Закон движения жидкости

Законы движения жидкости, определение скорости и сопротивлений движению изучает гидродинамика. В применении к курсу гидромелиорации гидродинамика является основным изучаемым разделом гидравлики.

По характеру скорости и расхода движение воды бывает установившимся и неустановившимся. Установившимся называется такое движение, при котором скорость и расход воды, а, следовательно, и давление во всех точках потока неизменны за рассматриваемый промежуток времени. Такое движение наблюдается в реках, когда уровень воды остается неизменным или, при истечении воды из резервуара, при неизменной отметке свободной поверхности.

Неустановившимся называется такое движение, при котором скорость и расход воды в пределах рассматриваемого периода меняются, например, в реке при изменении уровней (при паводке, во время сбросов воды через водосбросные сооружения при плотинах).

По характеру перемещения потока по длине водотока установившееся движение подразделяется на равномерное и неравномерное. Равномерным является такое движение воды, при котором форма и площадь поперечного сечения русла, а также средние скорости и скорости во всех точках потока по длине одинаковы. Неравномерное движение отличается изменяемостью площадей сечения потока, глубин, скоростей потока по длине.

По характеру режима движение воды подразделяется на ламинарное и турбулентное. Ламинарный режим движения характеризуется перемещением воды без перемешиваний струй (преимущественно в вертикальном направлении). Такой режим наблюдается при движении грунтовых вод или воды в тонких капиллярных трубках. Турбулентный режим характеризуется перемешиванием частиц воды, которые кроме поступательного движения с большими скоростями имеют и вращательное движение. Такой режим наблюдается в трубах, реках, каналах и т.п.

По характеру сил, вызывающих движение жидкости, оно может быть напорным и безнапорным. Безнапорное движение происходит под действием сил тяжести. Поверхность потока не ограничена, находится под атмосферным давлением. Этот вид движения наблюдается в реках, каналах, трубах при неполном их заполнении. Напорное движение происходит под действием давления (напора), создаваемого насосами, водонапорной башней или при подаче воды по трубам из прудов, располагающихся выше потребителей (например, петергофские фонтаны) и т.п. Движение воды характеризуется уравнением Бернулли:

. (14)

где Z₁ и Z₂ - геометрическая высота центров тяжести потока в сечениях I- II (рис. 5); P₁ и Р₂ - гидростатическое давление; - удельная масса воды; V₁ и V₂ - скорости движения воды; - поправочный коэффициент на среднюю скорость потока (равный в среднем 1,1);

/ и / - пьезометрическая высота давления в сечениях I-II;

Z₁+ / и Z₂+ / - пьезометрический напор, характеризующий удельную потенциальную энергию в сечениях I-II; /2g и /2g - скоростной напор, характеризующий удельную кинетическую энергию в сечениях I и II; - потери напора или удельной энергии. Все величины имеют размерность скорости.

Гидравлические характеристики потока. Различают следующие характеристики потока (рис. 6): живое сечение, смоченный периметр, гидравлический радиус.

Рис. 6. Живое сечение потока:

а - в реках; б - в каналах; в, г - в трубах

Живое сечение ω - поперечное сечение потока, направленное перпендикулярно его движению.

Смоченный периметр χ - линия, направленная перпендикулярно потоку, по которой он соприкасается с руслом (дном реки, ручья, дном и стенками искусственных русел).

Гидравлический радиус R - отношение живого сечения к смоченному периметру:

R = ω/ χ (15)

При напорном движении в круглой трубе гидравлический радиус равен четверти диаметра трубы:

(16)