Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Белорусский национальный технический университет

Предмет:

Файл:

Электронный учебно-методический комплекс по учебной дисциплине «Механика жидкости и газа» для специальности 1-43 01 06 «Энергоэффективные технологии и энергетический менеджмент».pdf

Скачиваний:

Добавлен:

28.12.2025

Размер:

4.39 Mб

Скачать

☆

1 / 591 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 > Следующая >>>

Белорусский национальный технический университет

Факультет технологий управления и гуманитаризации

Кафедра ЮНЕСКО «Энергосбережение и возобновляемые источники энергии»

ЭЛЕКТРОННЫЙ УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ПО УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЕ

«Механика жидкости и газа»

для специальности 1-43 01 06 «Энергоэффективные технологии и

энергетический менеджмент»

Составители: Баштовой Виктор Григорьевич Рекс Александр Георгиевич

Минск

БНТУ

2023

Перечень материалов

Теоретический раздел

-конспект лекций

Практический раздел

-лабораторный практикум

-методическое пособие к практическим занятиям

-методические указания к курсовой работе

Контроль знаний

-экзаменационные вопросы

Вспомогательный раздел

-содержание учебного материала;

-список литературы

Пояснительная записка

Целью ЭУМК «Механика жидкости и газа» является оказание помощи для приобретения студентами знаний и навыков, обеспечивающих осознанное использование ими возможностей жидкостей и газов в технических устройствах для обеспечения повышения эффективности их работы.

ЭУМК содержит четыре раздела. В теоретическом разделе представлены лекционные материалы. Практический раздел включает методические рекомендации для проведения лабораторных и практических занятий, рекомендации для выполнения курсовой работы. Раздел контроля знаний включает экзаменационные вопросы. Вспомогательный раздел содержит основные разделы учебного материала дисциплины и список рекомендуемой литературы.

Материалы учебно-методического комплекса представлены в формате PDF. Учебные материалы структурированы по разделам. Предусматривается навигация по разделам, что обеспечивает возможность быстрого поиска требуемой информации.

Может быть рекомендован для студентов энергетических специальностей

Открытие ЭУМК производится посредством запуска файла «Fluid and gas mechanics.pdf» без предварительной инсталляции.

		СОДЕРЖАНИЕ
ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ...............................................................				9
1. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ ...................				9
1.1. Общие фундаментальные свойства жидкостей и газов ...........				9
1.1.1. Сплошность	...............................................................................			9
1.1.2. Текучесть.................................................................................				10
1.2. Индивидуальные физические свойства жидкостей и
газов ........................................................................................................				12
1.2.1. Вязкость...................................................................................				12
1.2.2. Плотность и .......................основные уравнения состояния				17
1.2.3. Поверхностное .....................................................натяжение				24
2. СТАТИКА ЖИДКОСТЕЙ ............................................И ГАЗОВ				33
2.1. Основные положения статики жидкостей и газов.
Классификация сил, действующих . ..................в жидкостях и газах				33
2.2. Равновесие жидкостей и газов в отсутствии массовых
сил. Закон Паскаля. ...............................................................................				35
2.3. Равновесие жидкостей и газов в присутствии массовых
сил. Основное дифференциальное уравнение статики жидкостей
и газов. ....................................................................................................				37
2.3.1. Условия возможности механического равновесия в
однородной несжимаемой ...........................................жидкости				40
2.3.2. Условие возможности механического равновесия в
тяжелой неизотермической жидкости. Естественная
конвекция. ......................................................................................				41
2.4. Распределение давления в тяжелой несжимаемой
жидкости.................................................................................................				44
2.5. Распределение ............давления в тяжелом сжимаемом газе				47
2.6. Распределение давления в тяжелой несжимаемой
жидкости в равномерно ...................................вращающемся сосуде				49
2.7. Сила давления ..................на тела, погруженные в жидкость				51
2.7.1. Сила давления, действующая на криволинейную
поверхность, погруженную ......................................в жидкость				51
2.7.2. Вертикальная составляющая силы давления,
действующая	на	криволинейную	поверхность,
погруженную в тяжелую ....................несжимаемую жидкость				52
				3

2.7.3. Вертикальная составляющая силы давления,
действующая на тело, погруженное в тяжелую
несжимаемую жидкость. Закон Архимеда ..................................	55
2.7.4. Горизонтальные составляющие сил, действующих на
тела, погруженные в тяжелую несжимаемую жидкость ............	57
2.8. Плавание тел в тяжелой несжимаемой жидкости...................	58
2.8.1. Плавание тел, полностью погруженных в жидкость, и
его устойчивость ............................................................................	58
2.8.2. Особенности плавания тел, не полностью погруженных
в жидкость.......................................................................................	60
3. ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ И ОСНОВНЫЕ УРАВНЕНИЯ
ОДНОМЕРНЫХ ТЕЧЕНИЙ ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ......................	62
3.1. Закон сохранения массы. Уравнение неразрывности.............	63
3.2. Закон сохранения энергии. Уравнение Бернулли ...................	64
3.3. Закон сохранения импульса. Уравнение движения ................	68

4.ОДНОМЕРНЫЕ ТЕЧЕНИЯ НЕСЖИМАЕМОЙ

ЖИДКОСТИ...........................................................................................	70
4.1. Уравнение неразрывности для несжимаемой жидкости........	70

4.2.Уравнение Бернулли для идеальной (невязкой)

несжимаемой жидкости.........................................................................	71
2.3. Уравнение Бернулли для вязкой несжимаемой жидкости.
Потери энергии, давления и напора .....................................................	73
4.4. Качественные следствия из уравнений неразрывности и
Бернулли .................................................................................................	74
4.5. Кавитация ...................................................................................	75
4.6. Эжекция ......................................................................................	77
4.7. Течение несжимаемой жидкости через конфузоры и
диффузоры ..............................................................................................	77
4.8. Истечение несжимаемой жидкости через отверстие в
баке. Формула Торичелли .....................................................................	79
4.9.Внезапное расширение и сужение потока. Формула Борда....	81
4.10. Дроссельный расходомер........................................................	84
4.11. Основные задачи и методы гидравлического расчета
трубопроводных систем ........................................................................	85
4.11.1. Потери давления в трубопроводе ........................................	85
5. ОДНОМЕРНЫЕ ТЕЧЕНИЯ СЖИМАЕМОГО ГАЗА..................	92
	4

5.1 Распространение малых возмущений в жидкостях и газах.
Звук. ........................................................................................................	92
5.2. Основные уравнения одномерных течений сжимаемого
газа ..........................................................................................................	96
5.3. Истечение газа через отверстие в баке..................................	102
5.4. Движение газа в канале переменного сечения .....................	106
5.4.1. Движение газа через диффузор...........................................	107
5.4.2. Движение газа через конфузор............................................	108
5.4.3. Условие перехода скорости газа через значение
скорости звука..............................................................................	108
5.5. Распространение конечных возмущений в газе. Ударная
волна .....................................................................................................	111
5.5.1. Уравнение ударной адиабаты..............................................	116
5.5.2. Соотношения между параметрами газа в ударной волне. 118
6. ОБТЕКАНИЕ ТЕЛ ПОТОКОМ ЖИДКОСТИ И ГАЗА ............	122
6.1. Сила лобового сопротивления ...............................................	123
6.2. Подъемная сила .......................................................................	126
6.3. Пограничный слой...................................................................	127

7.КЛАССИЧЕСКИЕ ТЕЧЕНИЯ НЬЮТОНОВСКИХ

ЖИДКОСТЕЙ......................................................................................	134
7.1. Течение Пуазейля в круглой трубе........................................	134
7.2. Плоскопараллельное течение Куэтта ....................................	139
7.3. Пленочное течение жидкости по наклонной плоскости......	142
8. НЕНЬЮТОНОВСКИЕ ЖИДКОСТИ..........................................	145

8.1.Основные реологические законы неньютоновских

жидкостей.............................................................................................	145
8.1.1. Степенные неньютоновские жидкости...............................	146
8.1.2.Течение Пуазейля степенных жидкостей в круглой
трубе .............................................................................................	149
8.2. Вязкопластичные жидкости ...................................................	151
8.3. Электро- и магнитореологические суспензии ......................	153
9. ЭЛЕКТРОПРОВОДНЫЕ ЖИДКОСТИ......................................	157
9.1. Основные положения магнитной гидродинамики ...............	157
9.2. Практическое использование течений электропроводных
жидкостей и газов................................................................................	160
	5

9.3. Особенности статики электропроводных жидкостей...........	165
9.3.1. Распределение давления в электропроводной жидкости
в однородном магнитном поле ...................................................	166
9.3.2. Пинч-эффект..........................................................................	167
9.4. Особенности течений электропроводных жидкостей в
магнитном поле (течение Гартмана) ..................................................	170
10. МАГНИТНЫЕ ЖИДКОСТИ......................................................	172
10.1. Основные механизмы взаимодействия магнитных
жидкостей с магнитным полем...........................................................	172
10.2. Особенности статики магнитных жидкостей......................	174
10.3. Перспективные направления применения магнитных
жидкостей .............................................................................................	176
ПРАКТИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ .............................................................	178
ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ..................................................	178
Лабораторная работа №1. Вязкость жидкостей ...........................	178
Лабораторная работа № 2. Поверхностное натяжение
жидкостей .............................................................................................	187
Лабораторная работа №3. Форма свободной поверхности
жидкости ...............................................................................................	198
Лабораторная работа №4. Измерение скоростей и давлений в
газовых потоках....................................................................................	203
Лабораторная работа № 5. Режимы течения жидкости...............	210
Лабораторная работа № 6. Уравнение Бернулли .........................	217
Лабораторная работа № 7. Сопротивление движению тел в
жидкостях и газах.................................................................................	223
Лабораторная работа № 8. Зависимость лобового
сопротивления от формы тела и его ориентации в потоке ..............	231
Лабораторная работа № 9. Подъемная сила в потоке газа..........	234
Лабораторная работа №10. Определение потерь напора и
коэффициентов сопротивления на участках сложного
трубопровода ........................................................................................	238
МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ К ПРАКТИЧЕСКИМ
ЗАНЯТИЯМ..........................................................................................	246
1. Физические свойства жидкостей и газов..................................	246
2. Статика.........................................................................................	253
	6

3. Одномерные течения жидкостей и газов. ................................	267
Приложение. Таблицы физических свойств жидкостей и
газов ......................................................................................................	285
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К КУРСОВОЙ РАБОТЕ...........	287
1. Основные физические свойства жидкостей ...............................	287
1.1. Плотность.................................................................................	287
1.2. Вязкость жидкостей ................................................................	288
2. Основные характеристики течения жидкости............................	290
2.1. Средняя скорость течения и расход.......................................	290
2.2. Режимы течения ......................................................................	291
3. Основные уравнения движения жидкости .................................	292
3.1. Уравнение неразрывности......................................................	292
3.2. Уравнение энергии (уравнение Бернулли)............................	292
4. Гидравлические сопротивления ..................................................	295
4.1. Общие формулы для вычисления потерь давления .............	295
4.2. Шероховатость труб................................................................	296
4.3. Законы сопротивления............................................................	298
4.4. Местные сопротивления .........................................................	300
5. Основные принципы расчета сложных трубопроводов ............	301
5.1. Общая характеристика трубопроводов .................................	301
5.2. Простой трубопровод постоянного сечения.........................	302
5.3. Последовательное соединение простых трубопроводов .....	303
5.4. Параллельное соединение трубопроводов............................	304
5.5. Разветвленный трубопровод...................................................	306

5.6.Сложный трубопровод с раздачей жидкости

ответвлениями......................................................................................	308
5.7. Указания к выполнению курсовой работы ...........................	311
Литература ......................................................................................	313
Приложение ....................................................................................	314
КОНТРОЛЬ ЗНАНИЙ ......................................................................	317
Экзаменационные вопросы по дисциплине «Механика
жидкости и газа»..................................................................................	317
ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЙ РАЗДЕЛ...................................................	322
	7

Содержание учебного материала ..................................................	322
Список рекомендуемой литературы .............................................	329

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ

1.ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ

1.1.Общие фундаментальные свойства жидкостей и газов

Общими фундаментальными свойствами жидкостей и газов являются сплошность и текучесть. То есть, все среды, обладающие этими свойствами относятся к разряду жидкостей и газов и, соответственно, являются объектами изучения механики жидкостей и газов.

1.1.1. Сплошность

Одной из фундаментальных гипотез, принимаемых при описании движения жидкостей и газов является гипотеза их сплошности.

Проблема заключается в том, как определить характеристики жидкостей и газов и их потоков в данной точке пространства, тогда, как известно, что жидкости и газы состоят из дискретных элементов

– молекул, а те, в свою очередь, состоят из атомов, а атомы из электронов и ядер, между которыми, очевидно, нет никакого вещества и, соответственно, в местах, расположенных между молекулами, а тем более между атомами, бессмысленно говорить о наличии в них жидкости или газа.

В связи с этим гипотеза сплошности предполагает, что характеристики жидкости, газа и их потоков в данной точке соответствуют этим величинам для физически бесконечного малого объема среды, находящегося в этой точке, который в дальнейшем будем называть частицей жидкости или газа.

Таким образом, гипотеза сплошности предполагает, что под точкой в пространстве понимается физически бесконечно малый объем (частица) жидкости или газа, имеющий размеры намного меньшие, чем масштабы рассматриваемых явлений, чтобы его можно было считать точкой, но обладающий всеми макроскопическими физическими свойствами и термодинамическими параметрами этих сред.

Поскольку физические свойства жидкостей и газов определяются совокупными свойствами и взаимодействием составляющих их молекул, находящихся в тепловом хаотическом движении, постольку, чтобы обладать макроскопическими физическими свойствами среды, рассматриваемая частица должна содержать достаточно большое число молекул. В связи с этим размеры частицы должны быть много больше, чем расстояния между молекулами.

Таким образом, под точкой в жидкости или газе будет пониматься малый объем среды (частица), размеры которого много меньше размеров рассматриваемых явлений, но много больше межмолекулярных расстояний, а характеристики жидкости, газа и их потоков в данной точке соответствуют этим величинам для частицы, находящейся в этой точке.

При принятии гипотезы сплошности считается, что масса вещества и все его свойства непрерывно распределены по всему его объему, а жидкость или газ непрерывным (сплошным) образом заполняют предоставленное им пространство.

Поскольку все получаемые далее результаты будут относиться к жидкостям и газам как сплошным средам, постольку реальные объекты, к которым они будут применяться, должны удовлетворять этому свойству. Это особенно относится к разреженным газам, которые при определенной степени разреженности, то есть при значительном увеличении межмолекулярных расстояний, могут перестать соответствовать принятому понятию сплошной среды.

1.1.2. Текучесть

Вторым фундаментальным свойством жидкостей и газов является

текучесть.

Этим свойством жидкости и газы принципиально отличаются от твердых тел и, соответственно механика жидкостей и газов отличается от механики твердого тела.

Это свойство подразумевает легкую подвижность или легкую деформируемость жидкостей и газов под действием приложенных к ним сил, в отличие от твердых тел.

Поэтому, текучестью называется способность жидкостей и газов испытывать конечные деформации при сколь угодно малых ка-

сательных напряжениях.

dS	dF	dFn	Напряжением силы dF , действу-
dS	dF	dFn	ющей на элементарную площадку dS,
			называется отношение этой силы к ве-
	dF		личине площади, dF / dS . Соответ-
	dF		ственно, единицей измерения напряже-
Рис. 1.1 Силы, действующие			ния силы является Паскаль, Па=Н/м2.
	на поверхность		Действующую силу можно разло-

жить на две составляющие – параллельную dF и перпендикулярную dFn площадке (рис. 1.1). Соответственно, отношения этих составляющих к величине площади будут представлять собой касательные dF / dS и нормальные напряжения

n dFn / dS .

Под действием приложенных напряжений тело испытывает деформации (рис.1.2).

στ

σn	а)	στ	б)

Рис.1.2 Деформации тел под действием разных напряжений а) нормальных, б) касательных

Под действием нормальных напряжений происходит деформация растяжения-сжатия и изменяются линейные размеры тела и его объем, рис. 1.2а). Под действием касательных напряжений происходит деформация сдвига, сопровождающаяся движением слоев тела вдоль относительно друг друга, рис. 1.2б). Именно такая деформация соответствует течению жидкостей и газов.

1 / 591 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]