Что такое «поток жидкости»?

С вопросами, связанными с изучением закономерностей движения жидкостей, специалист в области пожарной безопасности встречается при исследовании процессов транспортировки огнетушащих сред в противопожарных водопроводах, насосно-рукавных системах, в автоматических установках пожаротушения, исследовании движения жидкостей в системах аварийного слива из технологических емкостей, изучении закономерностей поведения пожарных струй.

Различают установившееся (стационарное) и неустановившееся (нестационарное) движение жидкости.

Установившееся (стационарное) движение – это такое движение, когда скорость и давление в любой точке движущейся жидкости не изменяются во времени, а зависят только от местонахождения точки в пространстве.

Примеры установившегося движения жидкости: истечение жидкости через насадки пожарных стволов при постоянном напоре; движение жидкости в нагнетательной и всасывающей линиях пожарного насоса при постоянном числе оборотов привода и неизменных сопротивлениях в линиях.

Неустановившееся (нестационарное) движение – это такое движение, когда скорость и давление в каждой точке изменяются с течением времени, т. е. являются функциями координат и времени.

Примеры неустановившегося движения жидкости: быстрое включение и выключение подачи жидкости в стационарные установки пожаротушения; открытие и закрытие пожарных гидрантов, задвижек на водопроводной сети; моменты начала и прекращения подачи воды по противопожарным водопроводам, пожарным рукавам (включение и выключение насосов); гидравлический удар (резкое увеличение давления в жидкости при мгновенном изменении скорости движения), который может возникнуть при резком закрытии крана на пожарном стволе, при наезде автомобиля на рукавную линию, в результате «залома» пожарного рукава.

В основу изучения гидродинамических закономерностей с самого начала возникновения гидравлики как науки и по сегодняшний день положена так называемая «струйчатая модель» движения жидкости. Согласно данной модели, поток жидкости состоит из отдельных элементарных струек, изучение которых в отдельные моменты дает возможность понять закономерности движения жидкости в целом.

Рассмотрим понятие элементарной струйки и связанные с ней понятия линии тока и трубки тока.

Линия тока – это кривая, касательные к которой в каждой точке совпадают с вектором скорости в этих точках в данный момент времени. Понятие линии тока относится к определенной совокупности различных частиц жидкости, рассматриваемых в данный момент времени.

Если через все точки бесконечно малого замкнутого контура, выделенного в движущейся жидкости, провести линии тока, то они образуют трубчатую поверхность, которую называют трубкой тока. Поскольку линии тока не пересекаются, то жидкость через боковую поверхность трубки тока не поступает, т.е. трубка тока представляет собой непроницаемую поверхность.

Элементарной струйкой называется масса жидкости внутри трубки тока.

При установившемся движении элементарная струйка обладает рядом свойств:

- Форма и положение элементарной струйки в пространстве с течением времени остаются неизменными.

- Поверхность элементарной струйки непроницаема для частиц жидкости, движущихся в данной и соседней струйках (обмена энергией жидкости между элементарными струйками не происходит).

- Вследствие малости поперечного сечения элементарной струйки скорость и гидродинамическое давление во всех точках ее поперечного сечения одинаковы.

Исходя из «струйчатой модели» движения жидкости рассмотрим, что же понимается под потоком жидкости, а также какие бывают потоки.

Поток жидкости – это непрерывная масса частиц жидкости, представляющая собой совокупность элементарных струек, движущихся в определенном направлении с различными скоростями.

По характеру движения потоки жидкостей подразделяются на напорные, безнапорные и свободные струи.

Напорный поток по всему периметру ограничен твердыми стенками. Движение жидкости в случае напорного потока происходит за счёт напора, создаваемого, например, насосом или напорной емкостью. Примером напорного потока является движение огнетушащей жидкости в противопожарных водопроводах, рукавных линиях.

Безнапорный поток, в отличие от напорного потока, имеет свободную поверхность. Движение жидкости в этом случае происходит под действием сил тяжести самого потока жидкости. Примером безнапорного потока является течение воды в реке, канале.

Свободная струя представляет собой поток, не ограниченный твердыми стенками. Движение происходит под действием сил инерции и веса жидкости. Пример – водяная пожарная струя в воздушном пространстве.

Знание вопросов, связанных с закономерностями движения жидкостей, изучение особенностей течения различных видов потоков имеют важное значение при расчете, проектировании, организации работы систем пожаротушения, разработке мероприятий их надежного и эффективного функционирования.