Уравнение движения жидкости.


Слайд 1-13.

Теперь с учетом предыдущего сформулируем уравнение движения жидкости. Согласно второму закону Ньютона:

ускорения элемента жидкости ´ масса = сумме напряжений и массовых сил

 

Н

V(Н) p1 Н Напряжение

So + DS

Р DН Р

Вес

So

Напряжение

p2

 
 


Хо Хо+DХ

Cлайд 1-13.Силы,действующие на прямоугольный элемент жидкости в потоке.

Пусть, например, элемент жидкости движется в направлении х в прямолинейном потоке, скорость в котором изменяется с координатой высоты Н, но не зависит от x и от времени.

Сила тяжести или вес направлена вниз.

Из баланса сил в вертикальном направлении следует, что при заданном х давление изменяется с высотой так же, как и в покоящейся жидкости и определяется уравнением:

p 1 -p2 = r DН g (1-13)

 

Рассмотрим теперь баланс горизонтальных сил.В отсутствие движения вязкие напряжения были бы равны нулю и давление на правой и левой гранях были бы одинаковы.

Но, как только появится движение, возникают вязкие силы. В данном примере они стремятся замедлить элемент, т.к. напряжение сдвига, направленное против движения, на нижней пов-ти элемента (S=So) больше,чем напряжение сдвига на верхней пов-ти ,направленное по движению (S =So + DS).

Для горизонтальной трубы составляющая веса в направлении движения равна нулю, и равномерный поток может осуществляться только, когда давление на одном конце трубы больше, чем на другом.

Для любого течения уравнение движения каждого эл-та может быть представлено в форме:

Масса´Ускорение = Массовая сила (вес) + Сила, обусловленная градиентом давления + вязкая сила.

Так как связь между вязкими силами и местными изменениями скорости известна (напряжение сдвига пропорционально скорости сдвига), это уравнение связывает градиент давления и массовую силу в любой точке с местной скоростью среды и скоростями ее изменения как во времени (ускорение), так и в пространстве (скорость сдвига). Очевидно, масса´ускорение в левой части есть сила инерции.

Лекция 1-2. Пуазейлевское течение в трубе.

слайд 1-14

Стационарное ламинарное течение жидкости может быть экспериментально реализовано на лабораторной установке, состоящей из длинной жесткой[ ; - длина, - внутренний диаметр] цилиндрической трубки, соединенной с напорным и сливным резервуарами, в которых во время эксперимента поддерживаются постоянные давления ( и ).

Напорный резервуар

Сливной резервуар

Рвх Рвых

 

 
 


К манометрам

 

Слайд 1-14. Эксперимент Пуазейля.

 

В стенке трубы проделаны через небольшие интервалы маленькие отверстия для измерения давления.

Давление на входе Рвх, а на выходе Рвых. Повышая давление на входе, т.е. увеличивая перепад Рвх-Рвых (Dр), мы увидим, чтообъемный расходQ тоже растет. При этом давление вдоль трубки сначала падает быстро (на 100 d),а затем уменьшается линейно с расстоянием.

 
 


Рвх

 
 

 


Вход
Рвых

 
 

 


Слайд 1-14. Падение давления на начальном участке .

Проведя подобные эксперименты с трубками разного диаметра,мы увидим,что при заданном градиенте объемный расход Q резко увеличивается с ростом диаметра, а именно пропорционален r4.

Кроме того,при увеличении вязкости для поддержания заданного постоянного расхода необходимо увеличить градиент давления.

На основании этого Пуазейль вывел знаменитый закон для стационарного потока, достаточно удаленной от ее начала:

 

Dp = 8 m LQ/p r4 или Q= Dp pr4 / 8 m L (1-14)

 

m- вязкость жидкости,

L- длина трубки

Таким образом, имеется три первичных фактора, определяющих сопротивление потоку крови: диаметр сосуда (или радиус), его длина и вязкость крови. При этом сопротивление сосуда (R) прямо пропорционально длине сосуда (l) , вязкости крови (m) и обратно пропорционально радиусу в 4 степени (r4)

R ~ L m / r4 (1-15)

Длина сосуда практически не изменяется внутри организма и поэтому может рассматриваться как константа. Вязкость обычно изменяется мало , однако, как мы покажем дальше, может значительно изменяться от гематокрита, температуры и скорости потока.

Зависимость между скоростью потока, радиусом и длиной сосуда показана на слайде .При этом принимается, что имеет место ламинарный поток, а давление, вязкость и длина сосуда являются константами.

 

Слайд 1-14. Зависимость скорость кровотока – радиус сосуда.

 

Как видно уменьшение радиуса сосуда сильно влияет на поток и прямо пропорционально радиусу в 4 степени. Например, когда

радиус уменьшается только в 2 раза (0.5 относительный радиус)

поток уменьшается в 16 раз. Вновь сформированный поток будет составлять приблизительно 6% от исходного потока.

Заметим только, что формула (1-17) является примером решения уравнения Навье-Стокса для стационарного потока в прямой горизонтальной трубе круглого сечения со следующими дополнительными ограничениями:

1. Жидкость имеет гомогенную вязкость при всех скоростях сдвига

2. Трение жидкости у стенки намного больше внутреннего трения в жидкости и скорость жидкости у стенки равна нулю

3. Поток ламинарный

4. Поток стационарный-нет ускорений

5. Стенки трубки жесткие

Интересно, что гидравлическое уравнение Пуазейля можно переписать в терминах закона Ома, полагая, что давление – P-это напряжение-U,поток Q– ток Iи параметры трубки и жидкости (вязкость) 8 m l/pr4сопротивление R:

I = U/R Q=P/R; R=8 m l/pr4 = 8 m l/А2 (1-16)

 

Распределение давления и формы профиля скорости вдоль трубки показаны на слайде 1-10. Длина начального участка трубки ( ), на котором происходит перестройка профиля скорости от плоского до параболического, может быть оценена неравенством: , где - внутренний диаметр трубки. Участок,на котором давление падает быстро – называется начальным участком или областью входа.Поток за начальным участком называется полностью развитым.На этом участке градиент падает с расстоянием линейно и растет линейно с увеличением расхода.

Т. е. поток с параболическим профилем скорости (пуазейлевский поток) устанавливается только в прямой трубке на большом удалении от входа, а также от изгибов, сужений, ветвлений сосудов. Приняв, например, диаметр сосуда равным 5 мм, получим, что длина начального участка должна быть не менее 0.5 м. Вряд ли можно найти в сосудистой системе сегмент, удовлетворяющий всем перечисленным выше ограничениям. Тем не менее, описанная гидродинамическая модель пуазейлевского потока широко используется, напрмер, для лабораторной калибровки расходомеров крови в стандартных условиях пуазейлевского потока.

 

 
 

 


Слайд 1-15. Развитие Пуазейлевского течения.

 

 

Физически эволюцию профиля скорости легко объяснить следующим образом. У самого входа все элементы жидкости движутся с одинаковой скоростью, и профиль скорости однородный или плоский. Однако та часть жидкости, которая соприкасается со стенкой трубки, полностью останавливается из-за прилипания на стенке. Немедленно устанавливается градиент скорости между неподвижной жидкостью у стенки и соседними элементами жидкости в ядре потока. По мере продвижения жидкости вдоль трубки вязкость все в большей степени видоизменяет начальный плоский профиль скорости. Исходно высокий градиент скорости у стенки становится меньше, а сдвиг охватывает все большую часть ядра потока. Следует иметь в виду, что как следствие закона сохранения масс центральная часть потока ускоряется с тем, чтобы объемный расход через любое сечение оставался постоянным. При этом , градиент скорости, который сначала был заметен около стенки, начинает проявляться на все больших расстояниях от нее. В конечном счете, скорость становится неодинакова по всему поперечному сечению трубки: она максимальна на оси и постепенно уменьшается по направлению к стенкам. Профиль скорости принимает вид параболы, устанавливается пуазейлевское течение. Когда этот полностью развитый профиль достигнут, он уже не меняется дальше вниз по течению.

Особенность ламинарного кровотока заключается в том, что чем крупнее частицы крови, тем ближе они располагаются к оси сосуда. В результате осевой поток крови почти целиком состоит из эритроцитов, образующих довольно компактный движущийся цилиндр с оболочкой из плазмы, содержащий мало клеток. Таким образом, средняя скорость кровотока выше, чем скорость тока плазмы.

 

Представление о пограничном слое.

Слайд 1-15.

Как мы уже отмечали, вязкая сила торможения, с которой стенка действует на прилегающий к ней слои жидкости, последовательно передается все более удаленным слоям. Это обусловлено наличием вязкости.

У входа толщина слоя чрезвычайно мала и за пределами этого слоя профиль скорости практически плоский и влияние вязкости незначительно. Далее вниз по течению толщина слоя, в котором проявляется вязкость, возрастает и этот слой называется пограничным.

Толщина пограничного слоя растет вдоль трубки как корень квадратный расстояния от входа Х ½.

С увеличением расхода или скорости свободного потока толщина пограничного слоя уменьшается и увеличивается с ростом вязкости.

На более удаленном расстоянии пограничный слой заполняет всю трубку и устанавливается Пуазейлевское течение.

В этом случае его толщина становится равной радиусу трубки d/2 при длине начального участка Х:

 

X = k’d2 U/n или k’ d (Ud/n ) (1-17)

 

Величина U d/n называетсячислом Рейнольдса (Re),о котором мы поговорим позже.

k’ –константа,равная 0,03 найдена экспериментально

Таким образом, длина начального участка для стационарного потока задается выражением:

 

X = 0,03 d Re (1-18)

Для трубки d= 2см длина начального участка при числе Re = 1000 составит 60 см – это значение характерно для аорты человека ,конечно, при условии, что аорта-прямая трубка, а поток в ней – стационарный и имел скорость 20см/сек.

Следует отметить ,что данное выражение удовлетворительно предсказывает длину начального участка при значениях числа Рейнольдса в интервале 10 – 2500.

Число Рейнольдса.

Подробнее остановимся на числе Рейнольдса и попробуем понять его физический смысл.

При анализе баланса сил, действующих на элемент жидкости, мы обращали внимание на отношение величин инерционных и вязких сил.

Отношение инерционных и вязких сил – является важной характеристикой всех течений жидкости.

Для потока в трубке характерными величинами скорости и размера системы являются линейная скорость U и диаметр d.

Поэтому можно сказать, что вязкие силы могут быть определены как произведение вязкости на скорости сдвига:

 

вязкие силы=m U/d.

 

С другой стороны, инерционная сила пропорциональна кинетической энергии единичного объема жидкости (rU2).

Тогда относительная значимость этих двух величин может быть оценена как

 

Число Рейнольдса=Инерционные силы /Вязкие силы =

 

rU2 / m (U/d) или = Ud/n (1-19)

n-кинематическая вязкость (m/r).

 

Если подставить размерности в данное уравнение, то можно увидеть что число Рейнольдса Re является безразмерной величиной.

 

КогдаRe <<1 вязкие силыпреобладают, инерционные силы пренебрежимо малы (например, на уровне микрососудов, где течение рассматривается как чисто вязкое).

Когда>>1 ,преобладают инерционные силы, а вязкость лишь незначительно изменяет характер течения. Примерами такой ситуации служат течения в крупных артериях и венах.

В типичной человеческой аорте можно вычислить число Рейнольдса, полагая, что диаметр аорты 2.5 см и среднее скорость 20 мл/с

( при сердечном выбросе 6 л/мин) и оно составляет 1500.

Для этих расчетов полагали, что плотность цельной крови равна 1.056 г/СС, а коэффициент вязкости 3.5 сП.

Таким образом, среднее число Рейнольдса ниже критической величины около 2500.Однако, в течение систолического пика, если скорость потока в пике 20 л/мин число Рейнольдса может достигать 5100. Тем не менее человеческая аорта является эластичным сосудом и имеет сложную геометрию и поэтому критическое число Рейнольдса, определяемое из экспериментов с прямой жесткой цилиндрической трубкой, не может быть применимо для данной ситуации. С другой стороны, и нет экспериментов, подтверждающих турбулизацию потока в системе кровообращения в норме, при отсутствии таких нарушений, как клапанные или артериальные стенозы. Следовательно, предположение ламинарного потока в аорте можно считать корректным.

 



Дата добавления: 2016-08-06; просмотров: 2472;


Поиск по сайту:

Воспользовавшись поиском можно найти нужную информацию на сайте.

Поделитесь с друзьями:

Считаете данную информацию полезной, тогда расскажите друзьям в соц. сетях.
Poznayka.org - Познайка.Орг - 2016-2024 год. Материал предоставляется для ознакомительных и учебных целей.
Генерация страницы за: 0.026 сек.