Электронный учебно-методический комплекс
Гидрогазодинамика
Учебная программа дисциплины
Учебное пособие
Лабораторный практикум
Методические указания по самостоятельной работе
Банк тестовых заданий в системе UniTest
Красноярск ИПК СФУ
2009
УДК 532.5(075) ББК 22.253я73 К90
Электронный учебно-методический комплекс по дисциплине «Гидрогазодинамика» подготовлен в рамках реализации Программы развития федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Сибирский федеральный университет» (СФУ) на 2007–2010 гг.
Рецензенты:
Красноярский краевой фонд науки; Экспертная комиссия СФУ по подготовке учебно-методических комплексов дисциплин
Кулагин, В. А.
К90 Гидрогазодинамика [Электронный ресурс] : электрон. учеб. пособие / В. А. Кулагин, Е. П. Грищенко. – Электрон. дан. (6 Мб). – Красноярск : ИПК СФУ, 2009. – (Гидрогазодинамика : УМКД № 1555/977–2008 / рук. творч. коллектива В. А. Кулагин). – 1 электрон. опт. диск (DVD). – Систем. требования : Intel Pentium (или аналогичный процессор других производителей) 1 ГГц ; 512 Мб оперативной памяти ; 50 Мб свободного дискового пространства ; при-
вод DVD ; операционная система Microsoft Windows XP SP 2 / Vista (32 бит) ;
Adobe Reader 7.0 (или аналогичный продукт для чтения файлов формата pdf). ISBN 978-5-7638-1692-1 (комплекса)
ISBN 978-5-7638-1758-4 (учебного пособия)
Номер гос. регистрации в ФГУП НТЦ «Информрегистр» 0320902511 (комплекса)
Настоящее издание является частью электронного учебно-методического комплекса по дисциплине «Гидрогазодинамика», включающего учебную программу дисциплины, лабораторный практикум, методические указания к самостоятельной работе, наглядное пособие «Гидрогазодинамика. Презентационные материалы», контроль- но-измерительные материалы «Гидрогазодинамика. Банк тестовых заданий».
Рассмотрены физические свойства жидкостей и газов, общие законы гидродинамики и фундаментальные прикладные задачи, наиболее актуальные для теплоэнергетики: теория гидравлических сопротивлений, одномерные и плоские течения вязких жидкостей и газов, потенциальные течения несжимаемой среды, течение в трубах, теория пограничного слоя и др.
Предназначено для студентов направления подготовки бакалавров 140100.62 «Теплоэнергетика и теплотехника» укрупненной группы 140100 «Энергетика».
© Сибирский федеральный университет, 2009 Рекомендовано к изданию Инновационно-методическим управлением СФУ
Редактор Н. А. Варфоломеева
Разработка и оформление электронного образовательного ресурса: Центр технологий электронного обучения Информационно-телекоммуникационного комплекса СФУ; лаборатория по разработке мультимедийных электронных образовательных ресурсов при КрЦНИТ
Содержимое ресурса охраняется законом об авторском праве. Несанкционированное копирование и использование данного продукта запрещается. Встречающиеся названия программного обеспечения, изделий, устройств или систем могут являться зарегистрированными товарными знаками тех или иных фирм.
Подп. к использованию 30.11.2009 Объем 6 Мб
Красноярск: СФУ, 660041, Красноярск, пр. Свободный, 79
Оглавление
МОДУЛЬ 1. ОБЩИЕ ЗАКОНЫ И УРАВНЕНИЯ |
|
СТАТИКИ И ДИНАМИКИ ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ..... |
8 |
1. ВВЕДЕНИЕ В ГИДРОМЕХАНИКУ .................... |
8 |
1.1. Предметиметоды техническоймеханикижидкости.......... |
8 |
1.2. Общиеположения: постулатыньютоновскоймеханики |
|
имеханикижидкостиигаза..................................................................... |
10 |
1.3. Основныефизическиесвойстважидкостей....................... |
12 |
1.3.1. Объемныесвойства.......................................................................... |
13 |
1.3.2. Поверхностныесвойства................................................................. |
14 |
1.3.3. Идеальнаяжидкость.......................................................................... |
16 |
1.4. Изисториивозникновениянауки |
|
«Механикажидкостиигаза».................................................................... |
17 |
1.5. Значениеизадачигидромеханикинасовременномэтапе |
|
развитиянаукиитехники......................................................................... |
19 |
2. ЭЛЕМЕНТЫ ТЕНЗОРНОГО АНАЛИЗА .......... |
20 |
2.1. Примерытензорныхвеличин |
|
вмеханикежидкостиигаза..................................................................... |
20 |
2.2. Инвариантноеопределениерангатензора.......................... |
26 |
2.3. Тензорнаяалгебра.................................................................... |
28 |
2.4. Криволинейныекоординаты. КоэффициентыЛяме......... |
32 |
2.5. ПреобразованиеОстроградского– Гаусса. Оператор |
|
Гамильтона................................................................................................. |
35 |
2.6. Тензорные(объемные) производные. |
|
Дифференциальныеоператорытеорииполя..................................... |
37 |
2.7. Справочныеданныепотензорномуисчислению............. |
40 |
3. ГИДРОСТАТИКА............................................ |
43 |
3.1. Силы, действующиевжидкости. |
|
Понятиегидростатическогодавления.................................................. |
43 |
3.2. Уравненияравновесия............................................................ |
45 |
3.3. Равновесиежидкостейвполесилтяжести......................... |
47 |
3.4. Давлениежидкостинаплоские |
|
икриволинейные поверхности.......................................................... |
48 |
3.5. ЗаконАрхимеда........................................................................ |
53 |
3.6. Равновесиежидкостей вотносительнойсистеме |
|
координат.................................................................................................... |
55 |
Гидрогазодинамика. Учеб. пособие |
3 |
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
4. КИНЕМАТИКА СПЛОШНОЙ СРЕДЫ............. |
58 |
4.1. Понятиеполяфизическойвеличины................................... |
58 |
4.2. Дваметодакинематическогоисследованиятечения |
|
жидкости...................................................................................................... |
64 |
4.3. Основныекинематические |
|
элементыдвиженияжидкости................................................................ |
65 |
4.4. Полеускорений......................................................................... |
72 |
4.5. Кинематическийанализдвиженияжидкойчастицы.......... |
75 |
4.6. Движениежидкостивлокальномобъеме. Первая |
|
кинематическаятеоремаКоши Гельмгольца................................... |
81 |
4.7. Уравнениесекундногорасхода.............................................. |
89 |
4.8. ВтораякинематическаятеоремаГельмгольца................... |
90 |
4.9. ТеоремаСтокса......................................................................... |
91 |
4.10. Третьякинематическая теорема(Кельвина) .................... |
94 |
4.11. Четвертаякинематическаятеорема(Лагранжа) ............... |
95 |
4.12. Методывизуализацииполятечения.................................. |
95 |
5. ДИНАМИКА НЕВЯЗКОЙ ЖИДКОСТИ............ |
97 |
5.1. ФормулаЭйлерадлядифференцированияповремени |
|
интегралапо«живому» объему.............................................................. |
97 |
5.2. Законсохранениямассы. Уравнениенеразрывности.... |
100 |
5.3. УравненияЭйлерадвиженияневязкойжидкости............ |
103 |
5.4.Законимпульсов. Уравнениядвижениявнапряжениях. 104
5.5.Формызаписиуравненийдвижениявразличныхсистемах
координат(инерциальныхинеинерциальных) ................................ |
108 |
5.6. ПервыеинтегралыуравненийдвиженияЭйлера............ |
113 |
5.7. ПрименениеуравненияБернулли....................................... |
117 |
5.8. Циркуляционноеобтеканиекруглогоцилиндра |
|
потенциальнымпотоком....................................................................... |
119 |
6. ДИНАМИКА ВЯЗКОЙ НЕСЖИМАЕМОЙ |
|
ЖИДКОСТИ............................................................. |
122 |
6.1. Вязкость................................................................................... |
122 |
6.2. УравнениеСтоксадвижения вязкойнесжимаемой |
|
жидкости.................................................................................................... |
124 |
6.3. Механическоеподобиепотоков. ЧислоРейнольдса...... |
126 |
6.4. Дварежиматечениявязкойжидкости................................ |
129 |
6.5. УравнениеБернулли |
|
длявязкойнесжимаемойжидкости..................................................... |
131 |
Гидрогазодинамика. Учеб. пособие |
4 |
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
6.6. Законмоментовимпульсов. |
|
Симметричностьтензоранапряжений................................................ |
132 |
6.7. Законсохраненияэнергии. Уравнениеэнергии................ |
134 |
6.8. Интеграл«живых» сил. Уравнениепритокатепла........... |
136 |
6.9. Уравнениясостояния............................................................. |
139 |
6.10. Начальныеиграничныеусловия...................................... |
139 |
МОДУЛЬ 2. ДВУХФАЗНЫЕ ПОТОКИ ЖИДКОСТИ |
|
И ГАЗА .................................................................... |
141 |
7. ГАЗОВАЯ ДИНАМИКА................................. |
141 |
7.1. Скоростьраспространениямалыхвозмущенийв |
|
идеальномгазе. Скоростьзвука........................................................... |
141 |
7.2. Теорияпрямогоскачкауплотнения.................................... |
145 |
7.3. Обобщенныеодномерныедвижения................................. |
149 |
7.3.1. Системауравнений.......................................................................... |
149 |
7.3.2. Движениенесжимаемойжидкости |
|
втрубепеременногосечения............................................................................. |
153 |
7.3.3. Движениесжимаемойжидкости |
|
втрубепеременногосечения. СоплоЛаваля.................................................. |
153 |
7.4. Исследованиерасчетногорежимадвижениягаза |
|
игеометрическихпараметровсоплаЛаваля..................................... |
155 |
7.4.1. Влияниеконструктивныхпараметровиразмеровсопели |
|
сопловыхаппаратовнаэффективностьработытурбины.......................... |
156 |
7.4.2. ОпределениепараметровторможениягазавсоплеЛаваля.. 156 |
|
7.4.3. Определениепараметровгаза |
|
ввыходномсечениисоплаЛаваля................................................................... |
158 |
7.4.4. Определениеплощадиидиаметра |
|
выходногосечениясопла Лаваля.................................................................. |
159 |
7.4.5. Определениепараметровгазовогопотока |
|
вмин-омсечениисопла....................................................................................... |
160 |
7.4.6. Определениеплощади |
|
идиаметракритическогосечениясоплаЛаваля............................................ |
161 |
7.4.7. Определениеплощади |
|
идиаметра входногосечениясопла Лаваля............................................ |
162 |
7.5. ИсследованиедвижениягазавсоплеЛаваляна |
|
нерасчетныхрежимах............................................................................ |
162 |
7.6. ПроектированиесоплаЛаваля............................................ |
167 |
8. ВИЖЕНИЕ ВЯЗКОЙ НЕСЖИМАЕМОЙ |
|
ЖИДКОСТИ В ТРУБАХ........................................... |
172 |
8.1. Установившеесяламинарноедвижениевязкой |
|
несжимаемойжидкостивцилиндрическойтрубе............................. |
172 |
Гидрогазодинамика. Учеб. пособие |
5 |
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
8.2. Основныеэлементытеориитурбулентногодвижения |
.. 177 |
8.3. Турбулентноедвижениежидкостивгладкой |
|
цилиндрическойтрубе........................................................................... |
182 |
8.4. Влияниешероховатостистенкитрубынакоэффициент |
|
сопротивления......................................................................................... |
189 |
9. ПОГРАНИЧНЫЙ СЛОЙ И ПРОЦЕССЫ ТЕПЛО- |
|
И МАССООБМЕНА.................................................. |
193 |
9.1. Понятиеопограничномслое................................................ |
193 |
9.2. Уравненияламинарногопограничногослоя..................... |
194 |
9.3. Ламинарныйпограничныйслойприобтеканиитонкой |
|
плоскойпластинкивпродольномнаправлении............................... |
202 |
9.4. Начальныйучастоквцилиндрическойтрубепри |
|
ламинарномрежимедвиженияжидкости........................................... |
206 |
9.5. Тепловойламинарныйпограничныйслойнаплоской |
|
пластинке, обтекаемойвпродольномнаправлении........................ |
207 |
9.6. Диффузионныйламинарныйпограничныйслойна |
|
плоскойпластинке.................................................................................. |
215 |
9.7. Турбулентныйпограничныйслойприобтеканииплоской |
|
пластинки.................................................................................................. |
216 |
9.8. Связьмеждутеплоотдачейикасательнымнапряжением |
|
припродольномобтеканиипластинки............................................... |
219 |
9.9. Отрывпограничногослояприобтекании |
|
плохообтекаемыхтел. Кризиссопротивления.................................. |
222 |
9.10. Теплоотдачаприпоперечномобтеканиицилиндра...... |
225 |
10. КАВИТАЦИЯ............................................... |
228 |
10.1. Возникновениекавитации.................................................. |
228 |
10.2. Кавитационнаяэрозия......................................................... |
231 |
10.3. Феноменологическаямодельмеханолизаводы........... |
234 |
10.4. Кинетикаизмененияфизическихсвойствводы |
|
поддействиемкавитации...................................................................... |
240 |
10.5. Гидродинамическиевоздействиянажидкости, растворы, |
|
золи, смесиитвердыеграницыпотоков........................................... |
245 |
10.5.1. Задачасопряжениядляпузырькавжидкости......................... |
245 |
10.5.2. Разрушительныеэффектыразвитойкавитации..................... |
251 |
10.5.3. Диспергациятвердойфазы, |
|
полимеров, клетокимикроорг-мов................................................................... |
258 |
10.6. Мерыборьбыскавитационнойэрозией......................... |
262 |
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 .............................................. |
263 |
ТензорныеоперацииМЖГ........................................................... |
263 |
Гидрогазодинамика. Учеб. пособие |
6 |
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 .............................................. |
265 |
Краткаятаблицагазодинамических |
|
функций(к= 1,4; М= 0 2)....................................................................... |
265 |
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 .............................................. |
272 |
Краткаятаблицагазодинамических |
|
функций(k = 1,4; М= 2 4)....................................................................... |
272 |
ПРИЛОЖЕНИЕ 4 .............................................. |
273 |
Операторыиформулывекторногоанализа............................ |
273 |
ПРИЛОЖЕНИЕ 5 .............................................. |
275 |
Формулыдляопределенияпотерьнапоравтрубах............. |
275 |
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.................. |
277 |
Гидрогазодинамика. Учеб. пособие |
7 |