КУРС ЛЕКЦИЙ ПО ДИСЦИПЛИНЕ ГИДРОГАЗОДИНАМИКА Лекция 1 ВВЕДЕНИЕ

КУРС ЛЕКЦИЙ ПО ДИСЦИПЛИНЕ ГИДРОГАЗОДИНАМИКА Лекция 1 ВВЕДЕНИЕ

История в лицах Архимед Ньютон (1642 Лейбниц Бернулли Эйлер (287 -212 до Н. Э. ) -1727) (1646 -1716) (1667 -1748) (1707 -1783) Навье (1785 -1836) Стокс (1819 -1903) Рейнольдс (1842 -1912) Прандтль (1875 -1953)

Что такое гидрогазодинамика? Гидрогазодинамика – наука о движении текучих сред. Что такое текучая среда? Какие бывают текучие среды? Чем они отличаются друг от друга? Что у них общего?

Что такое текучая среда? Fluid (англ. ) - текучая среда In a physics, a fluid is a substance that continually deforms (flows) under an applied shear stress. Fluids are a subset of the phases of matter and include liquids and gases (http: //en. wikipedia. org/wiki/Fluid).

Агрегатные состояния вещества

Жидкость ЖИДКОСТЬ - агрегатное состояние вещества, промежуточное между твёрдым и газообразным. Молекулы жидкости не имеют определённого положения, но в то же время им недоступна полная свобода перемещений. Между ними существует притяжение, достаточно сильное, чтобы удержать их на близком расстоянии. Основным свойством жидкости, отличающим её от других агрегатных состояний, является способность неограниченно менять форму под действием касательных механических напряжений, даже сколь угодно малых, практически сохраняя при этом объём.

Газ ГАЗ - агрегатное состояние вещества, в котором составляющие его атомы и молекулы почти свободно и хаотически движутся в промежутках между столкновениями, во время которых происходит резкое изменение характера их движения. Время столкновения молекул в газе значительно меньше среднего. времени их пробега. В отличие от жидкостей, газы не образуют свободной поверхности и равномерно заполняют весь доступный им объём.

Цели курса: 1. Получить базовые знания о жидкостях и газах: a. сжимаемых и несжимаемых; b. их свойствах, основных единицах измерения и размерностях. 2. Изучить фундаментальные законы механики применительно к движению жидкостей и газов. 3. Получить понимание ограничений теоретического подхода к изучению движения жидкостей а так же методов определения поправочных коэффициентов, коэффициентов трения и т. д. экспериментальными методами.

Кому и зачем нужна гидрогазодинамика? Поскольку у нашей Земли имеется довольно плотная атмосфера, а также свободная вода в виде водоемов (океанов, морей, озер, речек, болот и др. ) и различных (дождевых, снеговых, градовых) осадков, и, кроме того, в технике и быту широко используются разнообразные жидкие и газообразные продукты химической промышленности (иногда с ними приходится даже бороться), так что, по крайней мере, в пределах атмосферы Земли все пространство вне твердых или пористых тел заполнено текучими средами, то в инженерной практике необходимость расчета течений текучих сред (газов и жидкостей) возникает очень часто, если не повсеместно.

Свойства жидкостей и газов Плотность – единица массы, приходящаяся на единицу объема. «Бесконечно малый» объем равен примерно Такой объем, например, воздуха содержит примерно молекул. Удельный объем– единица объема, приходящаяся на единицу массы.

Свойства жидкостей и газов Вязкость (внутреннее трение) — одно из явлений переноса, свойство текучих тел оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой. В результате происходит рассеяние в виде тепла работы, затрачиваемой на это перемещение. Механизм внутреннего трения в жидкостях и газах заключается в том, что хаотически движущиеся молекулы переносят импульс из одного слоя в другой, что приводит к выравниванию скоростей — это описывается введением силы трения.

Свойства жидкостей и газов Теплоёмкость — физическая величина, определяющая отношение бесконечно малого количества теплоты, полученного телом, к соответствующему приращению его температуры. Удельной теплоёмкостью называется теплоёмкость, отнесённая к единичному количеству вещества. Массовая теплоёмкость — это количество теплоты, которое необходимо подвести к единице массы вещества, чтобы нагреть его на единицу температуры. Молярная теплоёмкость — это количество теплоты, которое необходимо подвести к 1 молю вещества, чтобы нагреть его на единицу температуры.

Свойства жидкостей и газов Модуль объемного сжатия – характеризует способность вещества сопротивляться всестороннему сжатию. Эта величина определяет, какое нужно приложить внешнее давление для уменьшения объёма в 2 раза. Сжимаемость — свойство вещества изменять свой объём при изменении внешнего давления. Сжимаемость характеризуется коэффициентом объёмного сжатия Для воды при нормальных температуре и давлении Па, для воздуха Па.

Типовые задачи гидрогазодинамики 1 Расчет силового воздействия текучей среды на обтекаемое ею тело или его элементы; 2 Расчеты силовых воздействий твердого тела на текучую среду; 3 Расчет воздействия различных физических факторов на состав и движение текучей среды; 4 Решения задач сопряженного теплообмена;

1 Расчет силового воздействия текучей среды на обтекаемое ею тело или его элементы Тело неподвижно, а среда движется; Среда неподвижна, а тело движется; Движутся тело и среда.

Тело неподвижно, а среда движется ветровые нагрузки на сооружения, например, здания, телебашни, трубы, мосты, рекламные щиты и т. п. , — для определения прочностной стойкости сооружений к воздействию таких нагрузок; силы, приводящие в движение тела, например, паруса кораблей, воздушные змеи, подвижные детали обратных клапанов, регуляторы давления, ветроэнергетические установки, сопла двигателей и т. п. , — для определения движения тел под действием этих сил; силы и моменты, которые необходимо преодолевать при управлении различными телами, например трубопроводной арматурой — затворами, вентилями, клапанами. В случае больших размеров этой арматуры (гидроэлектростанции, магистральные трубопроводы и т. п. ) эти силы и моменты могут быть значительными.

Среда неподвижна, а тело движется сила сопротивления, подъемная, боковая и другие силы воздействия текучей среды на движущиеся в ней (например, движущиеся по твердой или жидкой поверхности, летящие в атмосфере или плывущие под водой) твердые тела (автомобили, поезда, самолеты, планеры, дирижабли, ракеты, снаряды, подводные лодки и т. п. ).

Движутся тело и среда Различные насосы, турбины, крыльчатки, шнеки, вентиляторы, мешалки — необходимо, например, определить усилия (моменты), которые к этим телам надо приложить, чтобы обеспечить заданную скорость их вращения; или нагрузки (силы), действующие на элементы этих устройств (например, на лопатки турбины), с целью последующей оценки их прочностной стойкости к действию этих нагрузок.

2 Расчеты силовых воздействий твердого тела на текучую среду Расчет силовых воздействий канала на протекающую через этот канал текучую среду; Перемешивающего воздействия твердого тела на состав текучей среды.

Силовые воздействия канала на протекающую через этот канал текучую среду Расчет потерь полного давления потока при течении через трубопроводную арматуру (клапаны, вентили, колена, сужения, расширения, тройники и т. п. ); Расчет расхода текучей среды через насосы, компрессоры, крыльчатки, шнеки, вентиляторы в результате воздействия на эту среду подвижных частей этих устройств

Перемешивающее воздействие твердого тела на состав текучей среды Расчет времени, за которое две ранее стратифицированные жидкости будут полностью перемешаны друг с другом в сосуде до заданной однородности с помощью вращающейся мешалки; Расчет расстояния, на котором две поступившие в канал текучие среды перемешаются друг с другом до заданной однородности.

3 Расчет воздействия различных физических факторов на состав и движение текучей среды Гравитации (архимедовой силы); Подвода тепла к текучей среде или отвода его от нее; Кавитации; Для решения задач сопряженного теплообмена; Определение эффективности нагрева или охлаждения твердых тел текучей средой; при наличии только свободной конвекции (приготовление пищи в котелке над костром); в системах проточного наружного охлаждения (конвертерных печей для плавки металлов, их фурм, плазмотронов); Определение эффективности нагрева или охлаждения текучей среды твердыми телами.

4 Решения задач сопряженного теплообмена Определение эффективности нагрева или охлаждения твердых тел текучей средой; Определение эффективности нагрева или охлаждения текучей среды твердыми телами; Определение эффективности нагрева или охлаждения твердого тела при радиационном теплообмене с учетом естественной или вынужденной конвекции.

Математическое описание физического процесса Чтобы рассчитать физический процесс, т. е. изменение физических параметров в пространстве и времени, его надо сначала математически смоделировать. Поскольку физические процессы — результат действия законов физики, то наиболее адекватные физическим процессам математические модели представляют собой систему дифференциальных и/или интегральных уравнений (с привлечением, если надо, полуэмпирических и эмпирических констант и зависимостей) с граничными и начальными условиями, привязывающими данную математическую модель к поставленной конкретной физической (инженерной) задаче, т. е. определяющими данные физические процессы в этой задаче.

Методы определения параметров текучей среды Численное моделирование на основе точных физических моделей; Расчеты на основе стандартизированных методик (ГОСТ, СНи. П, различные РД и т. д. ); Экспериментальные исследования на натурных объектах и моделях.

Численное моделирование на основе точных физических моделей ПРЕИМУЩЕСТВА Высокая точность расчетов; Широкие границы применимости; Большое количество программных продуктов для проведения моделирования; Возможности моделирования сложной геометрии объекта; НЕДОСТАТКИ Высокая стоимость расчетов; Большое время подготовки исходных данных и проведения расчетов; Необходимость обосновывать полученные результаты в контролирующих органах при защите проекта.

Расчеты на основе стандартизированных методик ПРЕИМУЩЕСТВА Низкая стоимость расчетов; Небольшое время, необходимое для подготовки исходных данных и проведения расчетов; Широкая доступность документов, регламентирующих расчеты; Стандартные процедуры защиты проектов в органах надзора. НЕДОСТАТКИ Низкая точность расчетов; Необходимость перекрывать неточности коэффициентами запаса; Узкие границы применимости методик; Большое количество ведомственных РД, регламентирующих расчеты в отдельных отраслях промышленности.

Экспериментальные исследования на натурных объектах и моделях ПРЕИМУЩЕСТВА Возможность оценить поведение сооружения в «рабочих» условиях; Максимальная простота трактовки результатов; НЕДОСТАТКИ Необходимость соблюдения большого количества условий для получения корректных результатов; Необходимость проведения повторных измерений для исключения погрешности измерений; Трудность переноса результатов экспериментов на натурные объекты; Невозможность во многих случаях провести эксперименты на натурных объектах.

Выбор метода исследования Правильному выбору методу исследования должна предшествовать оценка сильных и слабых сторон рассмотренных выше методов применительно к рассматриваемому процессу. Эксперимент, несомненно, является единственным методом исследования новых фундаментальных явлений. В этом смысле расчет следует за экспериментом. Однако расчет более эффективен для изучения проблемы, включающей несколько взаимодействующих известных явлений. Но и в этом случаев обосновать результаты расчета путем сравнения их с экспериментальными данными. Таким образом, оптимальное исследование должно разумно сочетать расчет и эксперимент. Пропорция, в которую должны входить каждый из ингредиентов будет зависеть от существа проблемы, от целей исследования и от имеющихся экономических и других ограничений.