Если в пространстве, занятом жидкостью, существуют области, в которых ω 0, т. е. внутри их имеет место вращение частиц жидкости, то движение в таких областях называетсявихревым (например, в области пограничного слоя, образующегося вокруг твердого тела, обтекаемого потоком вязкой жидкости). В пограничном слое по направлению нормали к поверхности тела скорость резко возрастает, и поэтому в нем ω0 (∂w / ∂n 0).

Линия называетсявихревой , когда в каждой ее точке касательная совпадает с направлением вектора угловой скоростиω. Дифференциальное уравнение вихревой линии получается из соотношенияωdl = 0 и имеет вид

Вихревая трубка образуется, если через все точки замкнутой кривойC (не являющейся вихревой линией) провести вихревые линии. Из определения вихревой линии и вихревой поверхности следует, что в любой точке таких линий и поверхностей нормальная составляющая угловой скорости равна нулю.

Потоком вектора угловой скоростиJ  через поверхностьназывают интеграл:

где ω n – проекция угловой скорости вращения на нормаль к поверхности .

Другая теорема Гельмгольца – о вихрях: поток вектора угловой скорости через замкнутую поверхность всегда равен нулю . Докажем ее.

Действительно, путем непосредственных вычислений из формул (1.11) получим, с одной стороны, что

а

с другой, – что если поверхностьзамкнутая, то, согласно теореме Остроградского (о преобразовании объемного интеграла в поверхностный),

где V – объем, ограниченный поверхностью .

Но тогда, согласно (1.18), находим, что

Рис. 3. Вихревая трубка

Из формулы (1.19) вытекает важное свойство вихревых трубок. Выделим в вихревой трубке некоторую замкнутую поверхность (рис. 3), образованную двумя любыми поперечными сечениями ( 1 и  2) и боковой поверхностью. Так как поток вектора угловой скорости по боковой поверхности равен нулю, то, согласно (1.19):

Отсюда, вследствие произвольного выбора сечений  1 и 2 , получаем, что поток вектора угловой скорости в данный момент времени по длине элементарной вихревой трубки не меняется. Следовательно, этот поток есть величина, характерная для всей вихревой трубки, и ее (величину) называютинтенсивностью (или напряжением )вихревой трубки .

Если величина вектора угловой скорости постоянна по поперечному сечению вихревой трубки, то из (1.20) получим

ω 1 n  1 = ω 2 n  2 = ω in  i = const.

На основе этого сделаем следующий вывод: сечение вихревой трубки не равняется нулю, так как в подобном случае ω , что физически неверно. Таким образом, вихревая трубка не обрывается внутри среды. Но, однако, можно выделить только четыре типа вихревых трубок, т. е. когда «вихревой шнур» (вихревая трубка): 1) начинается и заканчивается на свободной поверхности жидкости; 2) начинается на свободной поверхности жидкости, а заканчивается на твердой стенке; 3) начинается и заканчивается на твердой стенке; 4) является замкнутым.

В идеальной жидкости вихри не могут изменять свою интенсивность, они как бы «обречены» существовать вечно, не имея возможности возникать и вырождаться. В реальной жидкости (из-за трения) вихри зарождаются, а затем диффундируют, т. е. вырождаются.

Интенсивность трубки, так же как и вихрь скорости, не поддается непосредственному измерению. Сравнительно просто можно определять скорости частиц жидкости. Поэтому возникает вопрос об установлении связи между интенсивностью вихревой трубки и распределением скоростей в жидкости. Для решения данного вопроса введем характерную для поля скоростей величину – циркуляцию скорости вдоль некоторой линии .

Циркуляцией вектора по некоторому контуру называется вычисленный вдоль контура криволинейный интеграл от проекции вектора на касательную к контуру:

Тогда связь между интенсивностью вихревой трубки и распределением скоростей дается известной теоремой Стокса:интенсивность вихревой трубки равна циркуляции скорости по замкнутому контуру , один раз опоясывающему вихревую трубку :

Теорема Стокса сводит количественное определение интенсивности вихревой трубки к вычислению циркуляции скорости. Непосредственное измерение скорости специальными приборами не представляет трудности, а суммирование слагаемых, входящих в интеграл по замкнутому контуру, является операцией более точной, чем дифференцирование распределения скоростей (необходимое для вычисления rotw ) и последующее суммирование.

Из этой теоремы вытекает важное следствие: если в какой-либо области течение безвихревое (w = 0, rotw = 0), т. е. потенциальное, то циркуляция скорости по любому замкнутому контуру, проведенному в этой области, равно нулю (Г = 0). Из рассмотренной теоремы, кроме того, следует, что конечная циркуляция скорости определяетэффект действия вихрей на поле скоростей в потоке жидкости.

Линии токов жидкости и вихревые линии. Плавно и резко изменяющееся движение

Если в движущейся жидкости взять бесконечно малый замкну­тый контур и через все его точки провести линии тока, то образуется трубчатая поверхность, называемая трубкой тока. Часть потока, заключенная внутри трубки тока, называется элементарной струйкой. При стремлении поперечных размеров струйки к нулю она в пределе стягивается в линию тока.

В любой точке трубки тока, т. е. боковой поверхности струйки, векторы скорости направлены по касательной, а нормальные к этой поверхности составляющие скорости отсутствуют, следовательно, при установившемся движении ни одна частица жидкости, ни в одной точке трубки тока не может проникнуть внутрь струйки или выйти наружу. Трубка тока, таким образом, является как бы непроницае­мой стенкой, а элементарная струйка представляет собой самостоя­тельный элементарный поток.

Рис 1.12 Рис 1.3

Линии тока Трубка тока

Потоки конечных размеров будем сначала рассматривать как совокупность элементарных струек, т. е. будем предполагать течение струйным. Из-за различия скоростей соседние струйки будут сколь­зить одна по другой, но не будут перемешиваться одна с другой. Живым сечением, или просто сечением потока, называется в общем случае поверхность в пределах потока, проведенная нормально к ли­ниям тока. Далее будем рассматривать в потоках такие участки, в которых струйки можно считать параллельными и, следовательно, живые сечения - плоскими.

Различают напорные и безнапорные течения жидкости. Напор­ными называют течения в закрытых руслах без свободной поверхно­сти, а безнапорными - течения со свободной поверхностью. При напорных течениях давление вдоль потока обычно переменное, при безнапорном - постоянное (на свободной поверхности) и чаще всего атмосферное. Примерами напорного течения могут служить течения в трубопроводах с повышенным (или пониженным) давлением, в гид­ромашинах или других гидроагрегатах. Безнапорными являются течения в реках, открытых каналах и лотках.

Расходом называется количество жидкости, протекающее через живое течение потока (струйки) в единицу времени. Это количество можно измерить в единицах объёма, в весовых единицах или в единицах массы, в связи с чем различают объёмный Q, весовой Q G и массовый Q m расходы.

Для элементарной струйки, имеющий бесконечно малые площади сечений, можно считать истинную скорость одинаковой во всех точках каждого сечения. Следовательно, для этой струйки объёмный(м 3 /с), весовой(Н/с) и массовый(кг/с) расходы

;

Для потока конечных размеров в общем случае скорость имеет различное значение в разных точках сечения, поэтому расход надо определять как сумму элементарных расходов струек.

Обычно в рассмотрение вводят среднюю по сечению скорость

v ср =Q/S, откуда Q= v ср S.

Основываясь на законе сохранения вещества, на предположении о сплошности (неразрывности) течения и на указанном выше свойстве трубки тока, заключающемся в ее «непроницаемости», для устано­вившегося течения несжимаемой жидкости можно утверждать, что объемный расход во всех сечениях элементарной струйки один и тот же:

dQ=v 1 dS 1 =v 2 dS 2 =const (вдоль струйки)

Это уравнение называется уравнением объемного расхода для эле­ментарной струйки.

Аналогичное уравнение можно составить и для потока конечных размеров, ограниченного непроницаемыми стенками, только вместо истинных скоростей следует ввести средние скорости.

Методы исследования движений жидкости

а) Эйлера (локальный) – в фиксированной точке

б) Лагранжа (субстанциональный) – изменение параметров при перемещении из нач. фиксир. пол. точки

Внутренняя задача – распределение параметров состояния газов в движущейся среде.

Внешняя задача – исследует силовое взаимодействие подвижной среды с находящейся в ней тела.

Поле скоростей, виды течения.

Стационарное, нестационарное.

Одномерный, двумерный (плоский), трехмерный (пространственный). Векторное поле скоростей – это область пространства движущейся жидкости в каждой точке которой однозначно определен вектор скорости. Линия тока – линия касательная к которой в любой точке совпадает с направлением вектора скорости в точке касания. В стационарном потоке линия тока совпадает с траекторией движения. Поверхность, образованная непрерывным совокупностью линией тока – поверхность тока. Часть жидкости, заключенная внутри поверхности тока, проведенная через все точки некоторый замкнутый контур в потоке – трубкой тока. В стационарном случае поверхность тока не проницаема для потока. Струйкой называется линия тока в стационарном потоке. Струйка называется элементарной если её поперечные размеры малы и скорость не меняется вдоль сечения.

Расход и средняя скорость

Поперечное сечение струйки – живое сечение. Элементарный весовой расход - . Эл. масс. расход - . Эл. объемный. расход - . эл. площадь, удельный вес. V – скорость. Расход жидкости представляет собой количество жидкости, протекающей за единицу времени через фиксированную поверхность. () Средняя скорость – это условно постоянная по сечению потока скорость, обеспечивающая расход жидкости равный истинному расходу через это же сечение. Для несжимаемой жидкости .

4. Дифференциальные уравнения неразрывности

5. Полная энергия частиц текущей жидкости , Удельная энергия

6. Уравнение Бернулли для струйки

Дифференциальные уравнения динамики невязкой жидкости в форме Эйлера

Силы: давления, массовые, инерционные.

Интеграл Бернулли

Умножая уравнения Эйлера на dx... получим , U(х,у,z)- потенциал массовых сил. .

9. Угловые скорости движения частиц. . . Вращательное движение частиц жидкости называется вихревым.

Вихревая линия, вихревая трубка, вихревой шнур.

Область пространства вращающейся жидкости, в каждой точке которого однозначно определен вектор - называется вихревым полем. Совокупность вихревых линий, пронизывающих замкнутый контур называется вихревой трубкой, а жидкость её заполняющая – вихревым шнуром. Мерой интенсивности вихревого движения служит напряженность вихревого шнура .

. Бесконечно тонкий вихревой шнур - вихревая линия.

Циркуляция скорости

Элементарная циркуляция скорости - . , Г>0, если «ветер» в спину, и наоборот.

Теорема Стокса

Циркуляция скорости по любому замкнутому контуру, не выходящему за пределы жидкости равна сумме напряжений всех вихрей, пронизывающих поверхность, опирающуюся на этот контур.

Замечания: а) если то , б) Если , то . .

Мы уже выписывали общие уравнения потока несжимаемой жидкости при наличии завихренности:

Физическое содержание этих уравнений было на словах описано Гельмгольцем в трех теоремах. Прежде всего представьте себе, что мы вместо линий потока нарисовали вих ревые линии. Под вихревыми линиями мы подразумеваем линии поля, которые имеют направление вектора Ω, а плотность их в любой области пропорциональна величине Ω. Из уравнения (II) дивергенция Ω всегда равна нулю [вспомните гл.3,§ 7(вып.5): дивергенция ротора всегда нуль]. Таким образом, вихревые линии подобны линиям поля В: они нигде не кончаются и нигде не начинаются и всегда стремятся замкнуться. Формулу (III) Гельмгольц описал словами: вихревые линии движутся вместе с жидкостью. Это означает, что если бы вы пометили частички жидкости, расположенные на некоторой вихревой линии, например окрасив их чернилами, то в процессе движения жидкости и переноса этих частичек они всегда отмечали бы новое положение вихревой линии. Каким бы образом ни двигались атомы жидкости, вихревые линии движутся вместе с ними. Это один из способов описания законов. Он также содержит и метод решения любых задач. Задавшись первоначальным видом потока, скажем задав всюду v, вы можете вычислить Ω. Зная v, можно также сказать, где будут вихревые линии немного позднее: они движутся со скоростью v. А с новым значением Ω можно воспользоваться уравнениями (I) и (II) и найти новую величину v. (Точно как в задаче о нахождении поля В по данным токам.) Если нам задан вид потока в какой-то один момент, то в принципе мы можем вычислить его во все последующие моменты. Мы получаем общее решение невязкого потока.

Мне бы хотелось показать вам, как (по крайней мере частично) можно понять утверждение Гельмгольца, а следовательно, формулу (III). Фактически это просто закон сохранения момента импульса, примененный к жидкости. Представьте себе маленький жидкий цилиндр, ось которого параллельна вихревым линиям (фиг. 40.13,а). Спустя некоторое время, тот же самый объем жидкости будет находиться где-то в другом месте. Вообще говоря, он будет иметь форму цилиндра с другим диаметром и находиться в другом месте. Он может еще иметь другую ориентацию (фиг. 40.13,б). Но если изменяется диаметр, то длина тоже должна измениться так, чтобы объем остался постоянным (поскольку мы считаем жидкость несжимаемой). Кроме того, поскольку вихревые линии связаны с веществом, их плотность увеличивается обратно пропорционально уменьшению площади поперечного сечения цилиндра. Произведение Ω на площадь цилиндра А будет оставаться постоянной, так что в соответствии с Гельмгольцем

Теперь обратите внимание, что при нулевой вязкости все силы на поверхности цилиндрического объема (или любого объема в этом веществе) перпендикулярны поверхности. Силы давления могут заставить его изменить форму, но без танген циальных сил величина момента количества движения жидкости внутри измениться не может. Момент количества движения жидкости внутри маленького цилиндра равен произведению его момента инерции / на угловую скорость жидкости, которая пропорциональна завихренности Ω. Момент же инерции цилиндра пропорционален тr 2 . Поэтому из сохранения момента количества движения мы бы заключили, что

Но масса будет одной и той же (M 1 = M 2 ), а площадь пропорциональна R 2 , так что мы снова получим просто уравнение (40.21). Утверждение Гельмгольца, которое эквивалентно формуле (III), есть просто следствие того факта, что в отсутствие вязкости момент количества движения элемента жидкости измениться не может.

Есть хороший способ продемонстрировать движущийся вихрь с помощью аппаратуры, показанной на фиг. 40.14. Это «барабан» диаметром и длиной около 60 см, состоящий из цилиндрической коробки с натянутым на ее открытое основание толстым резиновым листом. Барабан стоит на боку, а в центре его твердого дна вырезано отверстие диаметром около 8 см. Если резко ударить по резиновой диафрагме рукой, то из отверстия вылетает кольцевой вихрь. Хотя этот вихрь увидеть нельзя, можно смело утверждать, что он существует, так как он гасит пламя свечи, стоящей в 3—6 м от барабана. По запаздыванию этого эффекта вы можете сказать, что «нечто» распространяется с конечной скоростью. Лучше разглядеть то, что вылетает, можно, предварительно напустив в барабан дыму. Тогда вы увидите вихри в виде изумительно красивых колец «табачного дыма».

Кольца дыма (фиг. 40.15,а) — это просто баранка из вихревых линий. Поскольку Ω=Vx v, то эти вихревые линии описывают также циркуляцию v (фиг. 40.15,б). Для того чтобы объяснить, почему кольцо движется вперед (т. е. в направлении, составляющем с направлением Ω правый винт), можно рассуждать так: скорость циркуляции увеличивается к внут ренней поверхности кольца, причем скорость внутри кольца направлена вперед. Поскольку линии Ω переносятся вместе с жидкостью, то и они движутся вперед со скоростью v. (Конечно, большая скорость на внутренней части кольца ответственна за движение вперед вихревых линий на его внешней части.)

Здесь необходимо указать на одну серьезную трудность. Как мы уже отмечали, уравнение (40.90) говорит, что если первоначально завихренность Ω была равна нулю, то она всегда останется равной нулю. Этот результат — крушение теории «сухой» воды, ибо он означает, что если в какой-то момент значение Ω равно нулю, то оно всегда будет равно нулю, и ни при каких обстоятельствах создать завихренность нельзя. Однако в нашем простом опыте с барабаном мы могли породить вихревые кольца в воздухе, который до того находился в покое. (Ясно, что пока мы не ударили по барабану, внутри него v = 0 и Ω = 0.) Все знают, что, загребая веслом, можно создать в воде вихри. Несомненно, для полного понимания поведения жидкости следует перейти к теории «мокрой» воды.

Другим неверным утверждением в теории «сухой» воды является предположение, которое мы делали при рассмотрении потока на границе между ним и поверхностью твердого предмета. Когда мы обсуждали обтекание потоком цилиндра (например, фиг. 40.11), то считали, что жидкость скользит по поверхности твердого тела. В нашей теории скорость на поверхности твердого тела могла иметь любое значение, зависящее от того, как началось движение, и мы не учитывали никакого «трения» между жидкостью и твердым телом. Однако то, что скорость реальной жидкости должна на поверхности твердого тела сходить на нуль,— экспериментальный факт. Следовательно, наши решения для цилиндра и с циркуляцией, и без нее неправильны, как и результат о создании вихря. О более правильных теориях я расскажу вам в следующей главе.