Понятие о движении жидкости как непрерывной деформации сплошной материальной среды

Кинематика жидкости является разделом гидромеханики, в котором движение изучается вне зависимости от действующих сил; в кинематике устанавливаются связи между геометрическими характеристиками движения и временем.

Кинематика жидкости существенно отличается от кинематики твердого тела. Если отдельные частицы абсолютно твердого тела жестко связаны между собой, то в движущейся жидкой среде такие связи отсутствуют; эта среда состоит из множества частиц, движу­щихся одна относительно другой.

Скорость в данной точке пространства, занятого движущейся жидкостью, является функцией координат этой точки, а иногда и времени. Таким образом, задачей кинематики жидкости является определение скорости в любой точке жидкой среды, т. е. нахождение поля скоростей.

В опытах наблюдать движение жидких частиц и измерять их скорости можно различными способами. Простейшим является подкрашивание частиц краской мой же плотности, что и изучаемая жидкость. Наблюдения за поведением таких подкрашенных частиц показывают, что при определённых условиях частицы могут двигаться упорядоченно, образуя слоистое или ламинарное течение. При других условиях частицы, наряду с основным движением по некоторому преимущественному направлению, перемещаются из слоя в слой, их мгновенные скорости резко изменяются по величине и направлению. Иными словами, в этом случае на упорядоченное движение частиц накладывается хаотическое или пульсационное движение, приводящее к разрушению слоистой структуры и перемешиванию слоёв. Такое движение получило название турбулентного.

Сначала рассмотрим движение так называемой идеальной жидко­сти, т. е. такой воображаемой жидкости, которая совершенно ли­шена вязкости, а затем перейдем к изучению реальных потоков. В такой невязкой жидкости, так же как и в неподвижных реальных жидкостях, возможен лишь один вид напряжений— нормальные напряжения сжатия, т. е. гидромеханическое давление, или просто давление.

Давление в движущейся идеальной жидкости обладает теми же свойствами, что и в неподвижной жидкости, т. е. на внешней по­верхности жидкости оно направлено по внутренней нормали, а в лю­бой точке внутри жидкости — по всем направлениям одинаково.

Ламинарные течения жидкости могут быть установившимися (стационарными) или неустановившимися (нестационарными). Турбулентные течения всегда являются неустановившимися; хаотическое движение частиц в турбулентном потоке создаёт резкие изменения местных скоростей во времени, называемые пульсациями скорости.

Рис 1.11 Результаты измерений местной мгновенной скорости турбулентного потока воздуха.

На (рис.1.11) приведены результаты измерений местной мгновенной скорости турбулентного потока воздуха. Местная скорость меняется во времени достаточно резко, однако её величина колеблется около некоторого среднего во времени значения. Поскольку пользование в расчётах мгновенными значениями скоростей приводит к трудностям и некоторой неопределённости, то вводится понятие местной усреднённой скорости, которая определяется соотношением

U=1/T Sudt,

Где U-мгновенная местная скорость; T-период усреднения.