|
|
 |
|
Межотраслевая Интернет-система поиска и синтеза физических принципов действия преобразователей энергии
|
Общий каталог эффектов
 | Гидродинамическое сопротивление |
 |
Сопротивление движению тела со стороны обтекающей его жидкости или сопротивление движению жидкости, вызванное влиянием стенок труб, каналов и т.д.
Описание
Гидродинамическое сопротивление – сила, действующая на тело и препятствующая его движению в жидкости (газе), а также сила, действующая на жидкость (газ) и препятствующая движению жидкости, соприкасающейся на границах потока с другими телами – твёрдыми, жидкими или газообразными. Гидродинамическое сопротивление направлено в сторону, противоположную движению.
Гидродинамическое сопротивление – результат воздействия разностей давлений, возникающих при обтекании тел и касательных напряжений, действующих на границах соприкосновения тела и жидкости (газа) и состоит из сопротивления давления и сопротивления трения. Первое представляет собой проекцию па направление движения равнодействующей нормальных, а второе – касательных к поверхности составляющих силы, с которой жидкость действует на каждый элемент поверхности тела.
Сопротивление давления Хд представляют как произведение разности давлений на передней и задней сторонах обтекаемого тела на площадь его миделевого сечения S. Разность давлений ∆р пропорциональна скоростному напору q = ρv2/2, где ρ – плотность жидкости (газа), v – скорость жидкости или тела. Сопротивление трения Xтр также пропорционально q и площади соприкосновения тела с жидкостью; при известной форме тела эту площадь можно выразить через S. Полное гидродинамическое сопротивление X = Xтр + Xд = cкSq, где ск – безразмерный коэффициент сопротивления, зависящий от подобия критериев - числа Рейнольдса Re и числа Маха М.
Гидродинамическое сопротивление плохо обтекаемых тел
Рис.1
Если тело произвольной формы движется равномерно в безграничной жидкости, лишённой трения, так, что жидкость смыкается за телом, сопротивление давления равно нулю. При движении тела в вязкой жидкости за телом образуются вихри, не позволяющие жидкости (газу) смыкаться за телом, и сопротивление давления не равно нулю. Часть кинетической энергии движущегося тела затрачивается на образование, отрыв и движение вихрей и по мере их рассеивания необратимо превращается в теплоту. Необратимо переходит в теплоту и часть кинетической энергии, расходуемая на преодоление сопротивления трения . Главная часть гидродинамического сопротивления плохо обтекаемых тел (например, пластинки, перпендикулярной потоку – рис. 1) составляет сопротивление давления, а для хорошо обтекаемых тел (например, тонкой пластинки, движущейся в своей плоскости – рис. 2) гидродинамическое сопротивление почти полностью состоит из сопротивления трения.
Гидродинамическое сопротивление хорошо обтекаемых тел
Рис.2
При движении тела на поверхности или вблизи поверхности тяжёлой жидкости возникает дополнительно волновое сопротивление. В случае движения тел в воздухе или ином газе гидродинамическое сопротивление называют аэродинамическим сопротивлением, которое подразделяют на составляющие: донное сопротивление, индуктивное сопротивление и волновое сопротивление.
Ключевые слова
Разделы наук
Используется в научно-технических эффектах
Используется в областях техники и экономики
Используются в научно-технических эффектах совместно с данным эффектом естественнонаучные эффекты
| 1 | | Критерий подобия Кнудсена (Критерий подобия Кнудсена) |
| 2 |  | Аэродинамическое качество (Аэродинамическое качество) |
| 2 | | Критерии подобия. Число Маха (Критерии подобия. Число Маха) |
| 2 |  | Сверхзвуковой пограничный слой при обтекании тела потоком с большим числом М (Сверхзвуковой пограничный слой при обтекании тела потоком с большим числом М) |
| 1 |  | Отрыв пограничного слоя от поверхности (Отрыв пограничного слоя от поверхности) |
| 3 | | Истечение газа со сверхзвуковой скоростью в область, где давление меньше давления в струе (Истечение газа со сверхзвуковой скоростью в область, где давление меньше давления в струе) |
| 3 | | Возникновение резкого увеличения давления, скорости, температуры и уменьшение скорости течения газа в сверхзвуковой области (Точка разветвления струй, критическая скорость потока при обтекании) |
| 2 | | Общие условия перехода от дозвукового течения к сверхзвуковому и обратно (Условия перехода от дозвукового течения к сверхзвуковому и обратно) |
| 2 | | Распределение давления по профилю крыла (Распределение давления по профилю крыла) |
| 4 |  | Вихревое движение газа (Вихревое движение газа) |
| 5 | | Сопротивление движению тела со стороны обтекающей его жидкости или сопротивление движению жидкости, вызванное влиянием стенок труб, каналов и т.д. (Гидродинамическое сопротивление) |
| 3 | | Струя – форма течения жидкости, при которой жидкость(газ) течёт в окружающем пространстве, заполненном жидкостью (газом) с отличающимися от струи параметрами (скоростью, температурой, плотностью, составом и тому подобное) (Течение в сверхзвуковой струе) |
| 3 | | Распространение ударных волн (Распространение возмущений, содержащих разрывы плотности, давления и скорости распространения, в нелинейных средах) |
| 1 | | Резкое изменение давления в жидкости (Гидравлический удар) |
| 1 | | Ускорение ламинарного воздушного потока при прохождении через плавное сужение (Инжекции эффект) |
| 2 |  | Трение при относительном движении соприкасающихся тел (Трение скольжения) |
| 3 | | Создание момента силы (Создание момента силы ) |
| 2 |  | Эффект передачи момента силы посредством твёрдого тела (Механического рычага эффект) |
| 1 | | Кинематическая характеристика течения жидкости или газа, служащая мерой завихренности течения (Циркуляция скорости) |
| 1 | | Рост толщины пограничного слоя с ростом скорости (Рост толщины пограничного слоя с ростом скорости) |
| 1 | | Толщина пограничного слоя и толщина вытеснения (Толщина пограничного слоя и толщина вытеснения) |
| 2 | | Турбулентное течение в пограничном слое (Турбулентное течение в пограничном слое) |
| 1 | | Ламинарное течение в пограничном слое (Ламинарное течение в пограничном слое) |
| 1 | | Течение идеальной жидкости (Идеальная жидкость) |
| 2 | | Центр давления (Центр давления) |
| 1 | | Эффект аэроупругости (Эффект аэроупругости) |
| 2 |  | Упругая деформация изгиба твердых тел (Деформация изгиба) |
| 2 |  | Давление при контакте (Давление при контакте) |
| 1 | | Вязкое трение. Закон Ньютона (Вязкое трение. Закон Ньютона) |
| 1 | | Гиперзвуковое течение газа – предельный случай сверхзвукового течения газа, при котором скорость v частиц газа во всей области течения или в её значительной части намного превосходит скорость звука a в газе, так что v >> a или Маха число M = v/a >> 1 (Гиперзвуковое течение газа) |
| 1 |  | Волновое сопротивление тела вращения с криволинейной образующей (Волновое сопротивление тела) |
| 1 | | Сохранение момента количества движения изолированной системой взаимодействующих тел (Сохранение момента количества движения) |
| 1 | | Сохранение количества движения изолированной системой взаимодействующих тел (Сохранение количества движения изолированной системой взаимодействующих тел) |
| 1 |  | Установление динамического равновесия при переносе вещества в трущемся контакте (Эффект безысносности) |
| 1 | | Истечение газа со сверхзвуковой скоростью в область, где давление больше давления в струе (Истечение газа со сверхзвуковой скоростью в область, где давление больше давления в струе) |
| 1 | | Переход ламинарного пограничного слоя в турбулентный. Критическое число Рейнольдса (Переход ламинарного пограничного слоя в турбулентный. Критическое число Рейнольдса) |
| 1 |  | Возникновение скачка уплотнения воздуха, образующегося перед летящим со звуковой скоростью телом и имеющим форму конуса (Волны возмущения у тела, движущегося с дозвуковой скоростью) |
Применение эффекта
Определение гидродинамического сопротивления – одна из основных задач гидроаэромеханики, решение которой позволяет найти необходимую тягу двигатателей установок летательных аппаратов, морских и речных судов, скорость их движения, требуемые мощности энергоустановок, насосных и компрессорных станций, расчитывать газовые, воздушные и гидравлические сети, санитарно–технические и вентиляционные устройства и другие.
Гидродинамическое сопротивление, возникающее при движении жидкости (газа) по трубам, каналам, открытым руслам, обычно называют гидравлическим сопротивлением. В этом случае часть энергии (напора) движущейся жидкости (газа) затрачивается на преодоление внутреннего (между частицами жидкости) и внешнего (между движущейся жидкостью или газом и ограничивающими поверхностями) трения в плавных участках тракта, а также на образование и отрыв вихрей в неплавных участках – при резких поворотах, расширениях или сужениях русла, перетекании через запорные и регулирующие устройства, решётки, фильтры и т. п. Энергия или напор движущейся жидкости (газа), затраченная на преодоление гидродинамического сопротивления, называется потерянной энергией (или напором) или просто потерями. Потери на трение зависят, в первую очередь, от длины рассматриваемого участка. Они определяются по формуле Вейсбаха: Δρo = ξтрρvср2/2, а все потери на местные сопротивления вычисляются по формуле Δρo = ξмρvср2/2. Здесь Δρo – потери полного давления, vср – средняя скорость жидкости (газа) перед входом в рассматриваемый участок, ξтр и ξм – безразмерные коэффициент потерь на трение и местные сопротивления, зависящие от распределения скоростей по сечению перед входом потока в рассматриваемый участок и от чисел Re и М. В соответствии с формулой Вейсбаха ξтр = λl/dг, где λ – коэффициент трения, l – длина, a dг – гидравлический диаметр канала. Для определения λ существуют различные теоретические и эмпирические формулы, учитывающие их зависимость от Re, М и шероховатости поверхности. Полное гидродинамическое сопротивление участка каналаξ = ξтр + ξм.
Теоретический расчёт гидродинамическое сопротивление возможен лишь в простейших случаях (например, при безотрывном обтекании некоторых хорошо обтекаемых тел или при течении жидкости по прямой цилиндрической трубе), поэтому в технике гидродинамическое сопротивление определяют по эмпирическим зависимостям и от критериев подобия, полученным на основании многочисленных экспериментальных исследований.
Реализации эффекта
Как следует из формулы Пуазейля, гидравлическое сопротивление зависит от нескольких переменных: вязкости крови, длины и радиуса сосуда. Однако возможными в физиологических условиях изменениями первых двух параметров обычно пренебрегают, решающее влияние оказывает лишь обратная зависимость сопротивления от радиуса сосуда в четвертой степени:
.
Отсюда можно записать соотношение: Х капилляра > Х артерии > Х аорты.
Гидравлическое сопротивление X разветвленного участка сосудистой системы может быть определено по аналогии с расчетом общего электрического сопротивления участка электрической цепи, состоящего из набора отдельных резисторов.
Для случая последовательно соединенных сосудов общее сопротивление определяется суммой их отдельных гидравлических сопротивлений:
.
При параллельном ветвлении сосудистого русла общее сопротивление находится из уравнения:
.
Литература
1. Физическая энциклопедия / гл.ред. Прохоров А.М. - М.: Большая российская энциклопедия. 1994.
2. М.Я.Алферьев «Гидромеханика», издательство «Речной транспорт», М., 1961, с.110-111
