Дифференциальное уравнение движения невязкой жидкости

В движущейся жидкости выберем элементарный объем жидкости в виде параллелепипеда, грани которого параллельны координатным осям (x,z,y). На данный выделенный объем жидкости действуют массовые силы, пропорциональные массе, поверхностные силы давления окружающей жидкости, направленные по нормалям к граням параллелепипеда, а так же сила инерции вызывающая движение жидкости. Рассмотрим действие данных сил в проекции на ось х.

Дифференциальное уравнение движения невязкой жидкости - student2.ru

Рис 5.1. К выводу уравнения движущейся жидкости в форме Эйлера

Дифференциальное уравнение движения невязкой жидкости - student2.ru

Проведем преобразования, получим

Дифференциальное уравнение движения невязкой жидкости - student2.ru

Поделим все на Дифференциальное уравнение движения невязкой жидкости - student2.ru и поменяем знаки

Дифференциальное уравнение движения невязкой жидкости - student2.ru

Система дифференциальных уравнений Л. Эйлера для идеальной движущейся жидкости на координатные оси

Дифференциальное уравнение движения невязкой жидкости - student2.ru Дифференциальное уравнение движения невязкой жидкости - student2.ru

Дифференциальное уравнение движения невязкой жидкости - student2.ru (5.1)

Дифференциальное уравнение движения невязкой жидкости - student2.ru

Если дифференциальная форма уравнений не может быть использована во всем пространстве, заполненном жидкой средой, то используется ее интегральная форма.

Для случая движения жидкости уравнение имеет вид:

Дифференциальное уравнение движения невязкой жидкости - student2.ru (5.2)

где Дифференциальное уравнение движения невязкой жидкости - student2.ru - главный вектор массовых сил; Дифференциальное уравнение движения невязкой жидкости - student2.ru - главный вектор поверхностных сил; Дифференциальное уравнение движения невязкой жидкости - student2.ru - изменение количества движения массы в объеме Дифференциальное уравнение движения невязкой жидкости - student2.ru ; Дифференциальное уравнение движения невязкой жидкости - student2.ru - вектор поверхностных сил на площадке Дифференциальное уравнение движения невязкой жидкости - student2.ru по нормали Дифференциальное уравнение движения невязкой жидкости - student2.ru .

Предполагая, что масса Дифференциальное уравнение движения невязкой жидкости - student2.ru выделенного объема Дифференциальное уравнение движения невязкой жидкости - student2.ru постоянна, дифференцируя правую часть уравнения (5.2) по времени, получим интегральную форму уравнения движения:

Дифференциальное уравнение движения невязкой жидкости - student2.ru (5.3)

Преобразуем поверхностный интеграл по формуле Остроградского-Гаусса в объемный

Дифференциальное уравнение движения невязкой жидкости - student2.ru (5.4)

Дифференциальное уравнение движения невязкой жидкости - student2.ru

Подставив (5.4) в (5.3) получим:

Дифференциальное уравнение движения невязкой жидкости - student2.ru

Так как объем Дифференциальное уравнение движения невязкой жидкости - student2.ru остается произвольным, то Дифференциальное уравнение движения невязкой жидкости - student2.ru ,тогда

Дифференциальное уравнение движения невязкой жидкости - student2.ru ( 5.5)

Данное уравнение (5.5) представляет собой векторную форму уравнения движения сплошной среды, и называется дифференциальным уравнением движения в напряжениях.

Для идеальной жидкости при отсутствии поверхностных касательных сил Дифференциальное уравнение движения невязкой жидкости - student2.ru , дифференциальное уравнение (5.5) упрощается и записывается:

Дифференциальное уравнение движения невязкой жидкости - student2.ru (5.6)

При движении идеальной жидкости или газа, нормальное напряжение в произвольной точке потока не зависит от направления площадки, к которой оно приложено. Дифференциальное уравнение (5.6) записывается как уравнение (5.1).

Уравнение Бернулли

Профессор Казанского университета И.С. Громека преобразовал уравнения Эйлера в иную форму, соответствующую идеальной, несжимаемой, однородной жидкости. Массовые силы для большинства практических задач соответствовали силе тяжести. Режим движения данной жидкости был стационарным, т.е. Дифференциальное уравнение движения невязкой жидкости - student2.ru и безвихревой.

Умножим каждое из уравнений Эйлера последовательно на Дифференциальное уравнение движения невязкой жидкости - student2.ru , Дифференциальное уравнение движения невязкой жидкости - student2.ru , и Дифференциальное уравнение движения невязкой жидкости - student2.ru .

Система дифференциальных уравнений Л. Эйлера для идеальной движущейся жидкости на координатные оси

Дифференциальное уравнение движения невязкой жидкости - student2.ru Дифференциальное уравнение движения невязкой жидкости - student2.ru

Дифференциальное уравнение движения невязкой жидкости - student2.ru

Дифференциальное уравнение движения невязкой жидкости - student2.ru

Раскроем скобки и сгруппируем, получим:

Дифференциальное уравнение движения невязкой жидкости - student2.ru (5.7)

Это выражение называют уравнением Бернулли в дифференциальной форме. При условии Дифференциальное уравнение движения невязкой жидкости - student2.ru (для несжимаемой жидкости) интегрирование его дает:

Дифференциальное уравнение движения невязкой жидкости - student2.ru , Дифференциальное уравнение движения невязкой жидкости - student2.ru (5.8)

Этот интеграл называют интегралом Бернулли, из уравнения (5.8.) следует, что сумма удельной кинетической Дифференциальное уравнение движения невязкой жидкости - student2.ru , удельной потенциальной Дифференциальное уравнение движения невязкой жидкости - student2.ru энергии и удельной работы сил давления Дифференциальное уравнение движения невязкой жидкости - student2.ru - есть величина постоянная.

Для того, чтобы записать интеграл Бернулли в размерностях давления, умножим обе части (5.8) на плотность Дифференциальное уравнение движения невязкой жидкости - student2.ru и получим

Дифференциальное уравнение движения невязкой жидкости - student2.ru (5.9)

Дифференциальное уравнение движения невязкой жидкости - student2.ru (5.10)

где:

Дифференциальное уравнение движения невязкой жидкости - student2.ru - удельная потенциальная энергия единицы объема жидкости, Па.

Дифференциальное уравнение движения невязкой жидкости - student2.ru геометрическое давление - удельная энергия положения единицы объема жидкости, Па.

Дифференциальное уравнение движения невязкой жидкости - student2.ru скоростное давление - удельная кинематическая энергия единицы объема жидкости, Па.

Таким образом, уравнение Бернулли это частный случай закона сохранения энергии.

Наши рекомендации