Plūsma un nepārtrauktība

Nepārtrauktības vienādojums vispirms ir masas nezūdamības likums, nevis tikai „cauruļu formula”. Sašaurinājumi, atzarojumi, sprauslas un saspiežamas plūsmas ir viena un tā paša bilances principa varianti.

Tilpuma un masas plūsmas ātrums

Caur A laukuma šķēlumu šķidrums ar vidējo normālo ātrumu v laikā Δt pārvietojas par vΔt, tāpēc ΔV≈AvΔt un Q=dV/dt=Av. Q mērvienība ir m³·s⁻¹.

Ja blīvums ir ρ, masas plūsmas ātrums ir ṁ=ρAv. Tas ir vispārīgāks lielums, jo masa saglabājas arī tad, ja blīvums mainās.

Nepārtrauktība kā masas saglabāšanās

Stacionārā plūsmā ar vienu ieeju un vienu izeju izvēlētajā apgabalā masa neuzkrājas, tāpēc ρ₁A₁v₁=ρ₂A₂v₂. Nesaspiežamam šķidrumam ρ₁=ρ₂ un A₁v₁=A₂v₂=Q.

Ja laukums samazinās četras reizes, vidējais ātrums palielinās četras reizes. Vienādojumā ir laukums, nevis diametrs, tāpēc jāņem vērā A∝d².

Piemērs: sprausla

Ūdens plūst pa 3,0 cm diametra šļūteni ar 1,5 m·s⁻¹ un nonāk 1,0 cm diametra sprauslā. Tā kā A∝d², A₁/A₂=9, tātad v₂=13,5 m·s⁻¹. Ātrums palielinās deviņas, nevis trīs reizes.

Atzarojumi un uzkrāšanās

Stacionārs nesaspiežams mezgls

Qieeja=Q₁+Q₂+…. Izejošo tilpuma plūsmu summa ir vienāda ar ienākošo.

Vispārīga masas bilance

ṁieeja−ṁizeja=dMiekšā/dt. Piepildoties vai iztukšojoties tvertnei, ieplūde un izplūde konkrētajā brīdī var nebūt vienādas. Tāpēc nepārtrauktība nenozīmē vienādu plūsmu katrā zarā.

Nepārtrauktības vienādojuma lokālā forma

∂ρ/∂t + ∇·(ρu) = 0

Pirmais loceklis raksturo lokālu blīvuma izmaiņu, divergences loceklis – vai masas plūsma izkliedējas no maza apgabala vai tajā saplūst. Nesaspiežamai plūsmai bieži seko ∇·u=0. „Nesaspiežams” nozīmē, ka kustīga šķidruma elementa blīvums būtiski nemainās.

Nepārtrauktība nav Bernulli vienādojums

Nepārtrauktība

Izriet no masas saglabāšanās un saista ρ, A un v.

Bernulli

Izriet no enerģijas bilances ar papildu pieņēmumiem un saista spiedienu, ātrumu un augstumu gar plūsmas līniju.

Sašaurinājums nepārtrauktības dēļ var palielināt ātrumu, taču no tā vien spiedienu noteikt nevar. Vajadzīgs impulsa vai enerģijas sakars un tā pieņēmumi.

Eksperiments un modeļa robežas

Vienkāršs tests: noteiktā laikā savākt izplūstošo šķidrumu. Tilpums dalīts ar laiku dod Q; no iekšējā diametra nosaka A un tad v=Q/A. Atkārtojot ar citu sprauslu, tieši pārbauda laukuma–ātruma sakarību.

A₁v₁=A₂v₂ pieņem stacionāru, nesaspiežamu plūsmu bez noplūdes un uzkrāšanās starp šķēlumiem. Gāzei ar būtisku blīvuma maiņu lieto ρAv; piepildošai tvertnei pievieno uzkrāšanos; noplūdi uzskata par papildu izeju.

Uzdevumi

Caurules sašaurinājums

Nesaspiežams šķidrums plūst ar 2,0 m·s⁻¹ caur 6,0 cm² laukumu, kas sašaurinās līdz 2,0 cm². Atrodiet jauno vidējo ātrumu.

Risinājums

A₁v₁=A₂v₂, tātad v₂=(6,0/2,0)×2,0=6,0 m·s⁻¹.

Mezgls

Stacionāra 12 L·s⁻¹ plūsma sasniedz mezglu. Viens zars aizvada 4 L·s⁻¹. Kāda ir otra zara plūsma, ja uzkrāšanās nav?

Risinājums

Q₂=12−4=8 L·s⁻¹.

Saspiežama plūsma

Kāpēc A₁v₁=A₂v₂ nav pietiekams, ja gāzes blīvums būtiski mainās?

Risinājums

Tilpuma plūsma blīvuma maiņas gadījumā nesaglabājas. Stacionārai plūsmai lieto ρ₁A₁v₁=ρ₂A₂v₂.