Материал: Гидрогазодинамика. учебное пособие. Муравьев А.В., Кожухов Н.Н

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Воронежский государственный технический университет»

А. В. Муравьев, Н. Н. Кожухов, И. Г. Дроздов

ГИДРОГАЗОДИНАМИКА

Учебное пособие

В двух частях

Часть 2

Воронеж 2021

1

ВВЕДЕНИЕ

Вучебном пособии излагаются разделы гидромеханики и газодинамики, важные для инженера теплоэнергетического профиля. Рассматриваются понятия и методы гидравлики, теоретической и технической гидромеханики, газодинамики, их применение к решению задач о движении жидкости и газа в трубах и о внешнем обтекании тел. Отдельные главы посвящены течениям газа в решетках турбомашин, в диффузорах и инжекторах. В основе пособия лежит материал работы [1].

Совместно с технической термодинамикой гидрогазодинамика является научной основой теории и методов расчета турбомашин (турбин, компрессоров, насосов) и различных систем, используемых в современной теплоэнергетике (трубопроводов, расходомеров, эжекторов и т.п.). Поэтому изучение данного курса предшествует таким специальным курсам, как «Нагнетатели и тепловые двигатели», «Котельные установки и парогенераторы», «Высокотемпературные теплотехнологические процессы и установки», «Источники и системы теплоснабжения». Курс гидрогазодинамики имеет в ряде случаев и самостоятельное значение, так как в нем излагаются, принципы и методы расчета отдельных теплоэнергетических систем.

Всвою очередь гидрогазодинамика опирается на курсы математики, физики, теоретической механики и технической термодинамики.

Ограниченный объем настоящего пособия вынуждает по возможности сокращать математические выкладки, обращая основное внимание на физический смысл явлений. Для более глубокого изучения курса рекомендуются литературные источники, приведенные в конце пособия.

Многие измерительные и контрольные приборы, а также справочники, которые до сих пор применяются в теплоэнергетике для гидромеханических расчетов, используют техническую систему единиц.

Материальная система может быть как дискретной, что имеет место в теоретической механике, так и сплошной, имеющей непрерывное распределение вещества и его физических характеристик в пространстве. В этом случае материальную систему называют сплошной средой, простейшим примером которой является абсолютно твёрдое тело. Более общий случай изменяемой сплошной среды объединяет как упругие и пластические, так и жидкие и газообразные тела. Раздел теоретической механики, изучающий движение подобного рода тел, носит название механики сплошной среды, а часть ее, относится к жидкостям и газообразным телам, – механики жидкости и газа.

Указанный термин «механика жидкости и газа» получил все более широкое распространение, придя на смену ранее употреблявшемуся термину «гидромеханика», включавшему в себя как механику жидкости, так и механику газов, в частности воздуха. Бурное развитие воздухоплавания привело к возникновению аэромеханики, изучающей силовое воздействие воздуха с движущимися в нем телами.

3

Дальнейшее развитие знаний в области движения сжимаемых сред привело к возникновению газовой динамики, а применение ее результатов к авиационной и ракетной технике к созданию новой дисциплины – аэротермодинамики, под которой понимается механика и термодинамика газа, движущегося с большими сверх- и гиперзвуковыми скоростями.

Современный этап развития механики жидкости и газа и ее инженерного приложения характеризуется все большей связью с физикой. Требования ракетной техники поставили новые задачи, связанные, с одной стороны, с гиперзвуковыми скоростями движения тел сквозь атмосферу в широком диапазоне высот, с другой – с движениями газов в камерах сгорания жидкостных ракетныэ двигателей (ЖРД), соплах двигателей и газогенераторах.

Ряд специфических условий течения газов, таких как, диссоциация и ионизация газа, разрушение твердой поверхности движущегося тела, излучение тепла движущимся телом и самим газом и т.д. приводит к тому, что предмет механики жидкости и газа нельзя сводить просто к тому механическому движению жидкости и газа и просто к механическому воздействию их с твердыми телами. Следовательно, надо иметь в виду, что механическое движение сопровождается сложными физическими процессами, которыми не только нельзя пренебрегать, а которые в большом числе практических важных задач играют главную роль.

Кроме уже упомянутого основного свойства принятой модели жидкой и газообразной среды, для динамики существенно второе свойство жидкостей и газов – ее легкая подвижность или текучесть, выражающаяся в том, что для большинства жидкостей касательные напряжения в среде отличны от нуля, только при наличии относительного движения сдвига между слоями жидкости. В этом как раз заключается отличие жидкой среды от упругой, где касательные напряжения, обусловленные наличием деформации (а не скоростей деформаций) сдвига, отличны от нуля и при относительном покое среды.

Количественная связь между скоростями сдвига и касательными напряжениями может быть различной и изучается в специальном курсе-реологии.

В этом пособии рассматривается преимущественно две простейших модели жидкости: идеальная (без внутреннего трения) и вязкая (ньютоновская, с напряжениями трения, пропорциональным скоростям сдвига), т.е. подчиняющимся закону du / dn, где – динамический коэффициент вязкости, связанный с кинематическим коэффициентом вязкости, следующим соотношением

.

Обладая общими свойствами непрерывности и легкой подвижности, жидкости и газы отличаются друг от друга по своим физическим свойствам, связанным с их молекулярной структурой. Расстояния между молекулами в жидкости крайне малы, следствием чего является большие молекулярные силы сцепления. Поэтому, в отличие от газов, жидкости можно считать малосжимаемыми, а иногда – просто несжимаемыми.

4