Раздел I. Основные свойства жидкостей и газов

ГИДРОГАЗОДИНАМИКА

Учебная программа для специальностей:

1-43 01 04 «Тепловые электрические станции»,

1-43 01 05 «Промышленная теплоэнергетика»,

1-43 01 08 «Паротурбинные установки атомных электрических станций»

 

Факультет технологий управления и гуманитаризации

 

Кафедра ЮНЕСКО

«Энергосбережение и возобновляемые источники энергии»

 

Курс – 2

Семестр – 3

Лекции – 36 часов Зачет 3 семестр

Практические занятия – 18 часов

Лабораторные занятия - 18 часов

Всего аудиторных часов

по дисциплине – 72

Всего часов Форма получения

по дисциплине - 112 высшего образования –

дневная, заочная

 

Составили В.Г.Баштовой, д.ф.-м.н., проф., А.Г.Рекс, д.ф.-м.н., проф.

 

Минск 2010 г.

 

Учебная программа составлена на основе типовой учебной программы «Гидрогазодинамика», утв. 30.01.2002, рег. № ТД-197/тип.

 

 

Рассмотрена и рекомендована к утверждению на заседании кафедры ЮНЕСКО «Энергосбережении и возобновляемые источники энергии» Белорусского национального технического университета

(протокол №____ от ____________ 2010 г.)

 

Заведующий кафедрой

_______________ В.Г.Баштовой

 

Одобрена и рекомендована к утверждению методической комиссией факультета технологий управления и гуманитаризации Белорусского национального технического университета

(протокол №____ от ____________ 2010 г.)

 

Председатель

_______________ Е.Г.Богданович

 

 

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

Учебная программа «Гидрогазодинамика» разработана для специальностей 1-43 01 04 «Тепловые электрические станции», 1-43 01 05 «Промышленная теплоэнергетика», 1-43 01 08 «Паротурбинные установки атомных электрических станций» Белорусского национального технического университета.

Целью изучения дисциплины является приобретение студентами знаний и навыков, обеспечивающих осознанное использование ими возможностей жидкостей и газов в технических устройствах для обеспечения повышения эффективности их работы.

Изучение данной дисциплины преследует следующие задачи:

- дать студентам представления об основных физических свойствах жидкостей и газов, их статике и динамике,

- привить умение использовать полученные знания для расчетов характеристик потоков жидкостей и газов,

- привить навыки работы с измерительной аппаратурой и экспериментальными установками по определению характеристик гидрогазодинамических потоков.

 

Освоение дисциплины базируется на объеме знаний в области физики и математики, полученных студентами на первых годах обучения в ВУЗе. Полученные знания в области механики жидкости и газа в дальнейшем используются при изучении специальных дисциплин, связанных главным образом с производством, преобразованием, транспортом и потреблением тепловой энергии и холода, и позволяют подходить к решению этих проблем с точки зрения повышения эффективности этих процессов.

Необходимость изучения гидрогазодинамики студентами данных специальностей связана с тем, что жидкости и газы являются основными рабочими средами практически на всех этапах энергетических процессов, в том числе и при получении низких температур: как топливо и продукты его горения, в энергопреобразующих устройствах (турбинах, реактивных двигателях, двигателях внутреннего сгорания, паровых двигателях, ветроэнергетических установках и т.п.), как основной энергоноситель в системах транспорта тепла и холода, как основной элемент окружающей природной среды (вода и воздух).

При выполнении лабораторных работ осуществляется практическое освоение методов и измерительных приборов, используемых для изучения свойств жидкостей и газов и их потоков (вискозиметров, расходомеров, анемометров, манометров и т.п.), и получение навыков работы с ними, осваиваются методы и средства экспериментального моделирования течений жидкостей и газов и их исследования.

 

 

В результате освоения курса «Гидрогазодинамика» студент должен:

знать:

– основы механики жидкостей и газов;

– основные понятия, соотношения и уравнения гидростатики и гидродинамики;

– методы расчета, анализа и экспериментального исследования гидромеханических процессов в элементах теплоэнергетических систем.

уметь:

– использовать основные понятия, соотношения и уравнения гидростатики и гидродинамики;

– владеть методами и иметь навыки расчета, анализа и экспериментального исследования гидромеханических процессов в элементах теплоэнергетических систем.

приобрести навыки:

- работы с измерительной аппаратурой по определению характеристик жидкостей и газов и их потоков;

- работы с экспериментальными установками, моделирующими течения жидкостей и газов;

- расчета трубопроводных систем.

 

Диагностика компетенций студента

Для оценки достижений студента используется следующий диагностический инструментарий:

– отчеты по выполненным лабораторным работам;

– защита выполненных на практических занятиях индивидуальных заданий;

– проведение текущих контрольных опросов и тестирования по отдельным темам;

– сдача зачета.

Оценка промежуточных учебных достижений студента осуществляется по десятибалльной шкале.

 

Изучение курса «Гидрогазодинамика» рассчитано всего на 112 часов, в том числе — 72 часов аудиторных занятий.

Примерное распределение аудиторных часов по видам занятий:

лекции — 36 часов;

практические занятия — 18 часов;

лабораторные работы — 18 часов.

 

 

СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

Примерный перечень тем практических занятий

1. Расчет процессов, связанных с изменением объемов жидкостей и газов при изменении их температуры.

2. Расчет процессов, связанных с действием сил вязкого трения.

3. Расчет процессов, связанных с действием сил поверхностного натяжения.

4. Расчет сил давления, действующих стенки сосудов и на тела, погруженные в жидкости и газы.

5. Расчет параметров потоков жидкостей при их течении в каналах переменного сечения.

6. Расчет параметров потоков жидкостей при их истечении из отверстий и насадков.

7. Расчет параметров потока при течении вязкой жидкости в трубах.

8. Гидравлический расчет трубопроводов различной конфигурации.

9. Расчет сил, действующих на тела, обтекаемые потоками жидкости и газа.

 

Примерный перечень тем лабораторных работ

1. Определение температурной зависимости вязкости жидкостей ротационным вискозиметром.

2. Изучение процессов капиллярного впитывания.

3. Изучение статики вращающейся жидкости.

4. Изучение методов и приборов измерения давления, скорости и расхода в потоках жидкостей.

5. Исследование режимов течения жидкостей и определение критических значений числа Рейнольдса.

6. Исследование течения жидкости в канале переменного сечения и проверка уравнения Бернулли.

7. Определение потерь давления в трубопроводе.

8. Определение силы лобового сопротивления и подъемной силы при обтекании тел потоком газа.

 

 

Основная литература

 

С.

 

 

Дополнительная литература

ГИДРОГАЗОДИНАМИКА

Учебная программа для специальностей:

1-43 01 04 «Тепловые электрические станции»,

1-43 01 05 «Промышленная теплоэнергетика»,

1-43 01 08 «Паротурбинные установки атомных электрических станций»

 

Факультет технологий управления и гуманитаризации

 

Кафедра ЮНЕСКО

«Энергосбережение и возобновляемые источники энергии»

 

Курс – 2

Семестр – 3

Лекции – 36 часов Зачет 3 семестр

Практические занятия – 18 часов

Лабораторные занятия - 18 часов

Всего аудиторных часов

по дисциплине – 72

Всего часов Форма получения

по дисциплине - 112 высшего образования –

дневная, заочная

 

Составили В.Г.Баштовой, д.ф.-м.н., проф., А.Г.Рекс, д.ф.-м.н., проф.

 

Минск 2010 г.

 

Учебная программа составлена на основе типовой учебной программы «Гидрогазодинамика», утв. 30.01.2002, рег. № ТД-197/тип.

 

 

Рассмотрена и рекомендована к утверждению на заседании кафедры ЮНЕСКО «Энергосбережении и возобновляемые источники энергии» Белорусского национального технического университета

(протокол №____ от ____________ 2010 г.)

 

Заведующий кафедрой

_______________ В.Г.Баштовой

 

Одобрена и рекомендована к утверждению методической комиссией факультета технологий управления и гуманитаризации Белорусского национального технического университета

(протокол №____ от ____________ 2010 г.)

 

Председатель

_______________ Е.Г.Богданович

 

 

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

Учебная программа «Гидрогазодинамика» разработана для специальностей 1-43 01 04 «Тепловые электрические станции», 1-43 01 05 «Промышленная теплоэнергетика», 1-43 01 08 «Паротурбинные установки атомных электрических станций» Белорусского национального технического университета.

Целью изучения дисциплины является приобретение студентами знаний и навыков, обеспечивающих осознанное использование ими возможностей жидкостей и газов в технических устройствах для обеспечения повышения эффективности их работы.

Изучение данной дисциплины преследует следующие задачи:

- дать студентам представления об основных физических свойствах жидкостей и газов, их статике и динамике,

- привить умение использовать полученные знания для расчетов характеристик потоков жидкостей и газов,

- привить навыки работы с измерительной аппаратурой и экспериментальными установками по определению характеристик гидрогазодинамических потоков.

 

Освоение дисциплины базируется на объеме знаний в области физики и математики, полученных студентами на первых годах обучения в ВУЗе. Полученные знания в области механики жидкости и газа в дальнейшем используются при изучении специальных дисциплин, связанных главным образом с производством, преобразованием, транспортом и потреблением тепловой энергии и холода, и позволяют подходить к решению этих проблем с точки зрения повышения эффективности этих процессов.

Необходимость изучения гидрогазодинамики студентами данных специальностей связана с тем, что жидкости и газы являются основными рабочими средами практически на всех этапах энергетических процессов, в том числе и при получении низких температур: как топливо и продукты его горения, в энергопреобразующих устройствах (турбинах, реактивных двигателях, двигателях внутреннего сгорания, паровых двигателях, ветроэнергетических установках и т.п.), как основной энергоноситель в системах транспорта тепла и холода, как основной элемент окружающей природной среды (вода и воздух).

При выполнении лабораторных работ осуществляется практическое освоение методов и измерительных приборов, используемых для изучения свойств жидкостей и газов и их потоков (вискозиметров, расходомеров, анемометров, манометров и т.п.), и получение навыков работы с ними, осваиваются методы и средства экспериментального моделирования течений жидкостей и газов и их исследования.

 

 

В результате освоения курса «Гидрогазодинамика» студент должен:

знать:

– основы механики жидкостей и газов;

– основные понятия, соотношения и уравнения гидростатики и гидродинамики;

– методы расчета, анализа и экспериментального исследования гидромеханических процессов в элементах теплоэнергетических систем.

уметь:

– использовать основные понятия, соотношения и уравнения гидростатики и гидродинамики;

– владеть методами и иметь навыки расчета, анализа и экспериментального исследования гидромеханических процессов в элементах теплоэнергетических систем.

приобрести навыки:

- работы с измерительной аппаратурой по определению характеристик жидкостей и газов и их потоков;

- работы с экспериментальными установками, моделирующими течения жидкостей и газов;

- расчета трубопроводных систем.

 

Диагностика компетенций студента

Для оценки достижений студента используется следующий диагностический инструментарий:

– отчеты по выполненным лабораторным работам;

– защита выполненных на практических занятиях индивидуальных заданий;

– проведение текущих контрольных опросов и тестирования по отдельным темам;

– сдача зачета.

Оценка промежуточных учебных достижений студента осуществляется по десятибалльной шкале.

 

Изучение курса «Гидрогазодинамика» рассчитано всего на 112 часов, в том числе — 72 часов аудиторных занятий.

Примерное распределение аудиторных часов по видам занятий:

лекции — 36 часов;

практические занятия — 18 часов;

лабораторные работы — 18 часов.

 

 

СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

Раздел I. Основные свойства жидкостей и газов

Тема 1. Введение

Предмет науки. Роль жидкостей и газов в природных явлениях, технике и обеспечении жизнедеятельности человека. История развития механики жидкостей и газов. Гидрогазодинамика как составная часть механики сплошной среды. Связь гидрогазодинамики с другими отраслями знаний.

Гидромеханическое представление о жидкостях как сплошной и текучей среде. Фундаментальные свойства жидкостей и газов - сплошность и текучесть.

Тема 2. Плотность жидкостей и газов и их уравнения состояния.

Плотность жидкостей и газов и ее зависимость от температуры и давления. Уравнения состояния для идеальных газов (уравнение Клапейрона-Менделеева) и капельных жидкостей. Коэффициенты теплового расширения и сжимаемости. Особенности теплового расширения воды. Связь коэффициента сжимаемости жидкостей со скоростью звука. Адиабатическая и изотермическая скорости звука в идеальном газе. Понятие о несжимаемой жидкости.

 

Тема 3. Вязкость

Физическая природа сил вязкого трения. Вязкое трение как результат процессов переноса импульса молекулами. Вязкие напряжения. Закон вязкого трения Ньютона. Динамический и кинематический коэффициенты вязкости и их зависимость от температуры. Диссипация энергии как результат вязкого трения.

 

Тема 4. Поверхностное натяжение

Свободная поверхность жидкости и ее особенности. Поверхностная энергия. Коэффициент поверхностного натяжения. Капиллярный скачок давления. Кривизна поверхности. Главные радиусы кривизны. Формула Лапласа. Смачивание и несмачивание жидкостью твердых поверхностей. Определение уровня жидкости в капиллярах. Равновесная форма объема жидкости со свободной поверхностью. Капиллярный распад жидких струй. Роль капиллярных явлений в природе и их использование в технике (капиллярные волны, распыленные потоки, тепловые трубы и т.п.). Течения жидкостей со свободной поверхностью - пленочные и струйные.

 

Тема 5. Режимы течения

Ламинарный и турбулентный режимы течения. Их принципиальные различия. Критические значения скорости. Число Рейнольдса и его критические значения. Зависимость критических значений числа Рейнольдса от внешних факторов (вибраций, неплавных входов в трубу). Критическое значение числа Рейнольдса при течении жидкостей в трубах.

 

Раздел II. Статика жидкостей и газов

 

Тема 6. Основные положения статики.

Основные задачи статики. Классификация сил, действующих в жидкости. Силы массовые (объемные) и поверхностные. Напряжения массовых и поверхностных сил. Тензор напряжений. Силы давления и их физическая природа. Напряжение сил давления (давление).

Равновесие жидкости в отсутствии массовых сил. Закон Паскаля. Гидравлический пресс. Гидравлические усилители в технических устройствах.

 

Тема 7. Равновесие жидкости в поле массовых сил.

Равновесие жидкой частицы в присутствии массовых сил. Основное дифференциальное уравнение гидростатики (уравнение Эйлера). Потенциальность массовых сил как условие возможности равновесия жидкости в поле массовых сил. Условия возможности равновесия неизотермической жидкости в поле силы тяжести. Естественная (свободная) конвекция.

 

Тема 8. Распределение давления в жидкостях и газах в поле силы тяжести.

Распределение давления в тяжелой несжимаемой жидкости. Поверхности уровня. Форма свободной поверхности. Сообщающиеся сосуды. Определение уровней жидкостей в сообщающихся сосудах, заполненных жидкостями с разной плотностью. Жидкостные манометры и микроманометры.

Распределение давления в тяжелом сжимаемом газе. Барометрическая формула. Альтиметры.

 

Тема 9. Силы давления, действующие на тела, погруженные в жидкость.

Определение сил давления, действующих на криволинейную поверхность и на тела, погруженные в тяжелую несжимаемую жидкость.Определение вертикальных и горизонтальных составляющих этих сил. Закон Архимеда. Центр давления.

Плавание тел и его устойчивость. Особенности плавания тел, не полностью погруженных в жидкость.

 

Тема 10. Распределение давления в поле сил инерции.

Распределение давления и форма поверхности жидкости в сосудах, движущихся равноускоренно.

Распределение давления и форма поверхности жидкости во вращающемся сосуде.

Циклонные аппараты и сепараторы.

 

 

Раздел III. Одномерные течения жидкостей и газов

 

Тема 11. Основные принципы описания потоков жидкостей и газов.

Основные принципы описания потоков жидкостей и газов. Поля давления, температуры и плотности. Физический смысл их градиентов. Изотермы, изобары, изохоры.

Поле скоростей. Линии и трубки тока. Поток жидкости через произвольную поверхность. Дивергенция и ротор скорости – их физический смысл. Объемный и массовый расходы жидкости. Связь между расходом и средней скоростью течения жидкости.

Понятие об одномерных течениях жидкостей и газов.

 

Тема 12. Законы сохранения. Уравнения неразрывности и Бернулли.

Законы сохранения в гидрогазодинамике. Закон сохранения массы и уравнение неразрывности (сплошности) для одномерных течений.

Закон сохранения энергии для одномерных течений. Общий вид уравнения Бернулли. Функция давления.

 

Тема 13. Уравнение движения и турбинное уравнение.

Закон сохранения импульса и уравнение движения для одномерных течений.

Закон сохранения момента импульса и его применение к движению жидкостей в турбинах. Турбинное уравнение.

 

Раздел IV. Одномерные течения несжимаемой жидкости.

 

Тема 14. Уравнения неразрывности и Бернулли для несжимаемой жидкости.

Уравнение неразрывности для несжимаемой жидкости. Изменение скорости потока при изменении площади его сечения.

Уравнение Бернулли для несжимаемой жидкости. Силовая интерпретация уравнения Бернулли. Напор. Изменение пьезометрического давления в жидкости при изменении скорости ее течения. Эжекция. Кавитация.

Уравнение Бернулли для вязкой несжимаемой жидкости. Потери энергии и потери давления. Общие формулы для определение потерь давления в трубах и на местных сопротивлениях. Формулы Дарси и Дарси-Вейсбаха. Коэффициенты трения в трубах и местных сопротивлений.

 

Тема 15. Определение потерь давления в трубах и на местных сопротивлениях.

Определение потерь давления при течении жидкости в трубах. Закон сопротивления при ламинарном течении в трубах. Закон сопротивления при турбулентном течении жидкостей в гладких трубах (Закон сопротивления Блазиуса). Законы сопротивления в шероховатых трубах.

Определение потерь давления на местных сопротивлениях. Потери давления при внезапном расширении и сужении потока. Формула Борда. Другие примеры местных сопротивлений (задвижка, клапан, кран, и т.п.). Поворотные устройства. Дроссельные расходомеры.

 

Тема 16. Течение жидкости через конфузоры, диффузоры и отверстия.

Диффузоры и конфузоры. Изменение параметров потока несжимаемой жидкости (скорости и давления) при течении в диффузорах и конфузорах. Степень совершенства диффузора.

Истечение несжимаемой жидкости через отверстие в баке. Формула Торичелли. Коэффициенты скорости и расхода. Насадки.

 

Тема 17. Основные задачи и методы расчета трубопроводных систем

Мощность, затрачиваемая на движение жидкости в трубопроводе. Методика расчета потерь давления в простом трубопроводе. Расчет потерь давления при последовательном соединении простых трубопроводов. Расчет потерь давления при параллельном соединении простых трубопроводов. Расчет потерь давления в разветвленном трубопроводе.

 

Раздел V. Одномерные течения сжимаемого газа.

 

Тема 18. Основные уравнения течений сжимаемого газа.

Распространение малых возмущений (звука) в жидкостях и газах. Изотермическая и адиабатическая скорости звука. Число Маха. Соотношения между амплитудами параметров в звуковой волне. Гидравлический удар.

Особенности проявления законов сохранения в сжимаемом газе. Уравнение Бернулли для изотермического течения идеального газа. Уравнение Бернулли для адиабатного течения идеального газа.

Основные уравнения адиабатных течений идеального газа. Связь между параметрами газа в потоке с параметрами заторможенного газа.

Критические значения параметров газа и их связь с параметрами заторможенного газа.

 

Тема 19. Движение газа в трубе переменного сечения

Истечение газа через отверстие в баке. Формула Сен-Венана-Вентцеля. Явление запирания потока при истечении газа через отверстие в баке. Критический расход газа. Скоростной коэффициент и его связь с числом Маха.

Уравнение Гюгонио. Условия перехода значений скорости газа через скорость звука. Изменение скорости газа при движении в диффузорах и конфузорах. Сопло Лаваля и режимы его работы.

 

Тема 20. Ударные волны.

Распространение конечных возмущений в газах. Механизм формирования скачка уплотнения (ударной волны). Основные уравнения (неразрывности, движения, Бернулли) для ударной волны. Соотношения между скоростями газа перед и за фронтом ударной волны. Соотношения для скачков давления, плотности и температуры в ударной волне. Скорость распространения ударной волны. Уравнение ударной адиабаты (адиабата Гюгонио).

 

Раздел VI. Специальные течения жидкостей и газов

 

Тема 21. Обтекание тел потоком жидкости и газа.

Течение жидкостей у твердых поверхностей.Пограничный слой. Зависимость толщины пограничного слоя от числа Рейнольдса. Отрыв пограничного слоя. Вихревая зона.

Силы, действующие на тела, обтекаемые потоком жидкости и газа. Коэффициенты лобового сопротивления и подъемной силы. Зависимость коэффициента лобового сопротивления при обтекании шара от числа Рейнольдса. Формула Стокса. Кризис сопротивления. Механизм формирования подъемной силы. Качество крыла. Эффект Магнуса.

Тема 22. Течение жидкости в круглой трубе

Характер течения жидкостей на начальном участке и при стабилизированном течении жидкостей в круглых трубах (течение Пуазейля). Профиль скорости. Расход. Потери давления.