СОДЕРЖАНИЕ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
ПО САМОСТОЯТЕЛЬНОМУ ИЗУЧЕНИЮ ДИСЦИПЛИНЫ
(общий объем _ 14 _ часов)
4.1. Введение (0,25 часа)
Предмет и прикладное значение курса. Гидрогазодинамическая система и ее поведение. Контрольные поверхность и объем; жидкие частица (моль), объем, контур. Общее и различия механики жидкости и газа, гидродинамики, газодинамики и аэродинамики как частей механики сплошной среды. Принятые обозначения и определение основных понятий.
Обоснование математических моделей, упрощающие допущения. Виды течений. Обратимость движения. Подходы Эйлера и Лагранжа к решению задач механики жидкости и газа.
Литература: [1] – введение, §2.1; [2] – введение, §1.1 – §1.3.
После изучения данного материала необходимо знать базовые понятия и определения, касающиеся изучаемой среды и методов исследования течений.
4.2. Основные сведения из математики (1 час)
Векторное поле. Векторная линия, линия тока, вихревая линия. Скалярное и векторное произведение. Операторы Гамильтона и Лапласа. Градиент скалярной величины. Поток вектора. Дивергенция вектора, исток и сток, диполь. Ротор вектора и циркуляция вектора, оценка интенсивности вращательного движения, вихрь скорости. Формула Остроградского–Гаусса. Формула Стокса.
Литература: [1] – §1.1, §2.3 (стр. 35), §3.2.
|
|
|
Обратить внимание на используемые в дальнейшем понятия линии тока, вихревой линии; градиента скалярной величины, показывающего величину и направление наискорейшего возрастания функции; дивергенции вектора, показывающей суммарное направление течения через объем: наружу при положительной дивергенции или вовнутрь при отрицательной; потока вектора как основы к определению расхода жидкости и газа.
4.3. Основные понятия термодинамики (0,25 часа)
Рабочее тело. Термодинамические характеристики рабочего тела – давление, температура, плотность. Понятие о полных параметрах. Показатели политропы и адиабаты, как характеристики термодинамического процесса и качественные характеристики сжимаемости среды в этом процессе. Модуль упругости среды, сравнение сжимаемости жидкостей и газов. Газовая постоянная, теплоемкость. Энтальпия, 1-й закон термодинамики. Энтропия, 2-йзакон термодинамики. Изоэнтропический процесс и закон сохранения энтропии. Градиент энтальпии в изоэнтропическом процессе.
Литература: [1] – §§1.2, 1.3; [2] – §§1.1, 1.6, 4.14 .
Материал данного раздела обращает внимание на наиболее употребимые в аэрогидрогазодинамике понятия теплотехники и термодинамики. Для более полного вспоминания материала можно обратиться к литературе, рекомендованной при изучении теплотехники и термодинамики.
|
|
|
4.4. Основы механики сплошных и разреженных сред (1 час)
Понятие сплошности в аэрогидромеханике, критерий Кнудсена. Сплошные течения, гипотеза Прандтля о налипании и пограничный слой. Течения со скольжением и разреженные течения. Линия тока, трубка тока, струйка тока, поток. Вихревые трубка, шнур и поток. Потенциальное и вихревое течения. Стационарные и нестационарные течения, пространственные, плоские и одномерные течения. Расход и плотность тока, средняя скорость.
Силы, действующие в жидкости. Гидростатическое давление и его свойства. Внутреннее трение и вязкость в жидкостях и газах. Зависимость вязкости от параметров потока. Молекулярно–кинетическая природа вязкости. Турбулентная вязкость. Законы переноса. Виды пограничного слоя. Понятие о режимах течения. Напряженное состояние жидкой частицы. Равнодействующая напряжений. Работа сил трения и ускорение от сил трения, диссипация кинетической энергии.
Межмолекулярные силы и их влияние на характер течения жидкостей и газов при ускорении. Кавитация и меры борьбы с ней. Общее и различия в течениях жидкости и газа.
|
|
|
Литература: [1] – §§1.4 – 1.8, 2.3; [2] – §§1.3 – 1.5, 3.2, 4.8 (стр.84, 85).
В §1.8 [1] обратить внимание на формулы 1.47, 1.48; тепло трения, являющееся основной частью работы вязких сил в потоках со слабо выраженной неравномерностью; математические выводы опустить.
После изучения материала знать физические объяснения рассмотренных явлений и свойств жидкости; основные понятия, относящиеся к потокам и течениям в каналах; особое внимание обратить на общее и различие течений капельных жидкостей и газов; причины разных значения и зависимости от температуры для вязкости капельных жидкостей и газов.
4.5. Элементы газовой динамики в одномерном течении (0,75 часа)
Механизмы перехода кинетической энергии в потенциальную. Параметры торможения. Скорость сжимаемого и несжимаемого потоков. Эквивалентность скорости и работы расширения–сжатия. Характерные скорости – местная скорость звука, критическая скорость звука (потока), максимальная скорость потока. Реальный предел скорости. Безразмерные скорости. Связь между характерными скоростями. Газодинамические функции (ГДФ)параметров торможения. Связь критических и полных параметров состояния, критический перепад давлений для сжимаемых потоков.
|
|
|
Литература: [1] – §§2.2, 2.4 – 2.7; [2] –§4.8 (стр. 84).
Механические параметры торможения требуют изоэнтропного энергоизолированного процесса торможения, в то время как для тепловых параметров торможения достаточно просто энергоизолированного процесса. Обратить внимание на то, что ГДФ параметров торможения в принципе не могут превышать значение 1. Знать определения, аналитические формулы и графическое представление ГДФ параметров торможения.
4.6. Теория подобия (0,25 часа)
Подобие физических процессов. Безразмерные скорости как критерии подобия. Критерии гидродинамического подобия, аэродинамические коэффициенты. Критерии теплового подобия.
Литература: [1] – §2.5 (стр. 42); [2] – §§5.1, 5.3, 5.4 .
Раздел является ознакомительным, умение составлять критерии подобия и критериальные уравнения не требуется.
Уметь различать подобные и аналогичные явления. Знать условия подобия: геометрическое, кинематическое, динамическое, тепловое. Знать критерии Эйлера, Рейнольдса, аэродинамические коэффициенты, критерий Прандтля. Знать о преимуществах критериальных уравнений (стр. 112 [2]).
4.7. Основные уравнения и элементы газовой динамики (2,5 часа)
Консервативность законов сохранения.
Уравнение неразрывности в дифференциальной и интегральной формах. Одномерные уравнения неразрывности, газодинамические функции расхода. Предельный расход для внутренних течений.
Литература: [1] – §§3.1 – 3.4, 3.5 (стр. 53, 54); [2] – §11.3.
Знать одномерные частные случаи уравнения неразрывности. Обратить внимание на то, что в нестационарных течениях полные давление и температура могут изменяться без подвода/отвода механической работы, лишь за счет накопления или расходования вещества. Аналогично в нестационарных процессах в пределах рассматриваемого объема обратимо могут изменяться значения импульса и энергии, отличаясь от таковых в стационарных течениях. Знать газодинамические формулы расхода, определение ГДФ расхода, их характерные значения и графическое представление.
Далее идут ссылки только на источник [2].
Уравнение энергии в общем виде. Уравнение энергии в тепловой форме. Уравнение Бернулли как механическая форма уравнения энергии. Частные случаи уравнения энергии. Условия постоянства параметров торможения.
Изменение полного давления в потоках. Характеристики потерь механической энергии. Формулы работ сжатия и расширения в лопаточных машинах, адиабатный к.п.д..
К изучению уравнения Бернулли и его частных случаев – §§4.8 (до стр. 84), 4,12, 7.2 (к разделу 4.13). К изучению тепловой формы уравнения энергии – §§4.11, 11.1, 11.2. Формулы работ и к.п.д. лопаточных машин, а также дополнительные характеристики потерь рассматриваются на установочных занятиях.
Уравнение количеств движения (1-е уравнение Эйлера). Уравнение количеств движения для одномерного движения и элементарной струйки. Полный импульс, ГДФ полного импульса. Сила взаимодействия потока с каналом переменного сечения, реактивная сила. Уравнение количеств движения в параметрах торможения.
Уравнение моментов количеств движения (2-е уравнение Эйлера). Мощность и работа одной ступени лопаточных машин.
К изучению уравнения количеств движения – §§4.1 (основные посылки и результат математических выводов),4.3, 11.4 с примером решения задачи 11.15.Законспектировать примеры §4.2.
К изучению уравнения моментов количеств движения – §4.5.
Нестационарные формы уравнений и дополнительный материал рассматриваются на установочных занятиях.
Обобщающее уравнение обращения воздействий. Общие условия изменения скорости сжимаемого потока. Особенности ускорения и торможения сверхзвуковых газовых потоков, понятие о характеристиках, волнах разрежения и скачках уплотнения.
Основную часть материала можно найти в §§11.5, 11.7 (см. также раздел 4.11). Обратить особое внимание на невозможность перехода через скорость звука с помощью одностороннего воздействия.
4.8. Аэрогидростатика (0,5 часа)
Основные понятия – абсолютное и относительное равновесие, поверхность уровня, свободная поверхность, общее условие равновесия. Основное дифференциальное уравнение гидростатики. Условия существования равновесия. Закон Паскаля. Давление жидкости на стенки. Равновесие жидкости при наличии негравитационных массовых сил. Закон Архимеда, плавание тел. Равновесие газов, международная стандартная атмосфера.
Материал данного раздела изложен в главе 2 [2].
4.9. Кинематика движения жидкой частицы (1 час)
Движение жидкой частицы. Потенциальное и вихревое движение, потенциал скорости и функция тока. Физический смысл потенциала скорости и функции тока. Интенсивность вихревого движения, условия незавихренности, циркуляция скорости. Связь циркуляции с интенсивностью вихря, теорема Стокса. Теорема Гельмгольца, формы вихрей.
Потенциальный вихрь. Законы радиального распределения параметров потенциального вихря и их использование для построения профилей лопаточных машин.
Условия изменения интенсивности вихря, теорема Томсона.
Литература: [1] – §1.1 (стр.7, 8); [2] – §§3.4 – 3.8. Дополнительные комментарии и иллюстрации рассматриваются на установочных занятиях. Условие радиального равновесия обусловливает возникновение разряжения в центре вихря. Закона постоянства циркуляции в центре потенциального вихря не существует из-за стремления скорости потока к бесконечности, поэтому характер течения в центральной и периферийной частях потенциального вихря различен.
4.10. Теория пограничного слоя и режимы течения жидкости (1 час)
Основные типы пограничных слоев. Физическая и условные толщины пограничного слоя. Характер и режимы течения вязкой жидкости. Потеря устойчивости ламинарного течения, переход ламинарного режима в турбулентный. Пульсационное и осредненное движение. Дополнительные (кажущиеся) турбулентные напряжения и их физический смысл. Управление степенью турбулентности в потоках. Аэродинамический шум.
Изучать в порядке указания параграфов [2]: глава 15, введение, §15.1, 6.1, 6.2, 15.2, 6.3 – 6.6. К вопросу о физическом смысле турбулентных напряжений объединить материал стр. 123 (формула 6.13), стр. 125 (физический смысл), стр. 128 (диссипация энергии)
Отрыв пограничного слоя. Устойчивость пограничного слоя к отрыву, управление пограничным слоем. Перетекания в пограничном слое, индуктивный вихрь на крыле конечного размаха и парный вихрь в решетках профилей лопаточных машин. Вырождение турбулентности и локализация отрывов в конфузорных течениях.
§ 15.6 (исключая взаимодействие со скачками уплотнения, данный материал относится к разделу 4.11). Вторичные течения в пределах пограничного слоя и сгенерированные ими макротечения рассматриваются на установочных занятиях.
4.11. Аэрогидрогазодинамика тел различной формы при дозвуковых,
сверхзвуковых и гиперзвуковых скоростях (2,5 часа)
Распространение слабых возмущений в потоках. Свойства и виды характеристик. Формы характеристик. Механизм отклонения потока и изменения скорости при пересечении линий слабых возмущений и скачков уплотнения.
Образование скачков уплотнения, переход скачков уплотнения в слабое возмущение. Преобразование волн сжатия в скачки, примеры (включая скачки уплотнения на отрывном следе за телами). Классификация скачков уплотнения. Законы сохранения для скачков уплотнения и ударных волн. Соотношения Ренкина–Гюгонио.
§ 11.7 (см. также окончание раздела 4.7); глава 12, введение. Классификация скачков уплотнения и соотношения Ренкина–Гюгонио рассматриваются на установочных занятиях.
Кинематическое и динамическое соотношения для прямых и косых скачков уплотнения, их вывод. Причины деления скачков уплотнения на сильные и слабые. Анализ динамического соотношения. Ударная адиабата и потери в скачках уплотнения. Расчет скачков уплотнения и ударных волн.
Отклонение потока в косых скачках уплотнения. Переход слабых скачков уплотнения в сильные скачки. Предельный угол поворота. Отсоединенный криволинейный скачок уплотнения при обтекании затупленных тел. Взаимодействие характеристик и скачков уплотнения. Системы скачков уплотнения, минимизация потерь. Волны сжатия. Отражение от твердой стенки. Предел правильного отражения и пересечения скачков уплотнения. Отражение от границы свободной струи.
§§ 12.1, 12.2, 12.4. Дополнительно материал о системах скачков уплотнения излагается в §16.3 (сверхзвуковые воздухозаборники) и на установочных занятиях.
Простые волны (Прандтля–Майера и Римана). Основные параметры течения Прандтля–Майера. Расчет параметров потока в волне разрежения. Предельные угол поворота потока и угол раскрытия волны.
Пересечение характеристик и волн разрежения, отражение от твердой стенки и границы свободной струи. Взаимодействие волн разрежения и скачков уплотнения.
Глава 13, введение, §§13.1, 13.2. Выводы формул в §13.1 опустить, обратить внимание на конечные результаты и их анализ.
Взаимодействие скачков уплотнения с ламинарным и турбулентным пограничными слоями.
§ 15.6 (см. также раздел 4.10).
4.12. Частные случаи уравнения обращения воздействий (0,5 часа)
Расходное воздействие. Уравнение обращения расходного воздействия и его анализ.
Механическое воздействие. Уравнение обращения механического воздействия и его анализ. Формы проточной части компрессора и турбины (компенсация механического воздействия геометрическим). Факторы, влияющие на степень изменения полного давления и работу лопаточных машин. Механическая работа и ее кинетический эквивалент, этапы взаимопреобразования энергии газа или жидкости и механической работы в лопаточных машинах.
Тепловое воздействие. Уравнение обращения для теплового воздействия и его анализ. Природа и расчет теплового сопротивления в потоках. Тепловой кризис. Влияние теплового кризиса на устойчивость работы ВРД.
Глава 14, введение; §§14.1 – 14.3. Для механического воздействия в турбомашинах следует помнить о существовании в них ограничений на значение скорости за машиной: не менее 100 – 110 м/с за компрессором и не более M=0.6 – 0.7 за турбиной. Это вызывает необходимость компенсации механического воздействия геометрическим.
4.13. Внутренние течения (1,5 часа)
Гидросопротивления, потери на трение и местные сопротивления, формулы Вейсбаха и Вейсбаха–Дарси. Сопротивление тел при ламинарном и турбулентном режимах течения. Законы сопротивления для гладких труб при ламинарном и турбулентном режимах. Разгонный участок. Сопротивление шероховатых труб.
Виды местных сопротивлений. Истечение через отверстия.
Расчет потерь в трубах с некруглым сечением.
§ 6.7 – расчет приведенных в параграфе гидросопротивлений рассматривается: внезапное расширение в §9.1; постепенное расширение (диффузор) в §9.1и §16.1 (коэффициент смягчения удара); внезапное и плавное сужения, отводы и повороты в §9.1. См. также приложение 2 данных указаний.
§ 7.1 (течение Пуазейля–Гагена в круглой трубе, разгонный участок), §8.1 (до изменения напряжения трения по радиусу), §§8.2 – 8,4. В дополнение к §8.3 см. данные указания (п. 5в основных формул для расчета трубопроводов). §9.3 изучать до истечения жидкости через внешний цилиндрический насадок.
Уравнение обращения воздействия трения. Газодинамический расчет течения с трением, ГДФ трения. Запирание труб по расходу.
Применение уравнения Бернулли к анализу течений в трубах, коэффициент Кориолиса. Геометрическая, пьезометрическая и гидростатическая высоты (напоры). Расчет трубопроводов.
§ 14.4 освещает вопросы расчета вязкого сжимаемого течения. Помните, что при течении несжимаемых жидкостей каналы тоже запираются по расходу вследствие кризиса течения, разрешаемого кавитацией.
§§ 4.8, 7.2 (см. также раздел 4.7). Расчет трубопроводов приводится в главе 10.
Дата добавления: 2020-04-25; просмотров: 93; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!