Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
GGD_IDO.doc
Скачиваний:
5
Добавлен:
21.04.2019
Размер:
8.37 Mб
Скачать

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

Московский государственный индустриальный университет

Кафедра промышленной теплоэнергетики

С.Д. Корнеев

ГИДРОГАЗОДИНАМИКА

Курс лекций для специальности 140104 «Промышленная теплоэнергетика»

МОСКВА 2011

СОДЕРЖАНИЕ

Вводная лекция по дисциплине

1. Основные физические свойства жидкости и газа

    1. Модель сплошной среды

    2. Плотность жидкости

    3. Сжимаемость жидкости

    4. Температурное расширение жидкости

    5. Вязкость жидкости

    6. Испаряемость жидкости

    7. Растворимость газов в жидкости

    8. Силы, действующие на жидкость

Примеры

Контрольные вопросы

2.Основы гидростатики

    1. Основные сведения

    2. Гидростатическое давление

    3. Основная теорема гидростатики

    4. Условие равновесия жидкости

    5. Дифференциальное уравнение равновесия жидкости (Уравнение Эйлера)

    6. Основное дифференциальное уравнение в поле сил тяготения

    7. Интеграл уравнения Эйлера. Закон Паскаля

Примеры.

Контрольные вопросы

    1. Интеграл Эйлера для сжимаемой среды

    2. Относительное равновесие жидкости в поле сил тяготения

    3. Равновесие тела в покоящейся жидкости. Закон Архимеда

Примеры

Контрольные вопросы

3.Основы кинематики и динамики жидкости

3.1. Основные понятия и определения кинематики и динамики жидкости

    1. Гидравлические элементы потока

    2. Геометрические характеристики потока

    3. Трубка тока и элементарная струйка

    4. Расход и средняя скорость потока

    5. Условие неразрывности или сплошности движения жидкости

    6. Методы исследования движения жидкости

    7. Уравнение Эйлера для струйки жидкости

Контрольные вопросы

    1. Интегрирование уравнения Эйлера для установившегося движения жидкости

    2. Уравнение Бернулли для потока реальной жидкости.

    3. Практическое применение уравнение Бернулли

Примеры

Контрольные вопросы

    1. Гидравлические сопротивления. Режимы движения жидкости

    2. Потери напора при равномерном движении жидкости

    3. Способы определения потерь напора при равномерном движении жидкости

    4. Местные гидравлические сопротивления

Примеры

Контрольные вопросы

4.Гидравлический расчет истечения

    1. Общая характеристика истечения

    2. Истечение жидкости из отверстия в тонкой стенке

    3. Истечение при переменном напоре

Примеры

Контрольные вопросы

    1. Истечение жидкости через насадки

    2. Зависимость коэффициентов истечения от числа Рейнольдса

    3. Вакуум в цилиндрическом насадке

    4. Практическое применение насадков

Примеры

Контрольные вопросы

5.Гидравлический удар в трубах

    1. Физическая сущность гидравлического удара

    2. Определение ударного давления и скорости распространения ударной волны

    3. Способы гашения и примеры использования гидравлического удара

Примеры

Контрольные вопросы

6.Гидравлический расчет трубопроводов

    1. Система уравнений

    2. Методы расчета простых трубопроводов

    3. Методы расчета сложных трубопроводов

7.Основы теории подобия, моделирования и анализа размерностей

    1. Основные положения

    2. Законы механического подобия

      1. Геометрическое подобие

      2. Кинематическое подобие

      3. Динамическое подобие

    3. Гидродинамические критерии подобия

Контрольные вопросы

    1. Физическое моделирование

Примеры

    1. Анализ размерностей, -теорема

Примеры

Контрольные вопросы

8.Основы движения грунтовых вод и двухфазных потоков

8.1. Движение грунтовых вод. Основные понятия движения грунтовых вод

8.2. Скорость фильтрации. Формула Дарси

8.3. Коэффициент фильтрации и методы его определения

8.4. Ламинарная и турбулентная фильтрация

8.5. Основное уравнение неравномерного движения грунтовых вод

8.6. Фильтрация через однородную земляную среду

8.7. Особенности гидравлики двухфазных потоков

8.7.1. Виды течений двухфазных потоков жидкости и газа

8.7.2. Основные определения

8.7.3. Истинное объемное парорасширение

8.7.4. Гидравлическое сопротивление двухфазных потоков

8.7.5. Критические истечения двухфазных потоков

8.8.Движение одиночных капель и пузырьков

8.8.1. Методы подобия и размерностей

8.8.2. Скорость движения капли и пузырька при Re<1

8.8.3. Скорость всплытия газового пузырька в жидкости

8.8.4. Особенности движения капель в газовых потоках

8.8.5. Схлопывание (расширение) полости в жидкости. Уравнение Релея

8.8.6. Применимость уравнений

Вводная лекция по дисциплине «Гидрогазодинамика»

Преподаватель: Корнеев Сергей Дмитриевич, д.т.н., профессор кафедры 37 промышленной теплоэнергетики ГОУ МГИУ.

При изложении материала учтены такие предпосылки, как логическая связь с другими дисциплинами специальности 140104; фун­даментальность представления теоретических вопросов; прак­ти­ческая направленность рассматриваемых вопросов; использование математического аппарата в объеме, не превышающем доступности восприятия теоретического материала.

Учебный материал подготовлен в соответствии с рабочей про­граммой и охватывает следующие разделы: основные физические свойства жидкостей; основы гидростатики; основы кинематики и динамики жидкости; гидравлический удар в трубах; основы теории подобия, моделирования и анализа размерностей; основы движения грунтовых вод и двухфазных потоков.

В каждом разделе рассмотрены примеры практического применения расчетных формул и зависимостей в виде примеров задач и различных инженерных решений.

Представлен также перечень контрольных вопросов для само­стоя­тельного изучения материала.

Курс «Гидрогазодинамика» является одной из основополагающих дисциплин при подготовке инженеров, работающих в области защиты окружающей природной среды.

Теоретический материал сопровождается иллюстрациями в виде рисунков, графиков, блок-схем и таблиц в объеме, требующем пояснения качественной или количественной связи параметров технологических процессов или физических явлений.

Гидрогазодинамика – прикладная часть механики жидкости (несжимаемой и сжимаемой), которая, совместно с технической термодинамикой, является научной основой проектирования турбомашин, компрессоров, трубопроводов и другого гидро- и теплоэнергетического оборудования.

Гидрогазодинамика представляет собой теоретическую дисциплину, изучающую вопросы, связанные с механическим движением жидкости в различных природных и техногенных условиях. Поскольку жидкость (и газ) рассматриваются как непрерывные и неделимые физические тела, то гидрогазодинамику часто рассматривают как один из разделов механики так называемых сплошных сред, к каковым принято относить и особое физическое тело - жидкость. По этой причине гидрогазодинамику часто называют механикой жидкости или гидро­механикой; предметом её исследований являются основные законы равновесия и движе­ния жидкостей и газов. Как в классической механике в гидрогазодинамике можно выделить обще­принятые составные части: гидростатику, изучающую законы равновесия жидкости; ки­нематику, описывающую основные элементы движущейся жидкости и гидродинамику, изучающую основные законы движения жидкости и раскрывающую причины её движе­ния.

Гидрогазодинамику можно назвать базовой теоретической дисциплиной для обширного кру­га прикладных наук, с помощью которых исследуются процессы, сопровождающие рабо­ту гидравлических машин, гидроприводов. С помощью основных уравнений гидравлики и разработанных ею методов исследования, решаются важные практические задачи, связан­ные с транспортом жидкостей и газов по трубопроводам, а также с транспортом твёрдых тел по трубам и другим руслам. Гидрогазодинамика также решает важнейшие практические зада­чи, связанные с равновесием твёрдых тел в жидкостях и газах, т.е. изучает вопросы плава­ния тел.

Широкое использование в практической деятельности человека различных гидрав­лических аппаратов и систем ставят гидрогазодинамику в число важнейших дисциплин, обеспе­чивающих научно-технический прогресс.

Большой практический интерес к изучению механики жидкости вызван рядом объек­тивных факторов. Во - первых, наличие в природе значительных запасов жидкостей, кото­рые легко доступны человеку. Во- вторых, жидкие тела обладают рядом полезных свойств, делающих их удобными рабочими агентами в практической деятельности чело­века. Немаловажным следует считать и тот фактор, что большинство жизненно важных химических реакций обмена протекают в жидкой фазе (чаще всего в водных растворах).

По этим причинам особый интерес человек проявил к жидкостям на самой ранней стадии своего развития. Вода и воздух (иначе жидкость и газ) были отнесены к числу ос­новных стихий природы уже первобытным человеком. История свидетельствует об ус­пешном решении ряда практических задач с использованием жидкостей уже на самих ранних стадиях развития человека. Первым же научным трудом по гидравлике следует считать трактат Архимеда «О плавающих телах» (250 г. до н. э.)- Однако в дальнейшем на протяжении нескольких столетий в развитии человечества наступила эпоха всеобщего за­стоя, когда развитие знаний и практического опыта находились на весьма низком уровне. В последующую за этим эпоху возрождения началось бурное развитие человеческих зна­ний, науки, накопление практического опыта. Наравне с развитием других наук начала развиваться и наука об изучении взаимодействия жидких тел.

Первыми крупными работами в этой области следует считать работы Леонардо да Винчи (1548-1620 гг.) - в области плавания тел, движения жидкостей по трубам и каналам. В работах Галилео Галилея (1564 – 1642 гг.) были сформулированы основные принципы равно­весия и движения жидкости; работы Эванджелиста Торичелли (1604 – 1647 гг.) были посвящены решению задач по истечению жидкости из отверстий, а Блез Паскаль (1623 – 1727 гг.) исследовал вопросы по передаче давления в жидкости. Основополагающие и обобщаю­щие работы в области механики физических тел, в том числе и жидких, принадлежат ге­ниальному английскому физику Исааку Ньютону (1643 – 1727 гг.), который впервые сфор­мулировал основные законы механики, закон всемирного тяготения и закон о внутреннем трении в жидкостях при их движении.

Развитию гидромеханики (гидравлики) как самостоятельной науки в значительной степени способствовали труды русских учёных Даниила Бернулли (1700 – 1782 гг.), Леонарда Эйлера (1707 – 1783 гг.), М.В. Ломоносова (1711 – 1765 гг.). Работы этих великих русских учё­ных обеспечили настоящий прорыв в области изучения жидких тел: ими впервые были опубликованы дифференциальные уравнения равновесия и движения жидкости Эйлера, закон сохранения энергии Ломоносова, уравнение запаса удельной энергии в идеальной жидкости Бернулли.

Развитию гидрогазодинамики как прикладной науки и сближению методов изучения теоре­тических и практических вопросов используемых гидравликой и гидромеханикой способ­ствовали работы французских учёных Дарси, Буссинэ и др., а также работы Н.Е. Жуков­ского. Благодаря трудам этих учёных, а также более поздним работам Шези, Вейсбаха, Прандля удалось объединить теоретические исследования гидромеханики с практически­ми и экспериментальными работами, выполненными в гидравлике. Работы Базена, Пуа-зейля, Рейнольдса, Фруда, Стокса и др. развили учение о динамике реальной (вязкой жид­кости). Дифференциальное уравнение Навье - Стокса позволило описать движение реаль­ной жидкости как функцию параметров этой жидкости в зависимости от внешних усло­вий. Дальнейшие работы в области теоретической и прикладной гидромеханики были на­правлены на развитие методов решения практических задач, развитие новых методов ис­следования, новых направлений: теория фильтрации, газо- и аэродинамика и др.

При решении практических вопросов гидрогазодинамика оперирует всеми известными мето­дами исследований: методом анализа бесконечно малых величин, методом средних вели­чин, методом анализа размерностей, методом аналогий, экспериментальным методом.

Актуальность данного курса подтверждается все возрастающей ролью гидроазодинамики как фундаментальной науки в развитии прикладной науки и техники, в производстве, в теплоэнергетике, образовании и в других областях человеческой деятельности.

Общие методические указания

Дисциплина "Гидрогазодинамика" является базовой для изучения прикладных теплотехнических дисциплин.

При изучении дисциплины рекомендуется руководствовать­ся программой курса и методическими указаниями к ней, самостоятельно овладеть теорией по учебникам и методическим пособиям.

Ниже приводится список литературы, который включает в себя ос­новные учебники, справочные таблицы, которые содержат краткие теоретические осно­вы, необходимые для решения контрольных работ, примеры решения задач, пояснения к решению контрольных задач и ответы на контрольные вопросы.

Таблицы необходимы для нахождения параметров технически важных газов (воздуха, азота, углекислого газа и др.) а также воды и водяно­го пара.

Перед выполнением практических заданий рекомендуется прослушать об­зорные лекции по основным разделам курса, которые читаются в период эк­заменационных сессий. В это же время студенты выполняют лабораторно - практические задания под руководством преподавателя. Цель их - более глубокое усвоение теоретического материала и приобретение практических навыков в проведении эксперимента.

Требования, предъявляемые на экзамене по дисциплине - знание теории и понимание физической сущности рассматриваемых в курсе вопросов, а также умение применить теоретические знания к решению практических задач.

Тема 1.

Часть I. Гидравлика

1. ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЖИДКОСТЕЙ

1.1. Модель сплошной среды

Жидкостью называется сплошная среда, обладающая спо­собностью легко изменять свою форму под действием внешних сил.

Понятие «жидкость» определяется в зависимости от назначения такого определения.

В физике жидкость трактуется как физическое тело, обладающее свойством текучести.

Легкотекучесть частиц жидкости обусловлена неспособностью ее воспринимать касательные напряжения в состоянии покоя.

По своим механическим свойствам жидкости разделяют на два класса:

1. Малосжимаемые (капельные).

2. Сжимаемые (газообразные).

В механике жидкости и газа законы, справедливые для ка­пель­ных жидкостей, применимы и к газам, когда сжимаемостью газа мож­но пренебречь.

Для удобства введены термины «капельная жидкость» (мало­сжимаемая), «сжимаемая жидкость» (газ) и «жидкость» (охваты­ваю­щая как капельную жидкость, так и газ).

Таким образом, под жидкостью в механике жидкости и газа подразумевается всякая среда, обладающая текучестью.

При изучении законов равновесия и движения жидкости в при­кладной механике жидкостей и газов движение молекул не изуча­ется и жидкость рассматривается в виде сплошной среды, способной деформироваться под действием внешних сил.

Жидкость как всякое физическое тело имеет молекулярное строение.

Расстояние между молекулами во много раз превосходит раз­ме­ры самих молекул и соответствует от 10-7 до 10-8 см, а длина сво­бод­ного пробега молекул газа при атмосферном давлении равна 10-5 см.

Поэтому жидкости и газы воспринимаются как сплошные среды, имея прерывистую структуру.

Это обстоятельство позволяет ввести гипотезу сплошности, то есть применить модель, обладающую свойством непрерывности. Гипотеза о непрерывности или сплошности среды упрощает ис­сле­дование, так как позволяет рассматривать механические харак­-теристики жидкой среды (скорость, плотность, давление и т.д.) как функции координат точки в пространстве и во времени.

Согласно гипотезе сплошности масса среды распределена в объе­ме непрерывно и в общем неравномерно.

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Оставленные комментарии видны всем.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]