Г?дроаеромехан?ка

Матер?ал з В?к?пед?? ? в?льно? енциклопед??.
Перейти до нав?гац?? Перейти до пошуку
Механ?ка суц?льних середовищ
Див. також: Портал:Ф?зика

Г?дроаеромеха?н?ка  ? розд?л механ?ки , пов'язаний з вивченням р?вноваги й руху р?динних ? газопод?бних середовищ, а також ?хньо? вза?мод?? м?ж собою ? з твердими т?лами.

?нш? назви, що можуть застосовуватись до цього розд?лу науки, як навчально? дисципл?ни у вищих навчальних закладах: ≪механ?ка р?дин та газ?в≫, ≪г?дрогазодинам?ка≫ або ≪г?дрогазомехан?ка≫.

Задач? г?дроаеромехан?ки [ ред. | ред. код ]

На р?зних етапах розвитку назва ? зм?ст дисципл?ни зм?нювались, вона розд?лялась на частини у самост?йн? курси, зм?нювались ?? ц?л? ? задач?. Сучасна г?дроаеромехан?ка базу?ться на досягненнях г?дромехан?ки , розвиток яко? йшов двома р?зними шляхами: теоретичним (теоретична г?дромехан?ка, що за сво?м зм?стом та методами вивчення ? складовою частиною теоретично? механ?ки ) ? експериментальним (г?дравл?ка ? стародавня наука про теч?ю води). Г?дроаеромехан?ка у свою чергу дала початок самост?йним напрямкам таким як ≪газодинам?ка≫, ≪аеродинам?ка≫, ≪техн?чна г?дромехан?ка≫ та ?н.

Найголовн?шою задачею г?дроаеромехан?ки як науки ? встановлення закон?в розпод?лу швидкостей ? тиск?в п?д час руху р?дини, а також вивчення силово? вза?мод?? м?ж р?диною ? твердими т?лами, розм?щеними у н?й.

Г?дрогазомехан?ка ? нев?д'?мною частиною комплексу техн?чних наук, необх?дних для п?дготовки сучасного ?нженера . Практично ус? галуз? народного господарства включають питання теоретично? г?дромехан?ки, експлуатац?? г?дроустаткування та технолог?й у процесах яких беруть участь р?дини та гази. Г?дроаеромехан?ка займа? одне з пров?дних м?сць при п?дготовц? ?нженер?в, що працюють в атомн?й енергетиц?, ав?ац??, суднобудуванн?, промислов?й теплоенергетиц?, г?дроенергетиц?, буд?вництв? г?дроспоруд та ?н.

Г?дроаеромехан?ка вивча? проходження через пласт (ф?льтрац?ю) флю?д?в . Флю?дом може виступати газ або р?дина (ньютон?вська або не ньютон?вська). Основний закон ц??? науки - закон Дарс? .

?стор?я розвитку [ ред. | ред. код ]

У розвитку г?дромехан?ки можна вид?лити дек?лька характерних етап?в: стародавн?й, пер?од середньов?ччя, в?дродження, перша техн?чна революц?я, сучасний етап. Поступово у процес? прац? людини накопичувались окрем? спостереження, в?дкривались законом?рност? руху р?дини та газу, котр? пройшовши певний етап оформились у визначену систему-науку.

Уже у стародавньому св?т? було накопичено багато спостережень та винайдено ц?кав? г?дравл?чн? та пневматичн? пристро?. Окрем? спостереження були викладен? у працях давньогрецького ф?лософа Ар?стотеля (IV ст. до н. е.). Частину закон?в г?дростатики сформулював великий математик та механ?к Стародавньо? Грец?? Арх?мед .

Великий внесок у розвиток основ г?дромехан?ки зробили Леонардо да В?нч? (1452?1519), Стев?н (1548?1620), Гал?лей (1564?1642), Паскаль (1623?1662), Гюйгенс (1629?1695). Ньютон (1642?1727) у сво?х ≪Математичних началах натурально? ф?лософ??≫ ( лат. Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica ) встановив квадратичний закон залежност? опору рухов? в?д швидкост?.

Початок теоретично? г?дромехан?ки було покладено у XVIII стол?тт? працями академ?к?в Петербурзько? академ?? наук Леонарда Ейлера (1707?1783), Д.Бернулл? (1700?1782). Л. Ейлером було виведено р?вняння р?вноваги ? руху р?дин та газ?в, отримано деяк? ?х ?нтеграли та сформульовано закон збереження маси щодо р?дини. Л. Ейлер вив?в основне р?вняння лопатевих г?дромашин, досл?див питання руху стосовно практичних задач суднобудування та конструювання г?дравл?чних машин. Д. Бернулл? вперше ув?в терм?н ≪Г?дромехан?ка≫. В?н встановив залежн?сть м?ж питомими енерг?ями при рус? р?дини, досл?див тиск струменя р?дини на пластину. Под??ю в ?стор?? розвитку ф?зичних наук стало видання у 1738 роц? його книги ≪Г?дродинам?ка≫ ( лат. ≪Hydrodynamica, sive de Viribus et Motibus Fluidorum commentarii. Opus Academicum…≫ ).

Подальший етап розвитку г?дромехан?ки, що об'?днав к?нець XVIII ? початок XIX стол?ть, характерний математичною розробкою г?дродинам?ки ?деально? р?дини. У цей пер?од вийшли прац? математик?в Лагранжа (1736?1813), Кош? (1789?1857), присвячен? потенц?альним потокам, теор?? хвиль та ?н. Основи теор?? в'язко? р?дини були закладен? Нав'? (1785?1836) та Стоксом (1819?1903). У 1881 р. професор Казанського ун?верситету ?. С. Громеко (1851?1889) дав нову форму р?внянь руху р?дини, зручну для отримання енергетичних залежностей. Ним же були вперше проведен? досл?дження нестац?онарного руху р?дини в кап?лярах. ?.Пулюй (1845?1918) у 1876 р. захистив докторську дисертац?ю ≪Залежн?сть внутр?шнього тертя газ?в в?д температури≫, у як?й в?н опубл?кував результати досл?джень температурно? залежност? в'язкост? газ?в.

Англ?йський ф?зик О.Рейнольдс (1842?1912) у сво?х досл?дах встановив закон под?бност? поток?в у в трубах ? введено криткр?й под?бност?, що назива?ться числом Рейнольдса . Його роботами було започатковано досл?дження явища турбулентност? в потоках р?дин ? газ?в. Ц?лу епоху складають досл?дження з пов?троплавання, що включа? розробку теор?? польоту л?така та ракети. Результати цих та ?нших досл?джень були викладен? в працях вчених Д. ?. Мендел??ва (1834?1907), М. ?. Жуковського (1849?1912), С. Д. Чаплиг?на (1869?1942). Розроблена теор?я крила ? пов?тряного гвинта М. ?. Жуковським мала значення не т?льки для ав?ац??, але ? для сучасного турбомашинобудування. Жуковський М. ?., як Ейфель (1832?1923) у Франц??, Людв?? Прандтль (1875?1950) в Н?меччин? був творцем експериментально? аеромехан?ки. В?н створив в?домий у всьому св?т? аерог?дродинам?чний ?нститут ЦАГ?. Важлив? досл?дження у подальшому виконали М. ?. Коч?н, А. ?. Некрасов, М. В. Келдиш, М. А. Лавренть?в, Л. ?. С?дов. Великий вклад в теор?ю реактивного руху зробили Ц?олковський (1857 ? 1935), ?. В. Мещерський(1859 ? 1935), А. А. Фр?дман (1888 ? 1925).

Сучасний етап розвитку г?дромехан?ки характеризу?ться появою ?? нових розд?л?в: ф?зико-х?м?чно? г?дромехан?ки, електромагн?тно? г?дромехан?ки, пов'язаних з багатьма новими галузями техн?ки. Механ?ка р?дини у багатьох випадках важко п?дда?ться математичному опису. Ця проблема вир?шу?ться за допомогою числових метод?в з використанням комп'ютер?в. Сучасний розд?л дисципл?ни, що отримав назву обчислювально? г?дродинам?ки (Computational fluid dynamics ? CFD), присвячений вир?шенню задач механ?ки р?дини. Розвивають також технолог?? в?зуал?зац?? характеру прот?кання р?дини математичного моделювання та експериментальн? методи в?зуал?зац?? та анал?зу потоку р?дини.

Зв'язок з механ?кою суц?льних середовищ [ ред. | ред. код ]

Механ?ка р?дин та газ?в ? складовою частиною механ?ки суц?льних середовищ як подано у таблиц? нижче.

Механ?ка суц?льних середовищ : вивчення повед?нки суц?льних середовищ Механ?ка деформ?вного твердого т?ла : вивчення повед?нки твердих т?л в умовах навантажень. Теор?я пружност? : опису? матер?али, котр? в?дновлюють свою форму п?сля припинення силового впливу на них.
Механ?ка руйнування : опису? законом?рност? зародження ? розвитку неоднор?дностей ? дефект?в структури матер?алу типу тр?щин, дислокац?й, пор, включень тощо при статичних ? динам?чних навантаженнях.
Теор?я пластичност? : опису? матер?али (т?ла) що набувають незворотно? деформац?? п?сля прикладання до них силових вплив?в. Реолог?я : досл?дження матер?ал?в, що характеризуються одночасно властивостями твердих т?л ? р?дин.
Механ?ка р?дин та газ?в : досл?дження повед?нки суц?льних середовищ (р?дин та газ?в), що набувають форми посудини, у як?й вони знаходяться. Неньютон?вськ? р?дини
Ньютон?вськ? р?дини

Об'?ктом вивчення г?дроаеромехан?ки ? р?дина . П?д р?диною у г?дрогазодинам?ц? розум?ють крапельн? р?дини, що ?х вважають нестисливими , а також гази, якщо швидк?сть ?хнього руху значно менша за швидк?сть звуку у них.

Основн? припущення [ ред. | ред. код ]

Як у будь-як?й математичн?й модел? реального св?ту у г?дроаеромехан?ц? роблять деяк? припущення про властивост? матер?алу, що вивча?ться. Ц? припущення перетворюються у р?вняння, що завжди повинн? виконуватись. Наприклад, розглянемо нестисливу р?дину у трьох вим?рах. Припущення, що маса збер?га?ться означа?, що для будь-яко? ф?ксовано? замкнуто? поверхн? (наприклад, сфера) швидк?сть масового переходу вззовн? до середини повинна бути такою ж, як швидк?сть масового проходження в ?нший б?к. (Кр?м того, маса всередин? залиша?ться незм?нною, так само як ? маса зовн?).

Механ?ка р?дини передбача?, що вс? р?дини п?дпорядкову?ться наступним законам та г?потезам:

Зг?дно з г?потезою про суц?льн?сть середовища , реальн? дискретн? об'?кти зам?нюються спрощеними моделями, як? подаються як матер?альний континуум, тобто матер?альне середовище, маса якого нерозривно розпод?лена по об'?му. Така ?деал?зац?я спрощу? реальну дискретну систему ? дозволя? використовувати для ?? опису добре розвинений математичний апарат числення неск?нченно малих величин та теор?ю нерозривних функц?й.

Параметри, що характеризують термодинам?чний стан, спок?й чи рух середовища, вважаються при цьому нерозривно зм?нними по всьому об'?му, зайнятому середовищем.

Кр?м того, часто бува? корисно (для дозвукових швидкостей) вважати р?дину нестисливою ? тобто густина р?дини не зм?ню?ться. Р?дини часто можуть бути змодельован? як нестискуван? р?дини, про гази цього сказати не можна.

У г?дроаеромехан?ц? зустр?ча?ться низка задач, коли можна знехтувати ? в'язк?стю, приймаючи, що дотичн? напруження в?дсутн? так, як це ма? м?сце у р?дин?, що перебува? у стан? спокою. Гази часто можна вважати нев'язкими. Якщо р?дина в'язка, ? ?? пот?к, що м?ститься в деякому русл? (наприклад, в труб?), то пот?к на ст?нц? повинен мати нульову швидк?сть. Це явище назива?ться прилипанням. Для пористих середовищ, на меж? посудини, швидк?сть не ? нульовою.

Описана вище г?потетична р?дина з перел?ченими властивостями, а саме:

  • абсолютною незм?нн?стю об'?му;
  • повною в?дсутн?стю в'язкост? назива?ться ?деальною р?диною .

Поняття ?деально? р?дини вперше було введено Л.Ейлером.

Така р?дина ? граничною абстрактною моделлю ? лише наближено в?добража? об'?ктивно ?снуюч? властивост? реальних р?дин. Ця модель да? змогу з достатньою точн?стю розв'язувати багато дуже важливих питань г?дрогазодинам?ки ? сприя? спрощенню складних задач.

Докладн?ше: ?деальна р?дина

Модел? в'язкост? р?дин [ ред. | ред. код ]

Докладн?ше: В'язк?сть

Властив?сть р?дини або газу чинити оп?р прикладеним зусиллям зсуву називають в'язк?стю .

В'язк?сть р?дин ? це результат вза?мод?? внутр?шньомолекулярних силових пол?в, що перешкоджають в?дносному рухов? двох шар?в р?дини. Отже для перем?щення шару один в?дносно одного треба подолати ?х вза?мне притягання, причому чим воно б?льше, тим б?льша потр?бна сила зсуву. Таким чином, внутр?шн? тертя в р?дин?, на в?дм?ну в?д газ?в, зумовлене не обм?ном молекул, а ?х вза?мним притяганням. Доказом цього ? те, що ?з зб?льшенням температури, як в?домо, обм?н молекул зроста? ? тертя в газах зроста?, а в р?динах спада?.

Уперше в'язк?сть вивчав Ньютон. Закон в'язкого тертя Ньютона запису?ться виразом

,

де:  ? дотичне напруження зсуву, що виника? м?ж двома паралельними шарами, як? лежать у напрямку потоку;

 ? град??нт швидкост?, тобто зм?на швидкост? на одиницю довжини у перпендикулярному до потоку напрямку (швидк?сть зсуву);
 ? коеф?ц??нт пропорц?йност?, який ? ф?зичним параметром ? назива?ться ≪динам?чна в'язк?сть≫.

Ньютон?вська р?дина  ? модель р?дини, в'язк? властивост? яко? описуються законом в'язкого тертя Ньютона. У загальному випадку у декартов?й систем? координат для ньютон?всько? р?дини ма? м?сце л?н?йна залежн?сть м?ж тензорами напружень ? швидкостей деформац?й.

У протилежному випадку р?дина ма? назву неньютон?вська р?дина

Р?вняння Нав'?-Стокса [ ред. | ред. код ]

Р?вняння Нав'?-Стокса (назван? на честь Клода-Лу? Нав'? ? Джорджа Габр??ль Стокса ) - це система р?внянь у форм? р?внянь неперервност? , що описують основи збереження маси та енерг?? для рухомо? р?дини. Зг?дно з цими р?вняннями зм?на енерг?? елементарно? частки р?дини визнача?ться лише зовн?шн?м тиском ? вн?тр?шн?ми силами в'язкост? в р?дин?.

Для ?деально? р?дини з в?дсутн?стю в'язкост? ц? р?вняння св?дчать, що прискорення прямопропорц?йн? до пох?дно? тиску.

Загальна форма р?внянь [ ред. | ред. код ]

Загальна форма р?внянь Нав'?-Стокса для умови збереження енерг??:

де:  ? густина р?дини;

  •  ? оператор Стокса , що ма?, також, назву субстанц?онально? пох?дно?;
  •  ? вектор швидкост?;
  •  ? вектор прискорення р?дини (масових сил);
  •  ? тензор внутр?шн?х напружень в елементарн?й частц? р?дини.

У загальному, (в декартових координатах) ма? вигляд:

де:

  •  ? нормальн? напруження,
  •  ? дотичн? напруження.

Загального р?шення р?внянь Нав'?-Стокса поки що нема?. В анал?з? р?шень р?внянь поляга? суть одн??? з семи в?дкритих проблем, за р?шення яких Математичний ?нститут Клея призначив прем?ю в 1 млн долар?в США. Проте ?снують деяк? частинн? р?шення для окремих випадк?в, для яких можуть бути задан? граничн? ? початков? умови. Початковими умовами зада?ться розпод?л швидкостей в област? руху у заданий момент часу. Граничними умовами можуть бути тиск ? швидк?сть на границях потоку. Наприклад, б?ля ст?нки швидк?сть часто дор?вню? нулю, а тиск на в?льн?й поверхн? потоку в?дпов?да? атмосферному.

Для безвихрових поток?в ? симетричним тензором. Тод? три р?вняння, по одному для кожного вим?ру, не ? достатн?ми для вир?шення задач?. Однак, додавши, запис закону збереження маси та в?дпов?дних граничних умов система р?внянь може бути розв'язана.

Розд?ли г?дроаеромехан?ки [ ред. | ред. код ]

Г?дростатика  ? розд?л г?дроаеромехан?ки, що вивча? р?дини, яка перебува? у стан? абсолютного чи в?дносного спокою, коли в?дсутн? перем?щення часток одна в?дносно одно?.

К?нематика р?дини  ? розд?л г?дроаеромехан?ки, що вивча? рух р?дини без урахування д?ючих сил. Така властив?сть р?дин ? газ?в, як текуч?сть створю? додатков? ступен? свободи, а розпод?л тиску ста? складн?шим, н?ж розпод?л напружень у твердих т?лах. Тому вивчення руху р?дини ? газу набагато складн?ше за вивчення руху твердих т?л теоретичною механ?кою чи вивчення ?х деформац?й в механ?ц? деформ?вного твердого т?ла .

Прикладна г?дродинам?ка р?дини  ? розд?л г?дроаеромехан?ки, що ?рунтуючись на основах теоретично? г?дромехан?ки вивча? рух р?дини з урахуванням д?ючих на не? сил для типових ?нженерних задач.

Див. також [ ред. | ред. код ]

Л?тература [ ред. | ред. код ]

  • Василенко С. М., Кул?нченко В. Р., Шевченко О. Ю., П?ддубний В. А. Г?дрогазодинам?ка. ? К.: Кондор-Видавництво, 2016. ? 676 с. ? ISBN 978-617-7278-58-9
  • Завойко Б. М., Лещ?й Н. П. Техн?чна механ?ка р?дин ? газ?в: основн? теоретичн? положення та задач? : навч. пос?бник для студ. ?нж.-техн. спец. / За ред. В. М. Жука. - Льв?в : Новий Св?т-2000, 2004. - 120 с. : ?л. + додатки. - (Вища осв?та в Укра?н?). - ISBN 966-7827-44-5 ( PDF-файл )
  • Колчунов В. ?. Теоретична та прикладна г?дромехан?ка: Навч. Пос?бник. ? К.: НАУ, 2004. ? 336 с. - ISBN 966-598-174-9
  • Констант?нов Ю. М., Г?жа О. О. Техн?чна механ?ка р?дини ? газу: П?дручник. ? К.: Вища школа, 2002. ? 277с.:?л. ISBN 966-642-093-7
  • Кул?нченко В. Р. Г?дравл?ка, г?дравл?чн? машини ? г?дроприв?д: П?дручник.- Ки?в: Ф?рма ≪?нкос≫, Центр навчально? л?тератури, 2006. ? 616 с. - ISBN 966-8347-38-2
  • Левицький Б. Ф., Лещ?й Н. П. Г?дравл?ка. Загальний курс. ? Льв?в: Св?т, 1994. ? 264с. ISBN 5-7773-0158-4
  • Мала г?рнича енциклопед?я  : у 3 т. / за ред. В. С. Б?лецького . ? Д.  : Донбас , 2004. ? Т. 1 : А ? К. ? 640 с. ? ISBN 966-7804-14-3 .
  • Прикладна г?дроаеромехан?ка ? механотрон?ка : [п?друч. для студент?в ВНЗ / О. М. Яхно та ?н.] ; за ред. О. М. Яхна ; Нац. техн. ун-т Укра?ни "Ки?в. пол?техн. ?н-т", В?нниц. нац. техн. ун-т. ? В?нниця : ВНТУ, 2017. ? 710 с. : ?л., табл. ? ISBN 978-966-641-687-5

Посилання [ ред. | ред. код ]