Главная  Переработка нефти и газа 

Скачать эту книгу

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 [ 10 ] 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35

ся вблизи обтекаемых потоком тел или у поверхности земли (рис. 3.1). В основном оно объясняется потерей устойчивости ламинарным течением. Средние скорости вблизи поверхности возрастают от нулевой до скорости, равной скорости вдали.

Скорость в данной точке при турбулентном движении чаще всего принимают среднюю, что упрощает исследования. Дейст-

6 и/сек V

Рис. 3.L Обтекание здания потоком воздуха Рис. 3.2. Скорости пото-картина обтекания; б - распределение давле- ЖИДКОСТИ в погранич-

ния ном слое

а - ламинарное течение;

б - турбулентное; s - вбли зи поверхности земли

вительное движение воздуха - чрезвычайно сложное, поэтому в расчет вводят ряд упрощений.

При решении задач о силовом воздействии среды на тело и тела на среду можно отказаться от молекулярных движений, накладывающихся на основной поток и тем самым осложняющих исследования. Это позволяет принять воздух как непрерывную еплошную деформируемую среду.

Плотность воздуха при нормальном барометрическом давлении (760 ммрт.ст.) и температуре 15°С равна 0,125 кг-м--сек. Состояние воздуха при таком давлении и температуре принимается за стандартную атмосферу, к которой приводят результаты опытов. Это позволяет сравнивать данные исследований, проведенных при различных вариациях давления и температуры.

При нестандартных параметрах плотность воздуха

р 273 + 15 /о IV

0 = 0.-С-,--!-- (3.1)

760 273 + Г

где Ро - плотность воздуха стандартной атмосферы; р - барометрическое давление в мм рт. ст.) г - температура в °С.

Как видно, зависимость плотности воздуха от давления и температуры близка к линейной в приземном слое.

С отличной от стандартной плотности воздуха приходится считаться при строительстве в высокогорных районах, на Крайнем Севере. Строго говоря, в формулу (3.1) необходимо вводить поправку на влажность воздуха, хотя она существенно влияет только при температуре более 20° С. Это учитывают при большой влажности воздуха в тропиках.

Для выяснения связи между скоростью и давлением воздуха в потоке можно с достаточной точностью оперировать формулами идеальной жидкости. Тогда эта связь устанавливается уравнением Д. Бернулли

р + рР/2 = const, (3.2)

где р - давление в потоке, называемое статическим;

ру2у2 - скоростной напор жидкости, иногда называемый динамическим напором.

Уравнение (3.2) указывает на постоянство суммарного или полного давления в любом месте потока. Оно справедливо только для установившегося движения жидкости.

При движении воздуха, т. е. вязкой жидкости, возникают силы внутреннего трения или силы вязкости. Они проявляются, например, в падении давления в трубах в направлении течения. Эти касательные силы существуют не только между жидкостью и телом в потоке, стенкой трубы или канала, но и между отдельными слоями жидкости с разной скоростью. Слой жидкости, непосредственно прилегающий к телу, трубе, каналу, не движется, он тормозит смежный с ним слой, который действует таким же образом на следующий, и т. д. Скорость вблизи тела возрастает от нулевой у его поверхности до скорости невозмущенного потока вдали (рис. 3.2). Толщина этого слоя, называемого пограничным, мала; она тем меньше, чем больше скорость потока. Пограничный слой оказывает огромное влияние на поведение тела в потоке.

Силы трения пропорциональны вязкости жидкости и градиенту скорости потока. Коэффициент вязкости ц определяется опытным путем. У воздуха при температуре 15°С он равен 1,81 X X 10-4 пз, у воды - 1,1 • 10-2 пз.

При небольшой скорости жидкости сила трения не зависит от шероховатости поверхности тела (трубы, канала), потому что слой непосредственно у тела как бы прилипает к нему и основ-

«ую роль играет трение жидкости в пределах пограничного слоя. С увеличением скорости толщина пограничного слоя уменьшается, размеры неровностей - отдельные зерна или волны - становятся соизмеримыми и даже больше толщины пограничного слоя; роль силы трения снова возрастает. Это приводит к увеличению сопротивления тела при больших скоростях жидкости

Силы трения нарушают справедливость уравнения Бернуллк в том смысле, что величина постоянной в формуле (3.2) изменяется, например уменьшается с приближением к поверхности обтекаемой стенки.

Если силы трения, отнесенные к единице объема, значительно меньше кинетической энергии того же объема жидкости, или 4иначе

где V-скорость потока; / - характерный размер тела (например, диаметр трубы), то ими можно пренебречь.

Отношение энергии элементарного объема движущейся жидкости к работе сил вязкости, являющееся безразмерной величиной.

Re = , (3.3)

«азывается числом Рейнольдса; чем оно больше, чем меньше влияние сил вязкости.

Число Рейнольдса играет огромную роль, так как характеризует ламинарное или турбулентное движение жидкости. Размеры строительных конструкций велики, как и скорости ветра, поэтому силами вязкости пренебрегают. Это дает право применять уравнение (закон) Бернулли при исследовании поведения тел в потоке в областях плавного обтекания, в зонах за местами срыва потока уравнение Бернулли неприменимо.

При исследовании тождественную прототипу картину обтекания гео.метрически подобной и одинаково располол<енной в потоке модели можно получить, приравняв их числа Рейнольдса

Более существенную роль играет не коэффициент вязкости, а отношение р/р, называемое кинематическим коэффициентом вязкости, его обозначают v. Для воздуха стандартной атмосферы v= 14,6-106 MlceK (обратная величина 68 500). При условии температурного градиента на каждые 1000 м высоты над уровнем моря 6,5°, коэффицнент v= 15,20-10- на высоте 500 м и 15,80-10- на высоте 1000 м. Несмотря на то, что коэффициент вязкости воды на два порядка больше, чем воздуха, коэффициент V воды в 10 раз меньше вследствие большей плотности. Это облегчает моделирование при проведении опытов в водяном канале, если необходимо соблюдать равенство чисел Рейнольдса модели и прототипа.