюса;rиr0– радиус-векторы, задающие положение точки и полюса в пространстве.
Скорость деформационного движения представляют в виде
,
где u,vиw– проекции вектора скорости полюса на оси координат;– радиус вектор точки относительно полюса.
Матрицу, входящую в качестве сомножителя в правую часть уравнения, называют тензором скоростей деформаций
.(1.2)
Используя введенные обозначения, скорость деформационного движения описывается следующим выражением
. (1.3)
Величины, стоящие на главной диагонали матрицы и обозначенные одноименными индексами, представляют собой скорости относительных линейных деформаций вдоль соответствующих осей координат.
На рисунке изображен отрезок, связывающий две точки жидкости, движущиеся вдоль оси x в различные моменты времени. Абсолютное приращение длины отрезка за время dt вследствие различных значений скоростей его крайних точек
.
Скорость удлинения отрезка (скорость линейной деформации) равна
,
а скорость увеличения длины относительно первоначальной (скорость относительной линейной деформации) определяется выражением
.
Величины, расположенные выше и ниже главной диагонали матрицы (1.2) и обозначенные разноименными индексами, представляют собой угловые скорости деформации граней выделенного объема в различных координатных плоскостях.
На рис. 1.1 представлена схема, поясняющая угловую деформацию жидкой частицы в процессе движения.
Рис. 1.1. Схема угловой деформации движущейся частицы жидкости
а) – поворот отрезка; б) – изменение угла между гранями
При движении отрезка x вдоль оси y (рис. 1.1, а) вследствие различия скоростей его концов происходит поворот на угол 1
.
Угловая скорость этого поворота равна
.
Угловая скорость поворота отрезка, параллельного в начальный момент оси y, равна
.
Возможность поворота всех граней элементарного объема жидкости приводит к изменению углов между соседними гранями в процессе движения .
Одно и тоже изменение угла между гранями может быть достигнуто различными сочетаниями поворотов граней (например, как показано на рис. 1.1, б, основным и тусклым цветами). Это приводит к неоднозначности в определении истинных значений угловых скоростей поворота граней, дающих одинаковый результат. В гидравлике условно принимают угловые скорости поворота каждой из соседних граней одинаковыми, равными среднему арифметическому значению угловых скоростей обоих граней
.