Кулагин В.А., Криволуцкий А.С., Истягина Е.Б. Гидрогазодинамика

Подождите немного. Документ загружается.

Êðàñíîÿðñê

ÈÏÊ ÑÔÓ

2009

Ãèäðîãàçîäèíàìèêà

Ýëåêòðîííûé ó÷åáíî-ìåòîäè÷åñêèé êîìïëåêñ

Áàíê òåñòîâûõ çàäàíèé â ñèñòåìå UniTest

Ó÷åáíàÿ ïðîãðàììà äèñöèïëèíû

Ó÷åáíîå ïîñîáèå

Ëàáîðàòîðíûé ïðàêòèêóì

Ìåòîäè÷åñêèå óêàçàíèÿ ïî ñàìîñòîÿòåëüíîé ðàáîòå

УДК 532.5(075)

ББК 22.253я73

К90

Электронный учебно-методический комплекс по дисциплине «Гидрогазодинами-

ка» подготовлен в рамках реализации Программы развития федерального государст-

венного образовательного учреждения высшего профессионального образования

«Сибирский федеральный университет» (СФУ) на 2007–2010 гг.

Рецензенты:

Красноярский краевой фонд науки;

Экспертная комиссия СФУ по подготовке учебно-методических комплексов дис-

циплин

К90 Гидрогазодинамика [Электронный ресурс] : метод. указания по самостоя-

тельной работе / сост. : Е. Б. Истягина, А. С. Криволуцкий. – Электрон. дан.

(3 Мб). – Красноярск : ИПК СФУ, 2009. – (Гидрогазодинамика : УМКД

№ 1555/977–2008 / рук. творч. коллектива В. А. Кулагин). – 1 электрон. опт.

диск (DVD). – Систем. требования : Intel Pentium (или аналогичный процессор

других производителей) 1 ГГц ; 512 Мб оперативной памяти ; 50 Мб свободно-

го дискового пространства ; привод DVD ; операционная система Microsoft

Windows XP SP 2 / Vista (32 бит) ; Adobe Reader 7.0 (или аналогичный продукт

для чтения файлов формата pdf).

ISBN 978-5-7638-1692-1 (комплекса)

Номер гос. регистрации в ФГУП НТЦ «Информрегистр» 0320902511 (ком-

плекса)

Настоящее издание является частью электронного учебно-методического ком-

плекса по дисциплине «Гидрогазодинамика», включающего учебную программу дис-

циплины, учебное пособие, лабораторный практикум, наглядное пособие «Гидрогазо-

динамика. Презентационные материалы», контрольно-измерительные материалы

«Гидрогазодинамика. Банк тестовых заданий».

Рассмотрены основные виды самостоятельной работы при изучении дисциплины

«Гидрогазодинамика».

Предназначена студентам направления подготовки бакалавров 140100.62 «Тепло-

энергетика и теплотехника» укрупненной группы 140100 «Энергетика».

Рекомендовано к изданию

Инновационно-методическим управлением СФУ

Редактор Н. А. Варфоломеева

Разработка и оформление электронного образовательного ресурса: Центр технологий элек-

тронного обучения Информационно-телекоммуникационного комплекса СФУ; лаборатория

по разработке мультимедийных электронных образовательных ресурсов при КрЦНИТ

Содержимое ресурса охраняется законом об авторском праве. Несанкционированное копирование и использование данного про-

дукта запрещается. Встречающиеся названия программного обеспечения, изделий, устройств или систем могут являться зарегистрирован-

ными товарными знаками тех или иных фирм.

Подп. к использованию 30.11.2009

Объем 3 Мб

Красноярск: СФУ, 660041, Красноярск, пр. Свободный, 79



Гидрогазодинамика. Метод. указания к самостоятельной работе 3

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ .................................................... 5

1. СТРУКТУРА САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ ........ 6

2. ИЗУЧЕНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА ....... 8

Вопросы для самостоятельного изучения ............................................... 8

Модуль 1. Общие законы и уравнения статики и динамики

жидкостей и газов ...................................................................................................... 8

Раздел 1. Кинематика жидкой среды ....................................................................... 8

Раздел 2. Законы сохранения и основные уравнения гидрогазодинамики ........... 9

Раздел 3. Одномерное течение несжимаемой жидкости ........................................ 9

Модуль 2. Двухфазные потоки жидкости и газа ................................................. 10

Раздел 4. Двухфазные течения .............................................................................. 10

Раздел 5. Неодномерные течения вязкой несжимаемой жидкости ..................... 11

Раздел 6. Газовые течения. Современные проблемы гидрогазодинамики ........ 11

3. РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ ................................................. 12

4. Подготовка к выполнению

лабораторных работ ................................................ 55

5. РЕАЛИЗАЦИЯ ГРАФИКА УЧЕБНОГО ПРОЦЕССА

И САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ ............................ 56

6. МЕТОДИКА ПРИМЕНЕНИЯ

КРЕДИТНО-РЕЙТИНГОВОЙ СИСТЕМЫ .................. 57

7. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ

ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ .......................... 58

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ........................... 59

Основной ........................................................................................................ 59

Дополнительный .......................................................................................... 59

Методическая литература ........................................................................... 59

Электронные и интернет-ресурсы ............................................................ 60

Перечень наглядных и других пособий, методических указаний и

материалов по техническим средствам обучения ................................ 61

ПРИЛОЖЕНИЯ .......................................................... 62

Приложение 1. Единицы измерения физических величин .................. 62

Приложение 2. Техническая характеристика рабочих жидкостей ...... 63

Приложение 3. Зависимость коэффициента трения

от критерия Re

и степени шероховатости

.................................................................... 64

ОГЛАВЛЕНИЕ



Гидрогазодинамика. Метод. указания к самостоятельной работе 4

Приложение 4. Значения коэффициентов местных сопротивлений 65

Приложение 5. Физические характеристики воды на линии

насыщения ..................................................................................................... 66

Приложение 6. Краткая таблица газодинамических функций

(k = 1,4; М = 0

÷2)............................................................................................ 67

Приложение 7. Краткая таблица газодинамических функций

(k = 1,4; М = 2

÷4)............................................................................................ 72

Приложение 8. График учебного процесса и самостоятельной

работы студентов ......................................................................................... 73

Приложение 9. Трудоемкость модулей и видов учебной работы ..... 74

Приложение 10. Структура банка тестовых заданий ............................ 75



Гидрогазодинамика. Метод. указания к самостоятельной работе 5

Механика жидкости и газа является фундаментальной наукой, изучаю-

щей движение и равновесие жидких и газообразных сред и их взаимодейст-

вие с твердыми телами. Дисциплина «Гидрогазодинамика» является базовой

при подготовке бакалавров, обучающихся по направлению 140100.62 «Теп-

лоэнергетика и теплотехника», и дает ясное представление как о теоретиче-

ских методах расчета движения жидкости и газа, так и о практическом при-

ложении этих методов для расчета теплотехнического оборудования различ-

ного назначения.

Студенты должны уметь определять гидравлические потери в совре-

менных теплотехнических и водопроводных системах и их элементах, рас-

считать поля скоростей, давлений, температур, концентрации вещества и

плотности, а также связи между этими полями.

Целью настоящих методических указаний является формирование чет-

ких знаний по методологии расчета движения несжимаемой и сжимаемой

жидкости в каналах различной формы и приобретение практических навыков

использования основных уравнений механики жидкости и газа.

Применение в технике измерительных приборов, градуированных в

единицах различных систем, вызывает необходимость знаний соотношения

между различными единицами измерения и умения переводить одни едини-

цы в другие. В связи с этим в отдельных задачах применены системы изме-

рения единиц СИ и МКГСС.

Опыт преподавания гидрогазодинамики показывает, что сознательное

овладение курсом возможно только на основе систематического решения задач

– процесса, развивающего самостоятельное инженерное мышление. При разра-

ботке данных методических указаний ставилась цель добиться возможно более

широкого тематического разнообразия и нестандартности задач: многие из них

имеют повышенную сложность и требуют вариантного анализа результатов

решения. Широко используются графические методы решения, дающие воз-

можность просто и наглядно проанализировать влияние различных факторов

на результаты.

Для лучшего усвоения основ гидрогазодинамики и развития практиче-

ских навыков в решении конкретных задач можно рекомендовать следующий,

по мнению авторов, наиболее плодотворный путь.

Ознакомившись с соответствующим введением и методическими указа-

ниями по решению типовых задач, следует переходить к самостоятельному

решению нескольких задач выбранной главы. Ответы полезно анализировать,

выясняя степень влияния на них различных параметров рассматриваемых

систем.



Гидрогазодинамика. Метод. указания к самостоятельной работе 6

Самостоятельная работа студентов согласно структуре дисциплины

«Гидрогазодинамика» (табл. 1.1) включает:

изучение теоретического курса (ТО): самостоятельная проработка сту-

дентами отдельных вопросов теоретического курса. Вопросы, выносимые на

самостоятельную проработку, отмечены в п. 3.2 [16] символом * с указанием

трудоемкости ТО по темам. Общая трудоемкость самостоятельного теорети-

ческого обучения – 50 ч. Самостоятельно изучаемые вопросы курса включа-

ются в экзаменационные билеты [16];

решение задач (РЗ): направлено на закрепление теоретического мате-

риала по темам «Физические свойства жидкости», «Гидростатика», «Кинема-

тика несжимаемой жидкости», «Динамика невязкой несжимаемой жидко-

сти», «Динамика вязкой жидкости», «Газовая динамика». Студентам выдают-

ся задачи в соответствии с графиком учебного процесса (см. прил. 3). Общее

количество задач – 24. По три задачи по темам «Физические свойства жидко-

сти», «Гидростатика»; шесть задач по теме «Кинематика несжимаемой жид-

кости»; пять задач по теме «Динамика невязкой несжимаемой жидкости»; по

четыре задачи по темам «Динамика вязкой жидкости», «Газовая динамика».

Всего часов на решение задач 30.

Выдача задач производится лектором по дисциплине на 3-й, 7-й и 13-й

неделях обучения в 4-м семестре. Сдача решенных задач лектору – на 5-й, 11-й

и 16-й неделе 4-го семестра.

Решенные задачи представляются в виде машинописного текста,

оформленного в соответствии с общими требованиями, изложенными в СТП

01-2007;

подготовка к выполнению лабораторных работ (ЛР) включает про-

токолы отчетов по лабораторным работам, повторение теоретического мате-

риала, связанного с выполнением лабораторных работ. Выдача заданий на

подготовку осуществляется в соответствии с графиком учебного процесса

(см. прил. 8).

Отчеты по лабораторным работам представляются в виде машинопис-

ного текста, оформленного в соответствии с общими требованиями, изложен-

ными в СТП 01-2007.

Объем дисциплины и виды учебной работы приведены в табл. 1.1. Мо-

дули и разделы дисциплины и виды занятий в зачетных единицах (з. е.) и ча-

сах (тематический план занятий) приведены в табл. 1.2.

1. СТРУКТУРА САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ



Гидрогазодинамика. Метод. указания к самостоятельной работе 7

Таблица 1.1

Вид учебной работы

Всего

зачетных еди-

ниц

(часов)

Семестр 4

Общая трудоемкость дисциплины

5,0 (180)

Аудиторные занятия:

2,36 (85)

лекции

1,42 (51)

лабораторные работы (ЛР)

0,94 (34)

Самостоятельная работа:

2,64 (95)

изучение теоретического курса (ТО)

1,39 (50)

решение задач

0,83 (30)

подготовка к лабораторным работам (ЛР)

0,42 (15)

Вид итогового контроля (зачет, экзамен)

экзамен

Таблица 1.2

№

п/п

Модули и разделы дисциплины

Лекции,

зачетные

единицы

(часы)

ЛР,

зачетные

единицы

(часы)

Самостоя-

тельная ра-

бота, зачет-

ные едини-

цы

(часы)

Реализуемые

компетенции

Модуль 1. Общие законы

и уравнения статики и дина-

мики жидкостей и газов

0,835 (30) 0,444 (16) 0,666 (24)

ОНК-2

ИК-3 ПК-1

ПК-2

ОНК-2

ОНК-3 ИК-3

СЛК-1 ПК-2

ПК-1 ПК-7

ОНК-2

ОНК-3 ИК-3

ПК-1 ПК-2

ПК-1 ПК-12

1.1 Кинематика жидкой среды 0,167 (6) 0,167 (6) 0,222 (8)

1.2

Законы сохранения и основные

уравнения гидрогазодинамики

0,334 (12) 0,111 (4) 0,222 (8)

1.3

Одномерное течение несжимае-

мой жидкости

0,334 (12) 0,167 (6) 0,222 (8)

Модуль 2. Двухфазные потоки

жидкости и газа

0,583 (21) 0,5 (18) 0,722 (26)

ОНК-2

ИК-3 ПК-1

ПК-2 ПК-1

ПК-13 ПК-14

ОНК-2

ОНК-3 ИК-3

ПК-1 ПК-2,

ПК-14

ОНК-3 ИК-3

СЛК-11 ПК-1

ПК-2 ПК-13

ПК-14

2.4

Двухфазные течения

0,167 (6) 0,111 (4) 0,222 (8)

2.5

Неодномерные течения вязкой несжи-

маемой жидкости

0,222 (8) 0,167 (6) 0,222 (8)

2.6

Газовые течения. Современные про-

блемы гидрогазодинамики

0,194 (7) 0,222 (8) 0,278 (10)



Гидрогазодинамика. Метод. указания к самостоятельной работе 8

Самостоятельной работой студентов по дисциплине «Гидрогазоди-

намика» является изучение вопросов теоретического курса – теоретическое

обучение (ТО), не рассматриваемых на аудиторных занятиях. Трудоемкость

этой работы составляет 1,39 з. е. / 50 ч. Цели и задачи ее заключаются в уг-

лубленной проработке содержания лекций, привитии навыков самостоя-

тельной творческой, в том числе научно-исследовательской, деятельности,

практическом применении знаний и умений, полученных на лекционных

занятиях, изучении вопросов, вынесенных за пределы лекционного курса.

Изучение вопросов, вынесенных на самостоятельное освоение, не-

обходимо студентам при подготовке к лекциям, лабораторным работам, ре-

шению задач и различным видам аттестации, предусматривающим кон-

троль знаний по всему теоретическому курсу. По вопросам для самостоя-

тельного освоения можно указать студентам на полезность составления

конспекта, дополняющего конспект лекций по дисциплине.

Вопросы для самостоятельного освоения приведены на с. 7 данных мето-

дических указаний. По каждому вопросу, вынесенному на самостоятельное ос-

воение, дается список основной литературы с указанием страниц, которые

должны быть проработаны, и список дополнительной литературы, из которой

также можно получить необходимые знания, но без указания конкретных стра-

ниц. Такой подход позволяет сформировать компетенции ИК-4, СЛК-1 и ПК-7.

Самостоятельная работа должна осуществляться как на основе ис-

пользования учебно-методической литературы, так и интернет-ресурсов и

специализированных программных средств [17-19, 21].

Самостоятельное изучение теоретического материала является

элементом обучения самостоятельному приобретению новых знаний как

одной из важнейших профессиональных компетенций.

Студенты должны знать, что самостоятельно изучаемые вопросы курса

включены в контрольно-измерительные материалы для проведения проме-

жуточного контроля и итоговой аттестации по дисциплине (экзамена).

Тема 1. Введение

Краткие исторические сведения о развитии науки.

Тема 2. Основные физические свойства жидкостей и газов

Элементы термодинамики и молекулярно-кинетической теории;

2. ИЗУЧЕНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА

Вопросы для самостоятельного изучения



Гидрогазодинамика. Метод. указания к самостоятельной работе 9

Особые свойства воды.

Тема 3. Кинематика

Связь между эйлеровым и лагранжевым способами задания движения;

Тождественность тензоров деформации при эйлеровом и лагранжевом

методе задания движения в случае малых деформаций;

Связь между тензором деформации и тензором скорости деформации,

тензором поворота и тензором вращения.

Тема 4. Уравнение движения в напряжениях

Силы, действующие в жидкостях; напряжения поверхностных сил;

напряженное состояние;

Нормальные и касательные напряжения, их совокупность, выражаемая

тензором.

Тема 5. Гидростатика

Два способа выражения и отсчета давления;

Гидростатический закон давления. Равновесие атмосферы, распределе-

ние давления по высоте;

Плавание тел в жидкости (газе);

Устойчивость равновесия в условиях теплообмена.

Тема 6. Основные уравнения гидрогазодинамики

Уравнение энергии для струйки несжимаемой и сжимаемой жидкости.

Тема 7. Уравнения движения идеальной жидкости и газа

Ограничения на скорости движения жидкостей и газов;

Уравнение Бернулли для относительного движения;

Трубка Пито;

Бароклинная жидкость (примеры возникновения вихрей).

Тема 8. Уравнения Навье-Стокса

Уравнение переноса теплоты;

Слоистые движения вязкой жидкости (течения в каналах, трубах);

Уравнение Бернулли для трубки тока конечных размеров для простых

течений.

Тема 9. Основные законы моделирования

Математические модели и использование ЭВМ;

Частные законы гидродинамического подобия;

Определение коэффициентов Кориолиса и Буссинеска;

Определение местных и путевых потерь;

Моделирование движения жидкости в напорных трубопроводах, от-

крытых руслах, сооружениях, гидропневмосистемах и гидромашинах.

Тема 10. Виды записи уравнения энергии;

Физический смысл членов уравнения Бернулли;

2. ИЗУЧЕНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА

Вопросы для самостоятельного изучения



Гидрогазодинамика. Метод. указания к самостоятельной работе 10

Примеры его практического применения;

Общая природа гидравлических сопротивлений;

Структура формул для вычисления потерь удельной энергии (напора).

Тема 11. Равномерное движение жидкости

Сопротивления по длине, основная формула потерь;

Зоны гидродинамического сопротивления;

Законы распределения скоростей и сопротивление при турбулентном

течении жидкости в трубах;

Наиболее употребительные формулы для гидравлического коэффици-

ента трения.

Тема 12. Истечение жидкости и газа через отверстия и насадки

Насадки различных видов;

Затопленные струи жидкости и газа;

Структура течения и расчетные зависимости;

Струи в ограниченном и полуограниченном пространстве.

Тема 13. Одномерное неустановившееся движение

Случаи малых ускорений – истечение из резервуаров при переменном

напоре;

Уравнение Бернулли для газа;

Изотермическое и адиабатное движение газа в трубах.

Тема 14. Местные гидравлические сопротивления

Сложение потерь напора;

Расчет тяги дымовой трубы;

Расчет газопроводов систем вентиляции и газоходов.

Тема 15. Одномерные движения сжимаемой жидкости

Контактные разрывы и ударные волны;

Соотношения на разрыве.

Тема 16. Виды двухфазных потоков и их классификация

Системы газ – твердые частицы, жидкость – твердые частицы;

Установившееся и неустановившееся течение газожидкостных смесей;

Расход жидкости, газа и газожидкостной смеси;

Принципы гидравлического расчета отстойников;

Понятие о псевдосжиженном слое.

Тема 17. Использование законов сохранения для двухфазных потоков

Перенос импульса через поверхность в смесях;

Взаимодействие на границе раздела фаз;

Условия совместности на границе раздела фаз для потока массы, им-

пульса и энергии.