- •Предмет и место дисциплины «Механика жидкости и газа» в ряду общеинженерных дисциплин.
- •Этапы развития науки «Механика жидкости и газа». Вклад российских ученых в развитие данной науки.
- •Жидкость – второе агрегатное состояние вещества. Отличие физических свойств жидкости от свойств газов и твердых тел.
- •Реальные и идеальные жидкости. Основные свойства реальных жидкостей.
- •Понятие плотности жидкости и газов. Относительная плотность, удельный вес и удельный объем. Связь между этими величинами.
- •Изменение плотности подвижных сред при изменении давления и температуры.
- •Термическое расширение и сжимаемость жидкостей и газов. Коэффициенты сжатия и расширения.
- •8. Поверхностное натяжение жидкости. Коэффициент поверхностного натяжения. Смачивание и не смачивание поверхности.
- •9. Капиллярный эффект. Определение высоты подъема или опускания мениска в капилляре.
- •10. Понятие вязкости. Коэффициенты кинематической и динамической вязкости. Ньютоновские жидкости.
- •11. Неньютоновские жидкости. Их законы трения и кривые течения.
- •12. Изменение вязкости среды при изменении ее температуры и давления.
- •13. Испарение жидкости и явление кавитации. Парциальное давление насыщенных паров.
- •14. Неоднородные системы. Их классификация и краткая характеристика.
- •15. Объемная и массовая доля дисперсной фазы. Связь между этими величинами. Плотность суспензии, эмульсии и парожидкостной смеси.
- •16. Вязкость неоднородных систем. Ее изменение при изменении температуры, давления и состава смеси.
- •17. Парожидкостной поток. Структура горизонтального потока и его показатели (плотность, паросодержание и коэффициент скольжения).
- •18. Методы исследования процессов, протекающих в холодильных установках (аналитический и экспериментальный). Достоинства и недостатки этих методов.
- •19. Синтетический метод исследования. Подобные явления.
- •20. Теория подобия. Условия подобия явлений.
- •21. Теоремы подобия. Первая теорема Ньютона и ее доказательство. Вторая и третья теоремы подобия. Пи – теорема Бэкингема.
- •22. Теория подобия и ее применение к исследованию процессов перемещения жидкостей и газов.
- •23. Подобное преобразование дифференциальных уравнений. Критерии гидродинамического напора.
- •24. Классификация сил, действующих в жидкости. Поверхностные и объемные силы и их определение.
- •25. Поверхностные силы. Напряжения поверхностных сил (нормальные и касательные). Расчет напряжений.
- •26. Понятие гидростатического и атмосферного давлений. Единицы измерения связь между ними.
- •27. Относительное, абсолютное и другие виды давлений связь между ними. Пьезометрическая высота.
- •28. Свойства гидростатического давления. Доказательство независимости величины давления от ориентации площадки в пространстве.
- •29. Вывод обобщенного дифференциального уравнения равновесия покоящейся жидкости. Его анализ.
- •30. Поверхности равного давления при абсолютном и относительном покое. Относительный покой в жидкости, находящейся в сосуде движущимся горизонтально и равноускорено.
- •31. Поверхности равного давления в сосуде, равномерно вращающемся вокруг горизонтальной и вертикальной оси.
- •32. Вывод основного уравнения гидростатики и его анализ.
- •33. Эпюры гидростатического давления. Методика их построения.
- •34. Приборы для измерения давления. Манометры u – образный и диафрагменный. Устройство и принцип действия.
- •35. Закон сообщающихся сосудов. Гидравлический уровень.
- •36 Закон Паскаля. Гидравлический пресс.
- •37. Точка приложения силы гидростатического давления, действующей на плоскую стенку. Эксцентриситет давления.
- •38. Давление жидкости на цилиндрические поверхности. Расчет силы давления. Тело давления.
- •39. Расчет болтовых соединений фланцевых разъемов сосудов, работающих под внутренним давлением.
- •40. Закон Архимеда. Условие плавания тел. Определение величины выталкивающей силы действующей на поплавковый регулятор
- •41. Классификация видов движения подвижных сред и методы описания движения жидкости (методы Эйлера и Лагранжа).
- •42. Кинематика жидкости. Основные понятия (линия тока, элементарная струйка) и определения (живое сечение струйки, смоченный периметр).
- •43. Поток и его характеристики: геометрические, кинематические и режимные
- •44. Уравнение неразрывности для элементарной струйки и потока реальной жидкости. Понятия массового и объемного расходов.
- •45. Вывод дифференциальных уравнений движения идеальной жидкости. (Уравнение л.Эйлера).
- •46. Вывод уравнения д.Бернулли для установившегося движения идеальной жидкости и анализ его составляющих.
- •47. Энергетический смысл и геометрическая интерпретация уравнения д. Бернулли для идеальной жидкости.
- •Энергетическое толкование уравнения
- •48. Уравнение д.Бернулли для потока реальной жидкости и его геометрическое и энергетическое представление. Корректив кинетической энергии потока. Коэффициент Кориолиса.
- •49 Дифференциальные уравнения движения реальных жидкостей (уравнения Навье-Стокса). Критерии гидродинамического подобия.
- •50 Опыты о. Рейнольдса. Критерий Рейнольдса. Ламинарный, турбулентный и переходной режимы движения жидкости.
- •52. Средняя, максимальная и местная скорость потока. Закон распределения скорости по сечению потока (закон Стоксa). Соотношение между максимальной и средней скоростями потока при ламинарном режиме.
- •53. Расчет расхода жидкости при ламинарном режиме движения (уравнение Пуазейля).
- •54. Течение жидкости в малом зазоре. Уравнение Петрова.
- •55. Турбулентный поток и его структура. Интенсивность пульсаций и турбулентная вязкость потока. Закон распределения скорости по сечению потока
- •10.2.1 Пульсация скоростей в турбулентном потоке
- •56. Гидравлические потери по длине трубопровода. Вывод уравнения Дарси –Вейсбаха. Коэффициент гидравлического трения.
- •11.1.1 Уравнение дарси-вейсбаха
- •57. Графики и. Никурадзе. Абсолютная и относительная шероховатости труб. Понятие гидравлически гладких и шероховатых труб.
- •58. Понятие местного сопротивления. Основные виды местных сопротивлений. Расчет потерь напора на их преодоление. Эквивалентная длина местных сопротивлений.
- •59. Внезапное расширение потока. Расчет потерь напора (уравнение Борда).
- •60. Классификация трубопроводов. Расчет диаметра трубопровода. Понятие экономичной скорости.
- •61. Простой трубопровод. Расчет потерь напора в трубопроводе. Кривые потребного напора простого трубопровода.
- •62. Последовательное и параллельное соединение простых трубопроводов. Построение результирующих линий потребного напора.
- •63. Понятие гидравлического удара. Формула Жуковского. Определение величины повышения давления при прямом полном и неполном гидравлическом ударе.
- •64. Истечение жидкости через отверстие в тонкой стенке при постоянном напоре.
- •65. Истечение жидкости через насадок. Определение глубины вакуума в насадке.
- •66. Истечение жидкости через отверстие в днище при переменном напоре. Время опорожнения емкости.
- •1. Предмет и место дисциплины «Механика жидкости и газа» в ряду общеинженерных дисциплин.
- •2. Этапы развития науки «Механика жидкости и газа». Вклад российских ученых в развитие данной науки.
Предмет и место дисциплины «Механика жидкости и газа» в ряду общеинженерных дисциплин.
Механика, являясь частью физики, изучает общие закономерности, связывающие механическое движение и взаимодействие тел, находящихся в трех состояниях: твердом, жидком и газообразном. Различие агрегатных состояний физических тел способствовало разделению механики на отдельные области и, в частности, появление такой науки как «Механика жидкости и газов».
Эта наука посвящена изучению законов движения и перемещения подвижных сред, жидкостей и газов, а также неоднородных смесей созданных на их основе.
Кроме того, техническая механика жидкости и газов разрабатывает и предлагает способы изучения этих законов в инженерной практике.
Структурно эта дисциплина включает в себя 3 раздела (см. рис. 1)
Также как и механика твёрдых тел механика жидкости и газов состоит из трёх взаимосвязанных разделов: гидростатики, кинематики жидкости и газов и гидродинамики. Все законы этих разделов реализуются на практике и в специальных технических устройствах, называемых гидравлическими машинами.
Механика жидкости и газов
Гидродинамика
Кинематика жидкости
Гидростатика
Гидравлика
Гидравлические машины
Рисунок 1.1 – Структура курса МЖиГ
Гидростатика изучает законы равновесия (покоя) жидкости.
Кинематика жидкости является разделом гидромеханики, в котором движение изучается, не зависимо от действующих сил; в кинематике устанавливается связь между геометрическими характеристиками движения и временем.
Гидродинамика изучает законы движения жидкости.
Этапы развития науки «Механика жидкости и газа». Вклад российских ученых в развитие данной науки.
Первое упоминание о научном подходе к решению гидравлических вопросов относится к 250 году до н.э., когда Архимедом был открыт закон о равновесии тел, погруженных в жидкость. Однако, в дальнейшем, на протяжении более полутора тысячелетий вопросами гидравлики никто не занимался. И только в 16-18 веках, в эпоху возрождения, с появлением работ Леонардо да Винчи, Галилея, Паскаля, Ньютона, исследовавших ряд важных гидравлических явлений было положено начало дальнейшему развитию гидравлики как науки.
Леонардо да Винчи изучил: работу гидравлического пресса, аэродинамику летательных аппаратов, истечение жидкости через насадки и другие гидравлические вопросы. Он изобрел: центробежный насос, парашют, анемометр.
Галилео Галилей изучил гидравлические сопротивления: разъяснил вопрос о вакууме.
Паскаль установил и доказал основное свойство гидростатического и внешнего давления.
Ньютон открыл закон внутреннего трения.
В XVII - XVIII вв. трудами ряда крупнейших ученых математиков и механиков (Эйлер, Бернулли, Лагранж) были установлены основные законы и получены исходные уравнения гидромеханики. Эти исследования носили главным образом теоретический характер и, включая ряд допущений в отношении физических свойств жидкости, давали больше качественную, а не количественную оценку явлений, значительно расходясь иногда с данными опыта, который до недавнего времени не играл в гидромеханике значительной роли. Естественно, что гидромеханика не могла удовлетворить многочисленным запросам практики, которые особенно возросли в XIX в. В связи с бурным ростом техники, требовавшей немедленного, конкретного решения различных чисто инженерных задач. Это и явилось причиной развития особой прикладной науки, созданной в XVIII—XIX вв. трудами Шези, Дарси, Буссинеска, Вейсбаха, И. Е. Жуковского и многих других ученых и инженеров, которую в настоящее время называют гидравликой.
В отличие от гидромеханики, гидравлика строит свои выводы на основе рассмотрения упрощенных схем гидравлических явлений, вводя в то же время в теоретические уравнения эмпирические коэффициенты, получаемые в результате обработки данных опыта, имеющего в гидравлике весьма большое значение. Так, при исследовании движения потока жидкости в гидравлике обычно ограничиваются определением средних скоростей движения и средних давлений в потоке, в то время как в гидромеханике в большинстве случаев рассматривают изменение этих величин в потоке при переходе от одной точки к другой. В течение долгого времени развитие гидравлики и гидромеханики шло обособленными путями. Однако если вначале методы исследования, применяемые в гидравлике и гидромеханике, значительно отличались друг от друга, то с течением времени эта разница постепенно стиралась. Сближение между этими двумя направлениями в науке, наметившееся в начале XX в., связано с именем выдающегося ученого Л. Прандтля. Это сближение в значительной мере устранило существенные недостатки, свойственные как гидравлике прошлого, представлявшей собой сугубо эмпирическую науку - науку опытных формул и коэффициентов, так и классической гидромеханике, имевшей преимущественно теоретический характер. Современная механика жидкости и газов - это наука, в которой опыт обобщается теорией, а теория исправляется и дополняется опытом, получившим в настоящее время весьма широкое применение и в гидромеханике. Гидравлика широко использует методы и результаты гидромеханики, и, очевидно, со временем различие в понятиях «гидромеханика» и «гидравлика» исчезнет и сохранит, разве лишь исторический интерес.
Большую роль в развитии гидравлики и гидромеханики сыграли наши отечественные учёные. Основоположники гидромеханики Даниил Бернулли и Леонард Эйлер жили Широко известны работы Н. П. Петрова, создавшего гидродинамическую теорию смазки, Н. Е. Жуковского, выполнившего ряд замечательных исследований в различных областях гидромеханики, А. Н. Крылова, разработавшего теорию плавания корабля, Н. Н. Павловского - по теории неравномерного движения и фильтрации жидкости в пористых слоях. и работали в России и были членами Петербургской Академии наук.