- •Аннотация
- •1.Введение. Основы механики сплошной среды.
- •1.1. Предмет и метод механики сплошной среды. Гипотезы механики сплошной среды. Свойства Скалярные и векторные поля. Силы и напряжения в сплошной среде. Тензор напряжений. Законы сохранения.
- •Сплошная среда континуум, в котором материя распределена сплошным (непрерывным) образом;
- •Движение и деформация среды рассматривается в евклидовом пространстве;
- •Движение осуществляется в течение абсолютного времени.
- •1.3. Физические свойства жидкостей, газов и твердых тел.
- •1.5. Силы и напряжения в сплошной среде. Тензор напряжений. Деформации в сплошной среде. Тензор деформаций. Тензор скоростей деформаций.
- •1.6. Законы сохранения.
- •1.6.1. Закон сохранения импульса.
- •1.6.2. Закон сохранения момента количества движения.
- •1.6.3. Закон изменения кинетической энергии.
- •1.6.4. Закон изменения внутренней энергии.
- •1.6.5. Закон сохранения энергии.
- •1.8. Система дифференциальных уравнений гидромеханики.
- •1.9. Основы теории размерностей и подобия. - теорема. Подобие физических явлений, моделирование.
- •2.Гидростатика.
- •2.1. Равновесие жидкости. Уравнение равновесия.
- •2.2. Абсолютное, избыточное давление. Вакуум.
- •2.3. Сила давления жидкости на плоскую поверхность. Центр давления. Гидростатический парадокс. Давление жидкости на криволинейные поверхности.
- •2.4. Приборы для измерения давления.
- •2.5. Условия плавания тел. Закон Архимеда.
- •3. Гидромеханика.
- •3.1. Одномерные установившиеся течения вязкой жидкости. Основные понятия.
- •3.2. Уравнение Бернулли для установившегося напорного потока вязкой жидкости
- •3.3. Геометрическая и энергетическая интерпретация уравнения Бернулли.
- •3.4. Потенциальный и полный гидродинамические напоры. Пьезометрическая линия.
- •3.5. Течение жидкости в круглых трубах.
- •3.6. Безнапорные потоки. Струи.
- •3.7. Гидравлический удар в трубах. Формула Жуковского.
- •3.8. Уравнение Бернулли для газа. Одномерное течение газа. Критические параметры. Сопло Лаваля.
- •4. Основы реологии.
- •4.1. Реологические модели жидкостей.
- •4.2. Моделирование движения сложных сред
- •4.2.2. Неньютоновские жидкости.
- •4.2.3.Механические модели неньютоновских сред
- •5. Движение жидкостей и газов в пористой среде.
- •5.1.Основные понятия.
- •5.2.Определение эффективного диаметра.
- •5.3.Формулы фильтрации.
- •6.Кавитация.
- •6.Гетерогенные потоки.
- •6.1. Коэффициенты сопротивления и теплообмена частиц.
- •6.2. Основные уравнения для двухфазных монодисперсных течений
- •6.3. Система уравнений для полидисперсного течения
- •6.4. Равновесное и замороженное двухфазные течения
- •Приложение 1. Краткие сведения из математики.
- •Приложение.2 Программа Long_01 для расчета характеристик длинных трубопроводов.
Сплошная среда континуум, в котором материя распределена сплошным (непрерывным) образом;
Движение и деформация среды рассматривается в евклидовом пространстве;
Движение осуществляется в течение абсолютного времени.
В МСС изучаются индивидуальные или субстанциональные2 объемы среды. Условимся называть их частицами, и будем рассматривать их как отдельные термодинамические системы. Таким образом, предполагается, что для такой частицы справедливы все выводы термодинамики, которые получены для равновесных систем. Это предположение носит название гипотезы о локальном термодинамическом равновесии.
Напомним основные положения термодинамики.
Если в системе нет изменений параметров, и отсутствуют потоки, то говорят, что система находится в термодинамическом равновесии.
Нулевое начало термодинамики. Две термодинамические системы находящееся в термодинамическом равновесии с третьей, находятся в термодинамическом равновесии между собой (закон термодинамической транзитивности). Функцию состояния системы Т называют эмпирической температурой.
Первое начало термодинамики - закон сохранения энергии в частице. Тепло подводимое к частице идет на повышения ее внутренней энергии и работу внутренних сил.
Второе начало термодинамики – закон изменения энтропии. Энтропия (мера хаоса) изолированной системы не уменьшается. В частности это означает, что тепло передается от нагретого к холодному, а так же в другой формулировке - невозможность существования вечного двигателя второго рода.
В настоящее время МСС принято делить на две области:
механику жидкости и газа; механику твёрдых деформируемых тел.
Механика жидкости и газа включает в себя:
Газовую динамику (механику сжимаемых сред) и
Гидромеханику (механику несжимаемых сред):
механики идеальной жидкости;
механики вязкой ньютоновской жидкости;
механики аномально вязкой неньютоновской жидкости;
механики турбулентных течений.
Механика деформируемых твёрдых тел изучает:
теорию упругости;
теорию пластичности;
теорию ползучести;
теорию разрушения;
механику сыпучих тел.
Как мы увидим в дальнейшем, математические модели МСС приводят к необходимости решения систем сложных нелинейных дифференциальных уравнений. При их решении приходится сталкиваться с очень большими математическими трудностями, а точные аналитические решения получены только для простых задач. Поэтому, исторически сложилось разделение МСС на теоретическую МСС и практическую – гидравлику (техническую гидрогазодинамику). Задачи первой - разработка математических моделей МСС и методов их решения. Задачей второй – разработка эмпирических (использующих экспериментальные данные) и полуэмпирических моделей для расчета конкретных механизмов, технических устройств и сооружений. В последние время с развитием численных методов решения, и ростом мощности вычислительной техники грань между этими частями МСС стирается.
1.2. Плотность распределения характеристик в сплошной среде.
Для
определения характеристик сплошной
среды мы можем использовать предельные
переходы. Например, плотность вещества
в точке пространства с координатами
определяется зависимостью:
,
(1.1.4)
где
объём, занятый веществом;
масса этого объёма;
наименьший объём, окружающий точку с
координатами
,
содержащий достаточно представительное
число молекул. Если
-
характерная длина
подчиняется условию сплошности (1.1.1),
то
- можно практически считать равным 0, а
выражение для плотности записать в
виде:
.
(1.1.5)
Аналогичные рассуждения можно использовать и при определении скорости движения жидкости или газа в рамках модели сплошной среды:
. (1.1.6)
где
- масса,
- скорость молекулы, атома или другой
частицы сплошной среды, а суммирование
проводится по всем частицам, в объеме
.
Плотность распределения той или
иной характеристики сплошной среды в
пространстве или на поверхности это
количество этой характеристики,
приходящееся на единицу объёма или
площади поверхности. Иначе говоря, это
функция координат и времени
,
которая, будучи умножена на элементарный
объём
(или элементарную площадку
),
отразит общее количественно рассматриваемой
характеристики этого объёма (площадки).
При этом неявно предполагается, что
внутри объема постоянна
,
а элементарные объем
и площадка
малы. Пусть кинетическая энергия
элементарного объёма
,
имеющего массу
и скорость
,
равна:
.
(1.2.1)
Здесь
плотность
распределения кинетической энергии.
Если рассматриваемая величина вектор, то плотность ее распределения также вектор. Например, количество движения этого же элементарного объёма равно:
. (1.2.2)
Здесь
плотность
распределения количества движения.
Пусть
общее количество
какой-либо характеристики объёма
сплошной среды
в момент времени t, а
плотность
распределения этой характеристики.
Разобъем объём
на элементарные объёмы
,
где i
порядковый номер элементарного объёма.
Количество рассматриваемой гидромеханической
характеристики в пределах i го
элементарного объёма равно
,
где
координаты
любой внутренней точки объёма
.
Подсчитаем общее количество характеристики,
относящееся к объёму
,
используя принцип суперпозиции:
. (1.2.3)
Рассматривая элементарный объём как бесконечно малую величину, можно записать
. (1.2.4)
Плотность сплошной среды
можно назвать плотностью распределения
массы (в пространстве), при этом массу
М объёма
можно представить в виде:
. (1.2.5)
Введем аналогичным образом векторную
величину
– напряжение, как плотность
распределения силы
по поверхности:
. (1.2.6)
Проекцию напряжения на вектор единичной
внешней нормали к поверхности будем
называть
- нормальным напряжением, проекцию
на касательную плоскость
– касательным напряжением.
. (1.2.7)
Под давлением
будем
понимать
. (1.2.8)
Сила в системе СИ измеряется в Н – ньютонах, а давление в Па. Таким образом, давление есть величина нормальной силы отнесенной к поверхности – плотность распределения нормальной силы по поверхности.
