Физические свойства и параметры жидкостей. Основные элементы потоков и виды течений. Кавитация. Уравнение Бернулли. Связь скорости и давления в потоке. Структура формулы для силы в гидродинамике. Геометрические и гидродинамические характеристики крыльев. Составляющие сопротивления судна, страница 2

Это уравнение показывает, что сумма высоты положения сечения z пьезометрического запора p/γ  и скоростного напора υ 2 /(2g) является постоянной величиной для всех сечений данной элементарной струйки. В гидромеханике используют также другую форму уравнения Бернулли:

γz + p + ρυ2/2 = const.

Первый член этого уравнения выражает удельную (отнесенную к еди­нице веса) потенциальную энергию сил тяжести (энергию положения), второй - удельную   потенциальную   энергию   давления  и  третий -удельную кинетическую энергию. Таким образом, удельная механи­ческая энергия на всем пути движения жидкости в элементарной струйке остается постоянной, но при переходе к другой струйке ее значение может измениться.

При рассмотрении  реальной  жидкости  в уравнении  Бернулли вводят поправки на преодоление сил сопротивления, но физическая сущность уравнения и выражаемого им закона сохранения энергии и взаимозависимости скорости потока и давления в нем остается  неизменной.

Коэффициент давления и его свойства. Рассмотрим обтекание симметричного профиля (например, ватерлинии судна, крыла или лопасти гребного винта) потоком безграничной жидкости, имеющим скорость υ0 . Остановимся на двух точках одной и той же линии тока, идущей из бесконечности по оси симметрии и разветвляю­щейся в носовой критической точке. Первая точка А находится далеко перед телом в невозмущенном потоке, где скорость равна υ0, давление р0 ; а вторая точка В - в произвольном месте на теле, где скорость о, давление р. Так как обе точки располагаются на одной линии тока, можно связать между собой скорости и давления в этих «точках с по­мощью уравнения Бернулли :

ρυ0 2/2 + p0 + γz0 = pυ2/2 + p + γz

Здесь z-Zq. Представив левую и правую части уравнения в без­размерном виде и разделив его на  ρυ0 2/2,  получим

(р- p0)/( ρυ0 2/2)=1-υ20 2.                                                     

Левую часть этого выражения называют коэффициентом давления и обозначают р. Величина р-р0, находящаяся в числителе, характери­зует избыточное давление (по сравнению с давлением в набегающем невозмущенном потоке). Величину ρυ0 2/2, стоящую в знаменателе, называют скоростным напором. Таким образом,

= (р- p0)/( ρυ0 2/2),                                                                или

p‾=1-(υ/ υ0) 2.                                                                               

Использование р‾ для характеристики давления удобно потому, что его значение, во-первых, не зависит от рода жидкости и, во-вторых, не зависит от скорости набегающего потока, являясь лишь функцией формы тела, которая определяет соотношение υ/ υ0. Полученные вы­воды относятся, строго' говоря, к невязкой жидкости, однако они остаются практически верными и для движения хорошо обтекаемых тел в реальной вязкой жидкости.

Структура  формулы для силы в гидродинамике:

R=ξ(ρV2/2)Ω

3.    Геометрические и гидродинамические характеристики крыльев.  Подводные крылья.

Для объяснения механизма возникновения подъемной силы рас­смотрим крыло (рис. 4.9), ориентированное относительно поточной системы координат, в которой ось х совпадает с направлением скорос­ти потока о, ось у перпендикулярна к ней и направлена вверх, а ось zнаправлена вдоль крыла. Протяженность крыла в направлении оси zназывают размахом крыла (удлинением) l. Если рассечь крыло плос­костью уОх, то в ее пересечении с крылом получится профиль крыла. В зависимости от требований к гидродинамическим характеристикам применяют сегментные, авиационные, клиновидные и другие профили.

Форма профиля крыла характеризуется следующими геометри­ческими параметрами:

1 – задняя кромка; 2 – спинка; 3 – линия средней кривизны; 4 – носик; 5 – брюшко;

- относительной толщиной профиля, т. е. отношением его макси­мальной толщины к хорде (в процентах) 

t=(tmax /b)100%, где хорда профиля b=ОА - радиус окружности, проведенной из его задней кромки О через крайнюю точку носика А;

- относительной кривизной профиля (в процентах)

χ=(f/b)• 100%, где/- максимальная ордината линии средней кривизны:

- средней геометрической хордой - отношением площади проек­ции крыла в плане Sк его размаху:    bcp=S/l;

- относительным удлинением к, под которым понимают отноше­ние размаха крыла к средней хорде:λ=l/bcp=l2/S.

В соответствии с законом Бернулли на спинке профиля будет наблюдаться разрежение (-∆р), на брюшке - повышение давления (+∆р) Разность давлений обусловливает результирующую сил давле­ний Rд. Вязкость потока определяет наличие на профиле силы трения Rf  . Результирующую этих сил Rназывают гидродинами­ческой силой. Проекцию этой силы на ось х именуют силой лобового или профильного сопротивления X, проекция силы R на ось у - подъемной силой Y. При изучении сил, возникающих на руле как на крыле, используют систему координат, связанную с крылом. В этом случае проекция R на ось п определяет нормальную силу N = Rд , а проекция R на ось t - тангенциальную силу T= Rf.

Рассмотренные силы пропорциональны плотности жидкости ρ, пло­щади крыла S и квадрату скорости υ2 и определяются следующими формулами гидромеханики:

где Су, Сх - безразмерные коэффициенты подъемной силы и лобового сопротивления; Сn, Сt - безразмерные коэффициенты нормальной и касательной сил; Ст - безразмерный коэффициент момента. Коэф­фициенты Су, Сх, Сп, Сt Ст называют гидродинамическими характе­ристиками крыла. Они зависят в основном от формы профилей, а для крыла заданных размеров и формы профиля - от угла атаки.

4.     Образование гидродинамической реакции на крыле в потоке. Подъемная  сила и профильное сопротивление. Кризис обтекания. Угол атаки нулевой подъемной силы.

Угол между направлением скорости набегающего потока и хордой крыла называют углом атаки. При движении крыла в жидкости со скоростью υ под некоторым углом атаки α на верхней части профиля, называемой спинкой, будет наблюдаться сужение потока и, следова­тельно, увеличение скорости, а на нижней части - уменьшение скорос­ти потока

В соответствии с законом Бернулли на спинке профиля будет наблюдаться разрежение (-∆р), на брюшке - повышение давления (+∆р) Разность давлений обусловливает результирующую сил давле­ний Rд. Вязкость потока определяет наличие на профиле силы трения Rf  . Результирующую этих сил Rназывают гидродинами­ческой силой.