Наука изучающая право система общеобязательных. Правоведение. Происхождение права, взаимосвязь права и государства

100 р бонус за первый заказ

Выберите тип работы Дипломная работа Курсовая работа Реферат Магистерская диссертация Отчёт по практике Статья Доклад Рецензия Контрольная работа Монография Решение задач Бизнес-план Ответы на вопросы Творческая работа Эссе Чертёж Сочинения Перевод Презентации Набор текста Другое Повышение уникальности текста Кандидатская диссертация Лабораторная работа Помощь on-line

Узнать цену

Необходимость точного вычисления объема задавочной жидкости и соблюдения технологического режима определяется следующим обстоятельством. Отмечаемое в обследуемых скважинах избыточное забойное давление над пластовым к моменту начала освоения приводит к заметному запаздыванию притока из пласта. Так, в скважине № 6677 только после снижения уровня в кольцевом пространстве с 96 до 494 м давление на забое скважины становится равным пластовому и только с этого момента теоретически возможен приток из пласта. Этот момент наступает через 1,5 ч работы установки ЭЦН. Следовательно, весь этот период практически исключается возможность принудительного охлаждения погружного двигателя восходящим потоком пластовой жидкости.

Данные по остальным скважинам показаны в табл. 3.5.

Таблица 3.5

Характеристика обследуемых скважин по периоду возможной

инфильтрации рабочего агента в пласт после включения УЭЦН

Номер скважины	Перепад давления Рзаб - Рпл , МПа	Уровень жидкости в скважине, м		Время перемещения уровня с Ннач до Нст . , ч
		Фактический	Соответствую- щий Рпл и
6677
585
6984
52
7706
6765
6737
7519
7447
7466
68
7735

Примечание. (Pзаб-Рпл) - перепад давления к моменту начала освоения скважины; Ннач - фактическое расстояние от устья до уровня жидкости к моменту начала освоения скважины; Нст - статический уровень.

Видно, что во всех скважинах наблюдается принципиально одинаковая картина. После включения погружного насоса во всех случаях проходит ощутимый промежуток времени, прежде чем создаются гидродинамические предпосылки для возникновения притока из пласта. В скважинах с достаточным перепадом давления (Рзаб - Рпл), несмотря на начавшуюся откачку из скважины, продолжается некоторое время инфильтрация рабочего агента в пласт, и на участке от приема насоса до пласта поток является нисходящим. Следовательно, в такой категории скважин электродвигатель погружной установки в начальный момент освоения, несмотря на отсутствие притока из пласта обтекается потоком рабочего агента.

После прекращения инфильтрации жидкости в пласт скорость обтекания двигателя приближается к нулевой. Учитывая, что по многим скважинам, осваиваемым после подземного ремонта погружными электроцентробежными установками, период возможного "обмыва" двигателя нисходящим потоком рабочего агента достаточно велик, были проведены дополнительные исследования.

В этих исследованиях ставилась цель получить зависимость скорости обтекания двигателя от времени при освоении скважины с детализацией этой зависимости в начальные периоды.

Методика исследований

Для характеристики гидродинамики обтекания погружного электродвигателя целесообразней использовать величину не абсолютной скорости, а относительной:

где - фактическая абсолютная скорость обтекания погружного двигателя; - номинальная абсолютная скорость обтекания; Qпл - расход жидкости, поступающей из пласта, или, наоборот, инфильтрующейся в пласт; Qном - номинальная производительность погружной электроцентробежной установки; Dном - номиналь,ный внутренний диаметр обсадной колонны; Dдв - внешний диаметр погружного двигателя.

Величина Qпл определяется на основе фактических замеров подачи насоса Q и динамики движения уровня жидкости в кольцевом пространстве в период освоения скважины:

(3.21)

где Hур(t) - расстояние от устья до уровня жидкости в кольцевом пространстве.

Результаты исследований

На рис. 3.9. представлены результаты измерений и обработки по каждой скважине. На рисунках показаны динамика изменения уровня жидкости, замеренная волномером и относительная скорость обтекания, вычисленная по вышеприведенной методике. Учитывая многообразие форм приведенных графиков первоначально был проведен анализ по отдельным скважинам. Здесь подробно описаны данные по скважинам 6677 и 6984.

Скважина 6677. Согласно данным исследований скважины 6677 первоначально освоение проводилось при значительной недогрузке погружной электроцентробежной установки и насос развивал подачу в 20-50% номинальной, лишь после перефазировки двигателя производительность насоса стала соответствовать характеристике. Данные о динамике подачи насоса приведены в табл. 3.6.

Представленный на рис. 3.9. и в табл. 3.6. материал указывает на то, что в данной скважине условия работы погружного электродвигателя в начальные периоды освоения были неблагоприятными - в течение длительного времени относительная скорость обтекания была близка к нулевой.

Период после вторичного запуска установки (t >3,6 ч) характеризуется не только резким снижением уровня, но и интенсивным притоком из пласта. В результате чего, скорость потока в кольцевом пространстве между погружным двигателем и обсадной колонной резко возрастает и достигает величины на 20-30% превышающей номинальную (ŵ = 1,2-1,3).

Наличие максимума в приводимых на рис. 3.9. зависимостях при t ≈ 5ч можно объяснить различным характером изменения плотности по мере притока жидкости из пласта на участке от забоя до приема насоса и от приема насоса до уровня жидкости. Последний участок вследствие разделения фаз будет формироваться газоводонефтяной смесью с пониженной по сравнению с забойным участком плотностью.

Таблица 3.6

Подача насоса и плотность перекачиваемой жидкости в период освоения скв. 6677

Время, ч	Подача насоса, м3/сут	Плотность жидкости, кг/м3	Время, ч	Подача насоса, м3/сут	Плотность жидкости, кг/м3
	Остановка

Надо отметить, что в дальнейшем процесс сепарации газа приводит к росту давления в затрубном пространстве и оттеснению уровня. В данной скважине это наблюдается через 20-24 ч после начала освоения скважины (табл. 3.7). Таким образом зависимость Hур(t) в конечном счете имеет и другой экстремум (минимум). Анализируя зависимость w(t), следует отметить, что скорость обтекания погружного электродвигателя на средней и заключительной стадиях освоения высока и при выходе на режим соответствует номинальному значению.

Таблипа 3.7

Данные средней и заключительной стадий освоения скв. 6677

Время, ч	Hур, м	Давление в затрубном пространстве, МПа	Время, ч	Hур, м	Давление в затрубвом простравстве, МПа

Таким образом, освоение скв. 6677 характеризуется напряженными условиями работы ПЭД в начальной стадии; период работы ПЭД (Тн) с w ≤ 0,2 составляет около 3 ч - весь этот период погружной электродвигатель охлаждается потоком, имеющим скорость в 5 и более раз меньшую, чем wном.

Скважина № 6984. Начальная стадия освоения этой скважины отмечена двумя кратковременными остановками погружного насоса при t = 1,5 и 2,3 ч, а также одной длительной остановкой с t = 3 до t = 4,4 ч.

Из рис. 3.9. видно, что темп снижения уровня в затрубном пространстве до первой остановки погружного насоса достаточно высок, хотя производительность насоса в это время (табл. 3.8) невелика. Такое "несоответствие" объясняется ин-

Таблица 3.8

Подача насоса в период освоения скв. 6984

	Подача насоса, м3/сут			Подача насоса, м3/сут

фильтрацией жидкости в этом интервале времени в пласт. Это видно также из зависимости ŵ(t), согласно которой (см. рис. 3.9) продолжительность инфильтрации в пласт составляет около часа. Велико и значение периода слабого обтекания погружного электродвигателя (Tн = 2 ч).

Общим в освоении скв. 6677 и 6984 является значительная недогрузка погружной электроцентробежной установки в начальный период по производительности. Это обстоятельство является дополнительной причиной увеличения Tн.

Анализ и обработка экспериментального материала показывают, что существует вполне определенная взаимосвязь между тремя гидродинамическими показателями освоения скважин после их подземного ремонта: Tн, ΔР = Рзаб - Рпл, Vф. Из обобщающего рисунка 3.10 видно, что продолжительность периода слабого обмыва ПЭД - величина Tн - растет с увеличением ΔР и Vф.

Но при этом надо отметить, что представленный материал несколько меняет существующее представление о характере освоения скважин после подземного ремонта. Это выражается, главным образом, в том, что успешность освоения в большой степени определяется существующим к моменту начала освоения избытком забойного давления над пластовым. Судя по фактическим данным для рассматриваемых условий избыток в 1,5 - 2,0 МПа является критическим; при ΔР > (1,5 - 2,0) МПа резко возрастает продолжительность периода слабого обмыва ПЭД.

Из вышесказанного следует, что при традиционной технологии освоения оперативность проведения подземного ремонта в некоторых случаях (при ΔР > ΔРкр) не может служить гарантией нормального режима обтекания погружного двигателя в начальный период. Кроме того, режим обтекания может быть значительно улучшен, если начало освоения скважины после подземного ремонта будет смещено и перепад давления ΔР = Рзаб - Рпл к моменту начала освоения будет ниже критического. Но такая мера будет действенна лишь в том случае, когда фактический и расчетный объемы рабочего агента будут примерно одинаковы, а объем инфильтрующейся в пласт жидкости Vф при этом минимален. Только в этом случае отрицательный эффект от снижения фильтрационной характеристики призабойной зоны скважины может быть скомпенсирован положительным воздействием от снижения ΔР к началу освоения. По иному идет процесс освоения в скважинах, заглушенных. ГЭР (рис. 3.11). Ниже приведем результаты исследования скв. 1560, продукция которой содержит нефть угленосных отложений вязкостью 19,2 мПа-с в пластовых условиях. Процесс освоения этой скважины проходит практически без осложнений. Уже в первые 50 мин ŵ равна 0,5, а через 4,6 ч достигает 0,95. В динамике Hyp = f(t) и ŵ = f(t) можно выделить четыре зоны.

Первая зона (t1) представляет из себя процесс, когда включенный насос забирает жидкость с затрубного пространства и резко снижает уровень. Приток из пласта жидкости начинается более интенсивно через 12-15 мин и в точке t1 имет максимум. Основная жидкость из затрубного пространства к этому моменту откачана и на прием насоса начинает поступать пластовая жидкость. Ввиду различия плотностей продукции пласта и задавочной жидкости насос,. как правило, меняет свою характеристику в сторону снижения, которое продолжается до выравнивания плотностей до приёма насоса и в затрубном участке.

С точки t2 (вторая зона) над приёмом насоса начинает накапливаться нефтяная фаза, плотность которой практически. равна плотности нефти в пластовых условиях. Этот процесс продолжается до точки t3 (третья зона). С момента t3 до t4 (четвертая зона) идет выравнивание системы пласт-насос-подъёмник и система переходит на "условно стационарный режим" работы. Аналогичный процесс происходит и в других исследованных скважинах.

При применении ГЭР эффект проявления начальных градиентов и капиллярных сил значительно ниже в сравнении со скважинами, заглушенными минерализованной водой высокой плотности . Так, по скв. 6737 он составляет 18 мин (см. начало кривой ŵ -рис. 3.9), скв. 7519 и 7447 - 24 и 36 мин соответственно, в то время как по скв. 1560 он составляет всего лишь 6 мин.

Представляют интерес результаты освоения скв. 7466, на которой перед ремонтом была проведена промывка забоя с допуском труб водным раствором дистиллята деэмульгатором типа дисолван. Операция с промывкой забоя скважины была: связана с другим технологическим процессом - очисткой призабойной зоны. Эффект действия химреагентов на этой скважине проявляется значительно, хотя перед ремонтом она была промыта технологической жидкостью. Фильтровавшиеся в пласт и адсорбированные в призабойной зоне углеводородный радикал и деэмульгатор изменяют картину освоения в сторону облегчения процесса. Если сравнить характер изменения ŵ = f(t) по скв. 7466 и 1560, то можно наблюдать схожесть происходящих процессов. Отличие физико-химических свойств задавочной жидкости и продукции скважин приводит к значительной перегрузке погружных установок в момент освоения и изменению геологофизических характеристик призабойной зоны.

Обобщая результаты исследования более чем 400 скважин с ЭЦН и используя зависимости (3.20) и (3.21) для скважин, откачивающих девонскую нефть, получили зависимость ŵ = f(Qн) при критериях ΔР = 1,5-2,0 МПа.

Действие параметров притока на ŵ комплексно. В значительной степени влияние оказывает μн и k. На рис. 3.12 зависимость ŵ = f(Qн) приведена для трех значений проницаемостей 0,2; 0,5 и 0,8 мкм2. Для данного случая принято, что приток из пласта в "условно стационарном режиме" соответствует производительности насоса. Анализируя кривые 1, 2, 3 (см. рис. 3.12), можно отметить следующее. Условия освоения и вывода на режим даже для одного и того же значения притока из пласта, наряду с другими параметрами, определяющим образом зависят от проницаемости призабойной зоны пласта. При притоках менее 150 - 180 м3/сут применение химреагентов, сохраняющих первоначальные характеристики пласта крайне необходимо.

Для скважин с притоком более 180 м3/сут могут быть применены и более дешевые технологические приемы, позволяющие значительно облегчить процесс освоения и пуска скважин. Но здесь следует иметь в виду, что процесс освоения и пуска скважины в работу комплексно взаимосвязан с работой погружного двигателя, насоса и подъемника, как единая гидродинамическая система. Применение жидкостей различных плотностей и вязкостей отражается на работе погружного насоса, двигателя и подъемника по-разному.

Рассмотрим прежде всего как первый элемент этой системы работу погружного двигателя. Двойственность причин, ухудшающих режим работы погружного двигателя в период освоения делает необходимым пересмотр существующей технологии подготовки к подземному ремонту и последующему освоению насосной скважины.

Из вышесказанного следует, что совершенствование технологии может проводиться в двух направлениях.

Первое - сокращение объема инфильтрации задавочной жидкости в пласт, особенно в тех случаях, когда физико-химические свойства рабочего агента сильно отличаются от свойств пластовой жидкости или же приводят к трудноустранимому в процессе эксплуатации ухудшению фильтрационной характеристики призабойной зоны скважины.

Второе направление - снижение забойного давления в скважине к моменту начала освоения погружным электроцентробежным насосом, то есть уровень задавочной жидкости в скважине к моменту включения установки должен быть близок к статическому или ниже его.

Эти два требования, конечно, при традиционной технологии подготовки и освоения после подземного ремонта не могут быть реализованы в одинаковой степени. И, как правило, выполнение одного требования может быть сделано лишь в ущерб другому. Количество жидкости, попадающей в пласт Vф, а также уровень жидкости в скважине Нур зависят от времени восстановления забойного давления после остановки скважины на подземный ремонт, иными словами, от времени ожидания задавки. При одинаковом объеме рабочего агента, используемого для задавки, и одинаковом времени проведения подземного ремонта, влияние времени ожидания задавки Тз на величины Vф и Нур сказывается по-разному.

На рис. 3.13 и 3.14 показаны условные графики гидродинамического состояния системы скважина - пласт для двух значений времени ожидания. Первый график соответствует условиям практически полного восстановления давления в скважине перед ее задавкой, а второй график - условиям, когда задавка начата непосредственно после остановки скважины на подземный ремонт (давление ещё не восстановлено).

Во втором случае отмечается значительно более высокий градиент давления в призабойной зоне, следовательно - более высокая скорость инфильтрации и высокий темп снижения давления. В результате к моменту начала освоения объем жидкости, проникшей в пласт, будет большим, а забойное давление (давление столба жидкости в скважине) меньшим, чем в первом случае.

На каждом конкретном объекте в связи с этим существует оптимальное время ожидания задавки, то есть оптимальная степень восстановления давления к моменту задавки скважины. В скважинах, оснащенных насосами большой производительности целесообразной является высокая степень восстановления давления. Большая скорость откачки до минимума сократит период слабого обмыва ПЭД, и призабойная зона пласта будет минимально загрязнена, так как Vф при этом незначителен.

В скважинах, освоение которых проводится насосами малой производительности, необходимо сократить время ожидания задавки. Это позволит к моменту включения погружной насосной установки обеспечить минимум разности между давлением столба жидкости в скважине и пластовым давлением, а после включения обеспечить практически мгновенный приток из пласта. Начнется обмыв погружного электродвигателя хоть и с недостаточно высокой скоростью, так как здесь происходит ухудшение фильтрационной характеристики призабойной зоны (в этом случае Vф велико). Впрочем, фактическая скорость обмыва будет находиться в определенном соответствии с требуемой для охлаждения ПЭД скоростью обмыва, ибо мощность двигателя относительно невелика.

Но главным требованием независимо от типоразмера применяемого оборудования при традиционной технологии задавки и освоения насосных скважин, следует повторить, остается строгая дозировка объема рабочего агента, обработанного химреагентом, используемого для задавки ремонтируемой скважины. Этот объем может быть подсчитан на основе вышеприведенных формул (3.19), согласно которых основными исходными параметрами служит пластовое давление, плотность задавочной жидкости, диаметр скважины, а также коэффициент запаса. Могут быть и другие разновидности технологии глушения, которые коренным образом исключают попадание задавочной жидкости в продуктивный пласт. Одним из способов, реализующих этот подход, является способ, основанный на использовании в процессе задавки скважины энергии сжатого газообразного агента.

Гидродинамика, гидродинамики, гидродинамики, гидродинамик, гидродинамике, гидродинамикам, гидродинамику, гидродинамики, гидродинамикой, гидродинамикою, гидродинамиками, гидродинамике, гидродинамиках Грамматический словарь Зализняка

гидродинамика - -и, ж. Раздел гидромеханики, изучающий движение несжимаемых жидкостей и взаимодействие их с твердыми телами. Малый академический словарь

гидродинамика - ГИДРОДИН’АМИКА, гидродинамики, мн. нет, ·жен. (от ·греч. hydor - вода и dynamis - сила) (мех.). Часть механики, изучающая законы равновесия движущихся жидкостей. Расчет водных турбин основывается на законах гидромеханики. Толковый словарь Ушакова

Гидродинамика - Т. наз. та часть теоретической механики, которая имеет целью нахождение общих законов движения жидкостей. первыми исследованиями относительно движения жидкостей были опытные исследования Торичелли, которые привели его к открытию известного закона... Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона

гидродинамика - орф. гидродинамика, -и Орфографический словарь Лопатина

ГИДРОДИНАМИКА - (от греч. hydor - вода и динамика), раздел гидроаэромеханики, в к-ром изучается движение несжимаемых жидкостей и их вз-ствие с тв. телами. Г.- исторически наиболее ранний и сильно развитый раздел механики жидкостей и газов, поэтому иногда... Физический энциклопедический словарь

гидродинамика - ГИДРОДИНАМИКА -и; ж. [от греч. hydōr - вода и dynamikos - силовой]. Раздел гидромеханики, изучающий движение жидкостей и их воздействие на обтекаемые или твёрдые тела. ◁ Гидродинамический, -ая, -ое. Г-ое исследование. Г-ое сопротивление. Г-ие устройства. Толковый словарь Кузнецова

гидродинамика - гидродинамика ж. Раздел гидромеханики, изучающий законы движения несжимаемой жидкости и взаимодействие её с твёрдыми телами. Толковый словарь Ефремовой

гидродинамика - См. гидра Толковый словарь Даля

ГИДРОДИНАМИКА - ГИДРОДИНАМИКА (от гидро... и динамика) - раздел гидромеханики, изучает движение жидкостей и воздействие их на обтекаемые ими твердые тела. Большой энциклопедический словарь

ГИДРОДИНАМИКА - ГИДРОДИНАМИКА, в физике - раздел МЕХАНИКИ, который изучает движение текучих сред (жидкостей и газов). Имеет большое значение в промышленности, особенно химической, нефтяной и гидротехнике. Научно-технический словарь

гидродинамика - Гидродинамики, мн. нет, ж. [гидро и dynamis – сила] (мех.). Часть механики, изучающая законы равновесия движущихся жидкостей. Расчет водных турбин основывается на законах гидромеханики. Большой словарь иностранных слов

гидродинамика - сущ., кол-во синонимов: 4 аэрогидродинамика 1 гидравлика 2 динамика 18 физика 55 Словарь синонимов русского языка

Гидродинамика. Основные определения

Гидродинамика занимается в основном изучением потока жидкости, ᴛ.ᴇ. изучением движения массы жидкости между ограничивающими поверхностями. Движущей силой потока является разность давлений.

Различают два вида движения жидкости: установившееся и неустановившееся . При установившемся движении скорость жидкости в любой точке потока не изменяется с течением времени. При неустановившемся движении скорость жидкости изменяется по величинœе или направлению с течением времени.

Установившееся течение должна быть равномерным или неравномерным . При равномерном движении скорости течения постоянны во всœех точках потока жидкости. Примером такого движения может служить течение несжимаемой жидкости с постоянным расходом в трубе постоянного сечения.

При неравномерном течении жидкости скорости ее движения остаются независящими от времени, но являются функцией координат. Примером может служить движение жидкости в трубе переменного сечения. Учитывая зависимость отплощади сечения скорость течения жидкости вдоль трубы будет изменяться, но она будет сохранять свое значение вне зависимости от времени.

Рассмотрим поток жидкости в трубе постоянного сечения. Живым сечением потока принято называть сечение в пределах потока, нормальное к направлению движения жидкости. В случае если поток занимает всœе сечение трубы, живое сечение потока совпадает с площадью поперечного сечения трубы. В разных точках поперечного сечения трубы скорость частиц жидкости неодинакова. Она больше у оси трубы и уменьшается по мере приближения к стенкам вследствие трения.

В связи с трудностью определœения скоростей потока в различных точках сечения, в инженерных расчетах используют не истинные скорости, а некоторую фиктивную среднюю скорость υ потока жидкости, которая представляет собой отношение объёмного расхода жидкости к площади живого сечения потока

Отсюда объёмный расход жидкости

Массовый расход жидкости

где ρ – плотность жидкости.

Массовая скорость жидкости

Различают безнапорные (свободные ) и напорные потоки . Безнапорным называют поток, имеющий свободную поверхность. К примеру, поток воды в реке, канале. Напорный поток, к примеру, поток воды в водопроводной трубе, не имеет свободной поверхности и занимает всœе живое сечение канала.

Каналы, по которым перемещается жидкость в производственных условиях, не всœегда имеют круглое сечение. При движении жидкости по каналу другой формы в качестве линœейного размера его принимают гидравлический радиус или эквивалентный (гидравлический ) диаметр .

Гидравлическим радиусом (R г ) называют отношение площади живого сечения к смоченному периметру. Смоченный периметр – та часть периметра, вдоль которой жидкость соприкасается со стенками проводного канала (трубы).

где S – площадь живого сечения потока, м 2 ; P – смоченный периметр канала, м.

В случае если поток напорный, а труба круглая, то S = πd 2 /4 и P = πd . Следовательно,

Откуда .

Эквивалентный диаметр равен диаметру гипотетического (предположительного) трубопровода круглого сечения, для которого отношение площади к смоченному периметру то же, что и для данного трубопровода некруглого сечения, ᴛ.ᴇ.

Для круглых труб эквивалентный диаметр равен их геометрическому диаметру: d э = d , для канала прямоугольного сечения со сторонами a и b

Для канала кольцевого сечения с наружным диаметром d н и внутренним диаметром d в

Теоретическая гидродинамика рассматривает три группы гидромеханических процессов: процессы, составляющие так называемую внутреннюю задачу – движение жидкости в трубах, каналах и пр.; процессы, составляющие внешнюю задачу, к примеру, движение частицы, осаждающейся под действием силы тяжести; процессы, составляющие смешанную задачу, к примеру, движение потока жидкости или газа по каналам, образованным твердой фазой, ᴛ.ᴇ. через слой зернистых или кусковых материалов.

Внутренняя задача достаточно подробно изучается в курсе прикладной механики жидкости и газа. По этой причине мы будем рассматривать процессы, составляющие внешнюю и смешанную задачи.

4.2.1. Внешняя задача гидродинамики

Законы движения твердых тел в жидкости (или обтекание жидкостью твердых тел) имеют важное значение для расчета многих аппаратов, применяющихся при производстве строительных материалов. Знание этих законов позволяет не только более полно представить физическую сущность явлений, происходящих, к примеру, при транспортировании бетонной смеси по трубопроводам, перемешивании различного рода масс, движении частиц при сушке и обжиге во взвешенном состоянии, но и более правильно и экономично сконструировать технологические агрегаты и установки, применяемые для этих целœей.

При обтекании твердого тела потоком жидкости или при движении твердого тела в покоящейся жидкости возникают гидродинамические сопротивления. Эти сопротивления проявляются в непосредственной близости от самого тела и определяются действием сил вязкости и сил, определяемых разностью давления перед обтекаемым телом и за ним. Соотношение между силами трения и давления должна быть различным исходя из формы твердого тела, режима движения потока, обтекающего тело, и ряда других факторов.

Так, к примеру, при обтекании потоком жидкости плоской тонкой пластинки, установленной вдоль направления векторов скорости набегающего потока, сопротивление определяется главным образом силами трения, возникающими на боковых поверхностях пластинки. В случае если же поток набегает на пластинку по нормали к ее поверхности, то эффект проявления сил трения (сил вязкости) становится пренебрежимо малым и сопротивление зависит в основном от разности давления перед и за обтекаемым телом. При обтекании потоком тела произвольной формы силы вязкости и силы давления могут оказаться соизмеримыми по величинœе.

При небольших скоростях и малых размерах тел или при высокой вязкости среды режим движения ламинарный, тело окружено пограничным слоем жидкости иплавно обтекается потоком (рис. 4.2).

(а) – ламинарный режим; (б) – турбулентный режим

Рисунок 4.2 – Обтекание жидкостью твердого тела

Потеря давления в данном случае связана главным образом с преодолением сопротивления трения. При обтекании тела в форме шара потоком вязкой жидкости, когда основным фактором, определяющим сопротивление, являются силы трения, силу сопротивления определяют по формуле Стокса

,

где d – диаметр шара; μ – динамическая вязкость жидкости; – скорость потока жидкости.

С развитием турбулентности всœе большую роль начинают играть силы инœерции. Под действием их пограничный слой отрывается от поверхности, что приводит к образованию за телом отрывного (вихревого) течения, направленного навстречу потоку (см. рис.). В результате возникает дополнительная сила сопротивления, направленная навстречу потоку. Вследствие этого давление в лобовой части тела всœегда оказывается больше давления в его кормовой части. Равнодействующая этих сил давления, отличная от нуля, и определяет собой сопротивление давления . Поскольку она зависит от формы тела, ее называют сопротивлением формы .

В общем случае сопротивление при обтекании твердого тела потоком жидкости или при движении твердого тела в покоящейся жидкости представляет собой сумму сопротивления трения и сопротивления давления (сопротивления формы). Суммарное, или полное, сопротивление (часто его называют лобовым сопротивлением ) обычно определяется по формуле Ньютона:

где c – коэффициент лобового сопротивления; S – площадь сечения обтекаемого тела по миделю (площадь проекции тела на плоскость, перпендикулярную векторам скорости набегающего потока); ρ – плотность жидкости; – скорость потока жидкости.

Коэффициент лобового сопротивления с зависит от формы обтекаемого тела и числа Рейнольдса (Re ). При исследовании движения шарообразных частиц диаметром d были установлены три области, каждой из которых соответствует определœенный характер зависимости c от Re ψ = А ш / А , где А ш – поверхность шара, имеющего тот же объём, что и рассматриваемое тело поверхностью А .

Гидродинамика. Основные определения - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Гидродинамика. Основные определения" 2017, 2018.

ГИДРОДИНАМИКА

Гидродинамика

Раздел механики сплошных сред, в котором изучаются закономерности движения жидкости и её взаимодействие с погружёнными в неё телами. Поскольку, однако, при относительно небольших скоростях движения воздух можно считать несжимаемой жидкостью, законы и методы Г. широко используются для аэродинамических расчётов летательных аппаратов при малых дозвуковых скоростях полёта. Большинство капельных жидкостей, например, вода, обладают слабой сжимаемостью, и во многих важных случаях их плотность (ρ) можно считать постоянной. Однако сжимаемостью среды нельзя пренебрегать в задачах взрыва, удара и других случаях, когда возникают большие ускорения частиц жидкости и от источника возмущений распространяются упругие волны.
Фундаментальные уравнения Г. выражают собой сохранения законы массы (импульса и энергии). Если предположить, что движущаяся среда является ньютоновской жидкостью и для анализа её движения применить метод Эйлера, то течение жидкости будет описываться неразрывности уравнением, Навье - Стокса уравнениями и энергии уравнением. Для идеальной несжимаемой жидкости уравнения Навье - Стокса переходят в Эйлера уравнения, а уравнение энергии выпадает из рассмотрения, поскольку динамика течения несжимаемой жидкости не зависит от тепловых процессов. В этом случае движение жидкости описывается уравнением неразрывности и уравнениями Эйлера, которые удобно записать в форме Громеки - Ламба (по имени русский учёного И. С. Громеки и английского учёного Г. Ламба.
Для практических приложений важны интегралы уравнений Эйлера, которые имеют место в двух случаях:
а) установившееся движение при наличии потенциала массовых сил (F = -gradΠ); тогда вдоль линии тока будет выполняться Бернулли уравнение, правая часть которого постоянна вдоль каждой линии тока, но, вообще говоря, меняется при переходе от одной линии тока к другой.Если жидкость вытекает из пространства, где она покоится, то постоянная Бернулли H одинакова для всех линий тока;
б) безвихревое течение: ((ω) = rotV = 0. В этом случае V = grad(φ), где (φ) - потенциал скорости, и массовые силы обладают потенциалом. Тогда для всего поля течения справедлив интеграл (уравнение) Коши - Лагранжа д(φ)/дt + V2/2 + p/(ρ) + П = H(t). В обоих случаях указанные интегралы позволяют определить поле давлений при известном поле скоростей.
Интегрирование уравнения Коши - Лагранжа в интервале времени (Δ)t(→)0 в случае ударного возбуждения течения приводит к соотношению, связывающему приращение потенциала скорости с импульсом давления pi.
Всякое движение первоначально покоящейся жидкости, вызванное силами веса или нормальными давлениями, приложенными к её границам, потенциально. Для реальных жидкостей, обладающих вязкостью, условие (ω) = 0 выполняется лишь приближённо: вблизи обтекаемых твёрдых границ существенно сказывается вязкость и образуется пограничный слой, где (ω ≠)0. Несмотря на это, теория потенциальных течений позволяет решать ряд важных прикладных задач.
Поле потенциального течения описывается потенциалом скорости (φ), который удовлетворяет уравнению Лапласа
divV = (Δφ) = 0.
Доказано, что при заданных граничных условиях на поверхностях, ограничивающих область движения жидкости, его решение единственно. В силу линейности уравнения Лапласа справедлив принцип суперпозиции решений и, следовательно, для сложных течений решение можно представить как сумму более простых течений (см. Источников и стоков метод). Так, при продольном обтекании однородным потоком отрезка с распределёнными по нему источниками и стоками с равной нулю суммарной интенсивностью образуются замкнутые поверхности тока, которые можно рассматривать как поверхности тел вращения, например, корпуса летательного аппарата.
При движении тела в реальной жидкости всегда возникают гидродинамические силы из-за его взаимодействия с жидкостью. Одна часть суммарной силы обусловлена присоединёнными массами и пропорциональна скорости изменения связанного с телом импульса примерно так же, как в идеальной жидкости. Другая часть суммарной силы связана с образованием следа аэродинамического за телом, который формируется в течение всей истории движения. След влияет на поле течения вблизи тела, поэтому численное значение присоединённой массы может не совпадать с его значением для аналогичного движения в идеальной жидкости. След за телом может быть ламинарным или турбулентным, может образовываться свободными границами, например, за глиссером.
Аналитические решения нелинейных задач, связанных с пространственным движением тел в жидкости при наличии следа, удаётся получить лишь в некоторых частных случаях.
Плоскопараллельные течения исследуются методами теории функций комплексного переменного; эффективно решение некоторых задач гидродинамики методами вычислительной математики. Приближенные теории получаются путём рациональной схематизации картины течения, применения теорем сохранения, использования свойств свободных поверхностей и вихревых течений, а также некоторых частных решений. Они разъясняют суть дела и удобны для предварительных расчётов. Например, при быстром погружении в воду клина с углом полураствора (β)к возникает существенное движение свободных границ в области брызговых струй. Для оценки сил важно оценить эффективную смоченную ширину клина, которая значительно превышает соответствующую величину при статическом погружении острия на ту же глубину h. Приближенная теория для симметричной задачи показывает, что отношение динамической смоченной ширины 2a к статической близко к (π)/2 и приводит к следующим результатам: a = 0,5(π)hctg(β), где (β) = (π)/2-(β)к, удельная присоединённая масса m* = 0,5(πρ)a2/((β)) (f((β)) (≈) 1-(8 + (π))tg(β)/(π)2 для (β) < 30(°)), B = m*dh/dt - вертикальный компонент удельного импульса, F = d(m*dh/dt)/dt -сила давления клина на жидкость.
При установившемся глиссировании килеватой пластинки со скоростью V(∞) течение в поперечной плоскости непосредственно за транцем весьма близко к течению, возбуждённому погружающимся клином. Поэтому приращение вертикального компонента импульса сообщаемого жидкости в единицу времени, близко к BV(∞) = m*V(∞)dh/dt. Импульс жидкости направлен вниз; реакция, действующая на тело, есть подъёмная сила Y. Для малых углов атаки (α) dh/dt = (α)V(∞), и Y = m*(h)V2(∞α).
За телом, движущимся в неограниченной жидкости с постоянной скоростью V(∞) и обладающим подъёмной силой Y, образуется вихревая пелена, которая далеко за телом сворачивается в 2 вихря с циркуляцией скорости Γ и расстоянием l между ними, которые замыкаются начальным вихрем. Вследствие взаимодействия эта пара вихрей наклонена к направлению движения на угол (α), определяемый соотношением sin(α) = Γ/(2(π)/V(∞)). Из теорем о вихрях следует, что импульс сил B, который нужно приложить к жидкости для возбуждения замкнутой вихревой нити с циркуляцией Γ и площадью диафрагмы S, ограниченной этой вихревой нитью, равен (ρ)ΓS и направлен перпендикулярно плоскости диафрагмы. В рассматриваемом случае Γ = const, скорость приращения диафрагмы dS/dt = lV(∞)/cos(α), вектор гидродинамической силы R = dB/dt и, следовательно, Y = (ρ)/ΓV(∞) и индуктивное сопротивление Xинд = (ρ)/ΓV(∞)tg(α)инд, причем (α)инд = (α).
Как в случае глиссирования, так и для любых несущих систем сопротивление определяется кинетической энергией жидкости, приходящейся на единицу длины оставляемого телом следа. Общий вывод состоит в том, что при сходе с тела свободных границ всю совокупность действующих сил можно приближённо разделить на 2 части, одна из которых определяется производными по времени от «связанных» импульсов, а вторая потоками «стекающих» импульсов.
При больших скоростях движения в потенциальном потоке могут возникать очень малые положительные и даже отрицательные давления. Жидкости, встречающиеся в природе и применяемые в технике, в большинстве случаев не способны воспринимать растягивающие усилия отрицательного давления), и обычно давление в потоке не может принимать значения меньше некоторого pd. В точках потока жидкости, в которых давление p = pd, происходит нарушение сплошности течения и образуются области (каверны), заполненные парами жидкости или выделившимися газами. Это явлен называется кавитацией. Возможным нижним пределом pd является давление насыщенных паров жидкости, зависящее от температуры жидкости.
При обтекании тел максимум скорости и минимум давления имеют место на поверхности тела и наступление кавитации определяется условием
Cpmin = 2(p(∞)-pd)(ρ)V2(∞) = (σ),
где (σ) - число кавитации, Cpmin - минимальное значение коэффициента давления.
При развитой кавитации позади тела образуется каверна с резко выраженными границами, которые можно рассматривать как свободные поверхности и которые образованы частицами жидкости, сошедшими с обтекаемого контура в точках схода струй. Явления, происходящие в области смыкания струй, ограничивающих каверну, еще не вполне изучены; опыт показывает, что кавитационное течение имеет нестационарный характер, особенно сильно выраженный в области смыкания.
Если (σ) > 0, то давление в набегающем потоке и в бесконечности за телом больше, чем давление внутри каверны, и поэтому каверна не может простираться до бесконечности. При уменьшении σ размеры каверны возрастают и область замыкания удаляется от тела. При (σ) = 0 предельное кавитационное течение совпадает с обтеканием тел со срывом струй по схеме Кирхгофа (см. Струйных течений теория).
Для построения стационарного струйного течения используются различные идеализированные схемы, например, такая: свободные поверхности, сходящие с поверхности тела и направленные выпуклостью к внешнему потоку, при смыкании образуют струю, стекающую внутрь каверны (при математическом описании уходит на второй лист римановой поверхности). Решение такой задачи проводится методом, аналогичным методу Гельмгольца - Кирхгофа: В частности, для плоской пластины ширины l, установленной перпендикулярно набегающему потоку, коэффициент сопротивления cx, вычисляется по формуле
cx = cx0(1 + (σ)),
где cx0 = 2(π)/((π) + 4) - коэффициент сопротивления пластины, обтекаемой по схеме Кирхгофа. Для. пространственных (осесимметричных) каверн справедлив приближённый принцип независимости расширения, выражаемый уравнением
d2S/dt2 (≈) -K(p(∞)-pк)/(ρ),
где S(t) - площадь поперечного сечения каверны в неподвижной плоскости, перпендикулярной к траектории центра кавитатора p(∞)(t) -давление в рассматриваемой точке траектории, которое было бы до образования каверны; pк - давление в каверне. Константа К пропорциональна коэффициенту сопротивления кавитатора; для тупых тел К Гидродинамика 3.
С явлением кавитации приходится встречаться во многих технических устройствах. Начальная стадия кавитации наблюдается при заполнении имеющейся в потоке области пониженного давления пузырьками газа или пара, которые, схлопываясь, вызывают эрозию, вибрации и характерный шум. Пузырьковая кавитация возникает на гребных винтах, в насосах, трубопроводах и других устройствах, где из-за повышеной скорости давление понижается и приближается к давлению парообразования. Развитая кавитация с образованием каверны с низким давлением внутри имеет место, например, за реданами гидросамолётов, если подток воздуха в зареданное пространство оказывается стеснённым. Такие каверзы приводят к автоколебаниям, так называемым барсу. Срыв каверн на подводных крыльях и на лопастях гребных винтов приводит к снижению подъёмной силы крыла и «упора» винта.
Экспериментальная Г. помимо традиционных гидроканалов (опытовых бассейнов) располагает широким ассортиментом специальных установок, предназначенных для изучения быстропротекающих нестационарных процессов. Применяются скоростная киносъёмка, визуализация течений и другие методы. Обычно на одной модели нельзя удовлетворить всем требованиям подобия (см. Подобия законы), поэтому широко применяется «частичное» и «перекрёстное» моделирование. Моделирование и сравнение с теоретическими результатами является основой современных гидродинамических исследований.

Авиация: Энциклопедия. - М.: Большая Российская Энциклопедия .Главный редактор Г.П. Свищев .1994 .

ГИДРОДИНАМИКА - раздел гидромеханики , в к-ром изучается движение несжимаемых жидкостей и их взаимодействие с твёрдыми телами или поверхностями раздела с др. жидкостью (газом). Осн. физ. свойствами жидкостей, лежащими в основе построения теоретич. моделей, являются непрерывность, или сплошность, лёгкая подвижность, или текучесть , и вязкость .Большинство капельных жидкостей оказывает значит. сопротивление сжатию и считается практически несжимаемыми.

Методы Г. позволяют рассчитывать скорость, давление и др. параметры жидкости в любой точке занятого жидкостью пространства в любой момент времени. Это даёт возможность определить силы давления и трения, действующие на движущееся в жидкости тело или на стенки канала (русла), являющиеся границами для потока жидкости. Методы Г. пригодны и для газов при скоростях, малых по сравнению со , когда газы ещё можно считать несжимаемыми.

В теоретич. Г. для описания движения несжимаемой (=const) жидкости пользуются неразрывности уравнением

и Навье - Стокса уравнениями

где - вектор скорости, - вектор внешних массовых сил, действующих на весь объём жидкости, t - время, - , р - давление, v - коэф. ки-нематич. вязкости. Ур-ние (2) приведено для случая постоянного коэф. вязкости. Искомые параметры v и р являются в общем случае ф-циями четырёх независимых переменных - координат х, у, z и времени t . Для решения этих ур-ний необходимо задать начальные и граничные условия. Нач. условиями служит задание в нач. момент времени (обычно при t =0) области, занятой жидкостью, и состояния движения. Граничные условия зависят от вида границ. Если граница области - неподвижная твёрдая стенка, то частицы жидкости к ней "прилипают" вследствие вязкости и граничным условием является обращение в нуль всех составляющих скорости на стенке: v=0 . B , не обладающей вязкостью, это условие заменяется условием "непротекания" (в нуль обращается только нормальная к стенке составляющая скорости: v n =0). В случае подвижной стенки скорость перемещения любой точки поверхности и скорость частицы жидкости, прилегающей в этой точке, должны быть одинаковы (в идеальной жидкости должны быть одинаковы проекции этих скоростей на нормаль к поверхности). На свободной поверхности жидкости, граничащей с пустотой или с воздухом (газом), должно выполняться граничное условие р(х,у,z,t)=const=p a , где р а - давление в окружающем пространстве. Поверхность, удовлетворяющая этому условию, в ряде задач Г. моделирует поверхность раздела жидкости с газом или паром.

Решения систем ур-ний (1) и (2) получены лишь при различных упрощающих предположениях. В отсутствие вязкости (модель идеальной жидкости, в к-рой v =0) они сводятся к Эйлера уравнениям Г. При описании течений жидкости с малой вязкостью (напр., воды) можно упростить ур-ния Г., пользуясь гипотезой о пограничном слое . К упрощению ур-нии Г. приводит также уменьшение числа независимых переменных до трёх - х, у, z или х, у, t , двух - х, у или х, t и одной - х . Если движение жидкости не зависит от времени t , оно наз. установившимся или стационарным. При стационарном движении .

Наиб. развиты методы решения ур-ний идеальной жидкости. Если внешние массовые силы обладают потенциалом: , то при стационарном течении ур-ние (2) после интегрирования даёт интеграл Бернулли (см. Бернулли уравнение )в виде

где Г - величина, сохраняющая пост. значение на данной линии тока. Если массовые силы - это , то U=gz (g - ) и ур-ние (3) можно свести к виду

Успешно решены также мн. задачи о вихревых и волновых движениях идеальной жидкости (о вихревых нитях, слоях, вихревых цепочках, системах вихрей, о волнах на поверхности раздела двух жидкостей, о капиллярных волнах и др.). Развитие вычислит. методов Г. с использованием ЭВМ позволило решить также ряд задач о движении вязкой жидкости, т. е. получить в нек-рых случаях решения полной системы ур-ний (1) и (2) без упрощающих предположений. В случае турбулентного течения , характеризуемого интенсивным перемешиванием отдельных элементарных объёмов жидкости и связанным с этим переносом массы, импульса и теплоты, пользуются моделью "осреднённого" по времени движения, что позволяет правильно описать осн. черты жидкости и получить важные практич. результаты.

Наряду с теоретич. методами изучения задач Г. применяется лаб. гидродинамич. эксперимент на моделях, основанный на подобия теории . Для этого используют как спец. гидродинамич. моделирующие установки (гидротрубы, гидроканалы, гидролотки), так и аэродинамические трубы малых скоростей, ибо при малых скоростях рабочее тело (воздух) можно считать несжимаемой жидкостью.

Разделами Г. как составной части гидроаэромеханики являются теория движения тел в жидкости, теория фильтрации , теория волновых движений жидкости (в т. ч. теория приливов), теория кавитации , теория глиссирования. Движение неньютоновских жидкостей (не подчиняющихся закону трения Ньютона) рассматривается в реологии . Движение эл--проводных жидкостей в присутствии магн. полей изучает магнитная гидродинамика .Методы Г. позволяют успешно решать задачи гидравлики, гидрологии, русловых потоков, гидротехники, метеорологии, расчёта гидротурбин, насосов, трубопроводов и др.

С. JI. Вишневецкий .