Ламинарный режим течения
Рассмотрим установившееся равномерное движение жидкости в трубе круглого сечения вдоль оси х (рис. 4.17). За поперечную координату примем радиус r; это позволит рассматривать движение как двумерное.
В жидкости выделим цилиндрический объем радиусом r и длиной L. Так как
движение равномерное, объем находится в равновесии под действием сил давления на торцах (сечения 1−1 и 2−2), а также силы трения, вызванной действием касательных напряжений τ на боковой поверхности цилиндра.
Условие равновесия запишется в виде:
. (4.55)
Рис. 4.17. Движение жидкости в трубе при ламинарном режиме
Обозначив , из (4.55) получим:
. (4.56)
Эта формула определяет линейный закон распределения касательных напряжений по радиусу трубы, показанный на рисунке слева.
Найдем закон изменения скорости от радиуса трубы. Запишем формулу гипотезы Ньютона:
. (4.57)
Знак (−) поставлен потому, что с увеличением радиуса скорость падает (du<0).
Приравняем (4.56) и (4.57).
; ; .
Константу С найдем из граничного условия − при r = r0 u = 0; . Отсюда . (4.58)
Получили параболоид вращения (рис. 4.17, справа).
Максимальная скорость (на оси трубы) равна:
. (4.59)
Найдем расход через кольцевое сечение радиусом r и толщиной dr:
.
Интегрируя, найдем общий расход через сечение ω:
. (4.60)
Найдем среднюю скорость в сечении V :
. (4.61)
Сопоставляя (4.59) и (4.61), получим, что .
Найдем теперь коэффициент Кориолиса α в соответствии с (4.15):
. (4.62)
Выведем теперь формулу для λ в формуле Дарси.
Из формулы для V (4.61) получим:
. (4.63)
Чтобы разность давлений перевести в гидравлические потери в единицах напора (м), нужно Δр разделить на ρg :
. (4.64)
В полученной формуле числитель и знаменатель умножим на 2V и приравняем
это выражение путевым потерям, вычисляемым по формуле Дарси:
.
Учтя, что , получим:
.
Отсюда следует:
. (4.65)
Полученная формула называется формулой Хагена−Пуазейля.
Как следует из формулы (4.65), λ и путевые потери не зависят
от шероховатости трубы. Это объясняется тем, что при ламинарном режиме велико влияние сил вязкости. Тонкий неподвижный слой жидкости прилипает к стенке и покрывает ее неровности. Поэтому вышележащие слои, двигаясь, скользят по этому неподвижному слою, как по жидкой смазке.
Проверим, является ли ламинарное течение потенциальным, по условиям (3.23):
; ; .
В рассматриваемом случае , , .
Кроме того, выразим радиус через поперечные координаты:
; .
.
Следовательно, ламинарное течение является вихревым.
Ламинарное течение в трубе устанавливается постепенно (рис. 4.18).
Рис. 4.18. Начальный участок ламинарного течения в трубе
Длина трубы, на которой происходит формирование расчетной эпюры скоростей, называется начальным участком. Эта длина может быть определена по формуле Буссинеска:
. (4.66)
Дата добавления: 2015-10-26; просмотров: 1075;