理论教育 水力学-液体微团运动的基本形式

水力学-液体微团运动的基本形式

时间:2023-11-17 理论教育 版权反馈
【摘要】:为了将液体运动加以分类和建立应力应变之间的关系,有必要研究液体微团的运动形式。下面将分析液体微团运动的三种形式。由图10.1.1可知:A点角速度为:根据液体微团剪切变形速度的定义得:3.旋转运动式中 rot u——速度u的旋度。图10.1.2所示为一理想液体在收缩管中的流动。当液体微团由A移动到B 点时,只有伸缩变形,而没有剪切变形和旋转运动。图10.1.4可视为水轮机导轮中的水流运动。但是由于直线1、2间的夹角发生变化,因此有剪切变形。

水力学-液体微团运动的基本形式

首先应该明确液体质点与液体微团的区别。液体质点是可以忽略线性尺寸效应 (伸缩、变形和旋转)的液体最小单元,而液体微团是液体质点组成的具有线性尺寸效应的微小液体团。

为了将液体运动加以分类和建立应力应变之间的关系,有必要研究液体微团的运动形式。根据理论力学,刚体有两种运动形式:平移和旋转。而液体运动则不同,由于液体微团在流场中各点速度不同,但又要保证液体本身的连续性,因此液体微团除有平移和旋转运动外,还有变形运动。下面将分析液体微团运动的三种形式。

为了更清楚地说明问题,我们只研究如图10.1.1所示的平面运动中的液体微团。设在t时刻液体微团为矩形ABCD,经过d t时段后移动到新的位置并变形为A′B′C′D′。又设t时刻A 点的时速为ux、uy,根据泰勒级数展开,得B、C点的速度分别为:

图10.1.1

1.平移运动

各点的速度中均包含有ux、uy由图10.1.1可见,ux、uy是平移速度。

2.变形运动

(2)剪切变形。我们将平面上角变形速度的一半定义为液体微团的剪切变形速度,记为eij(i,j=x,y,z,但i≠j)。由图10.1.1可知:A点角速度为:

(www.daowen.com)

根据液体微团剪切变形速度的定义得:

3.旋转运动

式中 rot u——速度u的旋度。

图10.1.2所示为一理想液体在收缩管中的流动。当液体微团由A移动到B 点时,只有伸缩变形,而没有剪切变形和旋转运动。因为微团上的两条直线1与2之间的夹角及其方向没有变化。

图10.1.2

图10.1.3可视为旋转水桶中的水流运动。设这时液体微团的速度u与旋转半径r成正比。若直线1沿流线顺时针方向旋转某一个角度δα,则由于直线2的外端速度大于内端速度,所以直线2也顺时针旋转相同的角度δα。又液体微团的旋转角速度是两条直线旋转角度的平均值,所以该微团有旋转运动。但是它没有剪切变形,因为直线1、2始终保持垂直,即夹角没有变化。

图10.1.4可视为水轮机导轮中的水流运动。设这时液体微团的流速u与半径r成反比。若微团上的直线1沿流线顺时针方向旋转一个角度δα,则由于直线2的外端速度小于内端速度,所以直线2逆时针方向旋转相同的角度δα。根据液体微团旋转角速度的定义,最后液体微团的旋转角速度为0,即无旋转运动。但是由于直线1、2间的夹角发生变化,因此有剪切变形。

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