Рассмотрим теперь случай стационарного течения несжимаемой
жидкости. Под стационарным понимается поток, скорость которого в любой точке не
меняется во времени. Таким образом, картина скоростей всегда выглядит одинаково
во все моменты времени, и, следовательно, линии тока остаются также неизменными
во времени. Следует иметь в виду, что стационарность вовсе не означает, что
частички жидкости движутся с постоянными скоростями: переходя от точки к точке
вдоль линии тока они могут менять свою скорость. Просто в каждой точке
пространства скорость не меняется во времени, и .
Умножим уравнение (19.2) скалярно на скорость. Тогда с учетом сказанного и в приближении постоянства плотности жидкости имеем
,
(19.3)
где
учтено, что векторы перпендикулярны вектору скорости.
Согласно полученному результату, при движении градиент выражения внутри скобок
перпендикулярен вектору скорости - то есть, как уже обсуждалось, линии тока.
Иными словами, составляющая градиента вдоль линии тока равна нулю. Но это
означает, что в стационарном потоке несжимаемой невязкой жидкости выражение
в скобках не меняется вдоль линии тока:
.
(19.4)
Выражение
(19.4) называется теоремой Бернулли[2].
В общем случае константа в (19.4) может быть разной для разных линий
тока. Однако, если рассматриваемый стационарный поток является безвихревым ( во всех точках пространства), то из
уравнения (19.2) следует, что
,
(19.3΄)
то есть, теперь постоянная в (19.4) – одна и та же для всей жидкости.
Как отмечалось выше, теорема Бернулли не означает ничего большего, чем закон сохранения энергии: сумма работы сил давления, потенциальной энергии и кинетической энергии относительного движения единицы массы жидкости постоянна вдоль линии тока (или во всей жидкости в случае безвихревого движения)[3].
Выше предполагалось, что в процессе движения плотность жидкости не меняется. Если такое допущение неприемлемо, можно элементарно показать, что сохраняющейся величиной вдоль линии тока будет сумма левой части (19.4) с внутренней энергией единицы массы жидкости. Внутренняя энергия может соответствовать тепловой энергии сжимаемой жидкости или химической энергии, которые могут изменяться от точки к точке вдоль линии тока.
Если взять операцию ротора от левой и правой частей
уравнения (19.2), то все члены в виде градиента различных функций обратятся в
ноль, так как для любой функции [4],
и уравнение примет вид
. (19.5)
Вектор
(19.6)
называют вектором абсолютного вихря[5], а вектор в правой части уравнения (19.5) - бароклинным. Этот вектор определяет степень наклона поверхностей постоянного давления к поверхностям постоянной плотности[6]. Когда эти поверхности параллельны, или жидкость несжимаема[7], бароклинный вектор равен нулю, и жидкость называют баротропной. Однако такая ситуация бывает далеко не всегда.
В левой части уравнения поменяем местами операции
дифференцирования по времени и по координатам и внесем под знак производной по
времени постоянный вектор :
. (19.7)
Умножим теперь обе части уравнения скалярно на
градиент функции, которая зависит только от давления и плотности . Нетрудно, видеть, что такой градиент
всегда перпендикулярен бароклинному
вектору (поскольку
лежит в плоскости векторов
и
, а
бароклинный вектор перпендикулярен им), и правая часть уравнения исчезает:
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.