1794
.pdfМинистерство науки и высшей школы Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Сибирский государственный автомобильно-дорожный университет (СибАДИ)»
В. И. Сологаев
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ПРОВЕДЕНИЮ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ
ПО МЕХАНИКЕ ЖИДКОСТИ И ГАЗА
Омск – 2018
УДК 532+533 ББК 24.62 С60
Согласно 436-ФЗ от 29.12.2010 «О защите детей от информации, причиняющей вред их здоровью и развитию» данная продукциямаркировке не подлежит.
Рецензенты:
д-р геогр. наук, проф. И.В. Карнацевич (Омский государственный педагогический университет);
канд. техн. наук, заслуженный строитель России Р.Ш. Абжалимов (Территориальный проектный институт ОАО «Омскгражданпроект»)
Работа одобрена редакционно-издательским советом университета в качестве методических указаний для обучающихся всех форм обучения направления «Строительство» (бакалавриат, специалитет, магистратура и т.д.). Все авторские права защищены.
УДК 532+533
С60 Сологаев Валерий Иванович.
Методические указания к проведению практических занятий по механике жидкости и газа [Электронный ресурс]. – Омск: Авторская редакция, 2018. – 18 с.
–Режим доступа: http://bek.sibadi.org/fulltext/bn1114.pdf, свободный после авторизации.
– Загл. с экрана.
Даны методические указания к проведению практических занятий по механике жидкости и газа (МЖГ).
Издание использует виртуальные аналогаги оборудования с помощью компьютерных технологий локально на персональном компьютере и дистанционно через сеть Internet в компьютерных классах СибАДИ.
Предназначено для обучающихся всех форм обучения направления «Строительство» (бакалавриат, специалитет, магистратура и т.д.).
Подготовлено на кафедре «Городское строительство, хозяйство и экспертиза объектов недвижимости».
© Сологаев Валерий Иванович, 2018
2
Оглавление
1.ВВЕДЕНИЕ …………………………………………………………………… 3
1.1.Исходные данные для практических занятий ……………………………… 4
1.2.Состав практических занятий ……………………………………………… 4
1.3.Оформление практических занятий ……………………………….…….... 4
2.ГИДРАВЛИКА ……………………………………………………………….. 5
2.1.Введение ………………………………………………………………….…. 5
2.2.Физические свойства жидкости ……………………………..……………. 6
2.3.Гидростатика ……………………………………………………………….. 8
2.4. Гидродинамика ……………………………..……………………………… |
10 |
2.5. Теория фильтрации жидкости …………………………..………………… |
14 |
3.АЭРОДИНАМИКА ………………………………………………………….. 17
3.1.Физические свойства газа …………………………………….……………. 17
3.2.Статика газа …………………………………………………………………. 17
3.3.Динамика газа ………………………………………………………………. 17
4.ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ МЖГ ………………………………………….. 18
Библиографический список …………………………………………………… 18
1. ВВЕДЕНИЕ
Методические указания к проведению практических занятий по механике жидкости и газа (гидравлике и аэродинамике) составлены для обучающихся по всем формам обучения (бакалавриат, специалитет, магистратура) по направлению «Строительство».
Кроме указаний по методике моделирования виртуальных аналогов процессов и явлений механики жидкости и газа с помощью электронных таблиц MS Excel, в них содержатся необходимые ссылки на учебную и научную литературу [1-15], использованию которой студенты должны уделять внимание в первую очередь. Выполнение практических занятий производится в соответствии с конкретным вариантом задания на моделирование процессов и явлений механики жидкости и газа.
Цель методических указаний состоит не в дублировании учебной и научной литературы, а в облегчении использования последней студентами, в стремлении научить их работать с ней.
Следует иметь в виду, что указанные в списке литературы документы могут со временем обновляться. Поэтому студенты должны самостоятельно учитывать такие изменения и вносить соответствующие коррективы в ходе моделирования по своему варианту задания.
3
1.1. Исходные данные для практических занятий
Каждому студенту выдаётся индивидуальное задание на проведение практических занятий [2]. Оно содержит исходные данные для моделирования виртуальных аналогов процессов и явлений механики жидкости и газа с помощью электронных таблиц MS Excel.
Приступая к моделированию, студент, прежде всего, должен внимательно ознакомиться с заданием и прочитать данные методические указания.
1.2. Состав практических занятий
Практические занятия состоят из моделирования виртуальных аналогов процессов и явлений механики жидкости и газа с помощью электронных таблиц MS Excel. При этом выполняют по заданиям [2] следующее:
Физические свойства жидкости.
Гидростатика.
Гидродинамика.
Теория фильтрации жидкости.
Физические свойства газа.
Статика газа.
Динамика газа.
Кроме того, первым занятием может быть ознакомительное введение в
предмет механики жидкости и газа (МЖГ). А последним, заключительным занятием может быть рассмотрение тенденций развития МЖГ.
1.3. Оформление практических занятий
Практические занятия оформляют с помощью электронных таблиц MS Excel с приведением:
темы лабораторной работы;
таблицы исходных данных;
рисунков, выполненных средствами рисования MS Excel;
расчётов с набором формул в редакторе Equation;
виртуальной модели процессов и явлений МЖГ по данной теме;
заключительных выводов.
Вначале рекомендуется все этапы моделирования прорабатывать в черновике в виде эскизов на бумаге или на компьютере и параллельно проводить расчёты. После накопления черновиков всех расчётных и графических материалов можно приступить к оформлению лабораторных работ начисто с помощью электронных таблиц MS Excel. Окончательно результаты практического занятия оформляются письменно (рукописно) в рабочей тетради обучающегося и защищаются обучающимся перед преподавателем.
4
2. ГИДРАВЛИКА
Данный раздел содержит методические указания по моделированию виртуальных аналогов процессов и явлений механики жидкости (гидравлики) с помощью электронных таблиц MS Excel:
Физические свойства жидкости.
Гидростатика.
Гидродинамика.
Теория фильтрации жидкости.
2.1. Введение
Первым занятием может быть введение в предмет механики жидкости и газа (МЖГ), на котором обучающийся знакомится со следующими пунктами предстоящих практических занятий:
теория [1]; варианты заданий [2];
возможные практические приложения темы, например [3, 4].
Прежде всего, надо хорошо понять предложенную тему практического занятия. Учебное пособие [1] поможет в этом.
Затем, пользуясь доступным в учебной аудитории Интернетом, постараться расширить свои представления по теме занятия, рассматривая разные точки зрения. Начинать лучше всего с истории вопроса, кто первый из учёных мира исследовал эту тему. Далее обучающийся знакомится с современным состоянием вопроса, примечая, нет ли сейчас не решённых проблем по данной теме. Наконец, в заключение теоретического экскурса, надо попытаться определить или узнать современные тенденции развития по данной теме.
Разработка модели виртуальных аналогов процессов и явлений механики жидкости (гидравлики) с помощью электронных таблиц MS Excel осуществляется поэтапно.
Вначале надо познакомиться с возможностями электронных таблиц MS Excel, поработать с командами данного программного средства, диапазонами применимости таблиц в исследовательских целях в рамках рассматриваемых лабораторных работ. Начинать надо всегда с простого и двигаться в направлении сложного. Никогда нельзя перескакивать сразу на сложные информационные технологии, иначе можно потерять логику построения модели виртуальных аналогов процессов и явлений механики жидкости и газа (гидравлики).
В результате вводного занятия у обучающегося подготавливаются необходимые навыки проведения научно-исследовательской работы по механике жидкости и газа (гидравлике).
5
2.2. Физические свойства жидкости
Практические занятия по физическим свойствам жидкости [1] подразделяются на три взаимосвязанные части:
плотность;
удельный вес;
вязкость.
Вкачестве примера приводим модель по заданию из учебного пособия [2] по исследованию плотности жидкости, построенную в электронной таблице MS Excel 2003, что показано на рис. 1.
Рис. 1. Виртуальная модель плотности жидкости
Данная модель получена одним из студентов группы СУЗ-14п1. Подобные модели по физическим свойствам жидкости предлагается получить в ходе данного практического занятия. При этом обучающимся следует обратить внимание на то, что в показанном примере получена виртуальная модель плотности жидкости, работающая интерактивно. Синие стрелки на поле таблицы показывают математические связи между ячейками таблицы, что делает её понятной и наглядной. Также можно заметить в строке формул таблицы использовано имя G для обозначения веса нефти. В конце практического занятия надо записать заключительные выводы и оформить работу письменно в тетради.
6
Другой пример виртуальной модели приведен на рис. 2.
Рис. 2. Виртуальная модель вязкости жидкости
В данном случае с помощью виртуальной модели (см. рис. 2) получено значение динамической вязкости жидкости. Иллюстрация справа от таблицы исходных данных делает более наглядным процесс лабораторного моделирования. Кнопка с всплывающей подсказкой «Влияющие ячейки» в зоне меню MS Excel 2003 добавлена пользователем. Как это сделать – поэспериментируйте и найдите сами. В случае версии электронных таблиц Excel 2007 или более поздней версии такую кнопку организовать сложнее. Однако обучающемуся не следует бояться трудностей. В таких, более сложных случаях – обращайтесь за подсказками в Интернет.
Ещё пример виртуальной модели показан на рис. 3.
Рис. 3. Виртуальная модель удельного веса жидкости
7
2.3.Гидростатика
Вкачестве примера приводим модель по заданию из учебного пособия [2] по исследованию основного уравнения гидростатики, построенную в электронной таблице MS Excel 2003, что показано на рис. 4.
Рис. 4. Виртуальная модель основного уравнения гидростатики
На рис. 5 показан случай объединения двух виртуальных моделей по изучению применения на практике основного уравнения гидростатики.
Рис. Объединения двух виртуальных гидростатических моделей
8
На рис. 6 показана виртуальная модель, демонстрирующая применение закона Архимеда в строительной практике, связанной с подземными резервуарами, подверженными воздействию грунтовых вод. УГВ – уровень грунтовых вод.
Рис. 6. Виртуальная модель к закону Архимеда
Виртуальная модель гидростатического напора (рис. 7) связана, например, со строительством водонапорных башен, неоходимых для систем наружного водоснабжения небольших городов и посёлков. Следует обратить внимание на курсор в ячейке А5 таблицы Excel, так как этой ячейке исследователь присвоил имя переменной h_1. Это имя можно прочитать в поле таблицы над заголовком столбца А и под наименованием шрифта Arial Cyr, где видно: h_1. Использование имён переменных в электронной таблице весьма напоминает программирование с помощью кода, что делает технологию моделирования виртуальных аналогов процессов и явлений механики жидкости и газа более удобной для исследователя. Синие стрелки на поле таблицы показывают математические связи между ячейками таблицы, что делает её понятной и наглядной. В результате данной виртуальной модели можно убедиться, что напор во всех точках покоящейся жидкости всюду одинаков.
9
Рис. 7. Виртуальная модель гидростатического напора
2.4. Гидродинамика
Гидродинамика – это раздел гидравлики (механики жидкости), изучающий закономерности движущихся жидкостей (потоков жидкостей).
Все потоки жидкости подразделяются на два типа:
1)напорные — без свободной поверхности;
2)безнапорные — со свободной поверхностью.
Все потоки имеют общие гидравлические элементы: линии тока, живое сечение, расход, скорость. Приведём краткий словарь некоторых гидравлических терминов.
Свободная поверхность – это граница раздела жидкости и газа, давление на которой обычно равно атмосферному. Её наличие или отсутствие определяет тип потока: безнапорный или напорный. Напорные потоки, как правило, наблюдаются
вводопровóдных трубах – они работают полным сечением. Безнапорные – в канализационных, в которых труба заполнена не полностью, поток имеет свободную поверхность и движется самотёком, за счёт уклона трубы.
Линия тока – это элементарная струйка потока, площадь поперечного сечения которой бесконечно мала. Поток состоит из пучка струек.
Площадь живого сечения потока – площадь поперечного сечения потока, перпендикулярная линиям тока.
Расход потока – это объём жидкости , проходящий через живое сечение потока
вединицу времени. Единицы измерения расхода в СИ м3/с, а в других системах: м3/ч, м3/сут, л/с.
10