Методические указания

Инженер-теплоэнергетик должен знать и уметь правильно рассчитать силы, возникающие между твердым телом и обтекающим его потоком жидкости. Вопросы силового взаимодействия потока жидкости и твердых тел, рассматриваемые в теме, должны быть хорошо усвоены студентом.

Теоремы импульсов (изменения количества движения) и момента количества движения эффективно используются для решения многих технических задач, например, при определении силы давления струи на неподвижные и подвижные преграды, при определении повышения давления при гидравлическом ударе, выводы интегральных соотношений пограничного слоя, при выводе основного уравнения лопастных машин и т. д.

Студент должен уметь определять силу давления струи на преграды. При повороте струи на 180 получается максимальная сила давления, а в случае подвижной преграды максимально используется мощность потока. Это находит техническое применение в активных турбинах.

При обтекании реальной вязкой жидкостью твердого тела (или при движении тела в жидкости) на каждый элемент поверхности действует сила, величина которой зависит как от скорости и свойств жидкости, так и от формы и состояния поверхности. Эта сила может быть разложена на нормальную и касательную составляющую.

Совокупность всех сил, действующих на тело со стороны жидкости, приводится к равнодействующей силе и к паре сил (моменту). Раскладывая равнодействующую силу по направлению скорости и ей перпендикулярному, получают силу лобового сопротивления и подъемную силу.

Сила лобового сопротивления (при телах полностью погруженных в жидкость) может быть представлена как сумма сопротивления трения и сопротивления давления. Важно понять, что оба вида сопротивления следствия одной и той же причины – вязкости действительных жидкостей. Применение теории идеальной жидкости в этом случае приводит к парадоксу Даламбера – в идеальной жидкости на движущееся тело при установившемся движении не действуют никакие силы. Поэтому надо обратить внимание на то, что коэффициенты сопротивления тел в потоке жидкости приходится определять опытным путем.

Сопротивление тел в потоке жидкости зависит целиком от характера течения в пограничном слое. Студенту надо внимательно изучить картины омывания цилиндра и шара в зависимости от числа Рейнольдса, обратив внимание на возникновение кризиса, приводящего к резкому падению коэффициента сопротивления; надо знать особенности обтекания пластины, поставленной нормально к потоку.

Трубные пучки – важный элемент конструкций теплообменных аппаратов, студент должен быть знаком с методикой определения сопротивления трубных пакетов и влиянием на него различных факторов.

Гидродинамическая теория решеток, основанная на обобщении теоремы Н.Е. Жуковского о подъемной силе крыла, является весьма важной при проектировании турбомашин. По этой теореме силовое взаимодействие между потоком жидкости и крыловидным профилем при безотрывном обтекании его можно определить, рассматривая потенциальное течение идеальной жидкости и циркуляцию скорости вокруг данного профиля; циркуляцией скорости заменяют влияние пограничного слоя.

Студент должен уметь доказывать эту теорему.

Гидравлический удар представляет собой резкое увеличение давления в трубопроводе в результате резкого изменения скорости движения жидкости. Студент должен знать физическую сущность явления гидравлического удара, уметь рассчитывать повышение давления при прямом и непрямом ударе, а также знать способы предотвращения и смягчения гидравлического удара. Явление гидравлического удара полезно используется в гидротаранах (насосах).

Литература [1, с. 78-108]; [2, с. 197-225]; [3,с. 245-250];

[4, с. 127-135 с. 221-240]; [5, с. 136-149].

Вопросы для самопроверки

1. Как определяется сила давления струи на неподвижную и подвижную преграды?

2. В чем заключается парадокс Даламбера?

3. Каковы особенности обтекания одиночного круглого цилиндра при малых и больших числах Рейнольдса?

4. Какие причины вызывают появление силы сопротивления потока телу, движущемуся в нем?

5. Что такое кризис сопротивления при обтекании шара жидкостью и чем вызывается?

6. Какая разница в картине обтекания коридорных и шахматных пучков?

7. Докажите теорему Н.Е. Жуковского о подъемной силе крыла.

8. В чем особенность обтекания крыловидного профиля?

9. Что называется сопротивлением давления и трения?

10. Как определяется повышение давления при прямом и непрямом гидравлическом ударе?

11. Какие существуют способы предотвращения и ослабления гидравлического удара?

Основы теории пограничного слоя

Пограничный слой. Структура пограничного слоя, основные определения и характеристики. Ламинарный пограничный слой. Уравнения движения в плоском ламинарном пограничном слое (уравнение Прандтля). Методы решения уравнения Прандтля. Интегральные соотношения пограничного слоя Кармана. Методы решения интегрального уравнения. Отрыв пограничного слоя.

Турбулентный пограничный слой на плоской пластине. Структура и уравнения турбулентного пограничного слоя.

Смешанный пограничный слой. Условия перехода ламинарного пограничного слоя в турбулентный.