Гидравлика (механика жидкости и газа) - Учебно

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ПРИМЕРНАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
ГИДРАВЛИКА (МЕХАНИКА ЖИДКОСТИ И ГАЗА)
Рекомендуется Минобразованием России для для направлений
подготовки (специальностей) в области техники и технологии,
сельского и рыбного хозяйства
Москва 2000г.
1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ
1.1 Гидравлика (механика жидкости и газа) - наука, входящая в
цикл механических дисциплин, изучающая законы равновесия и движения
жидких и газообразных тел и применение этих законов для решения технических задач. Дисциплина базируется на высшей математике (теория поля,
дифференциальные уравнения),физике (механика, свойства жидкостей и газов), теоретической механике.
В различных отраслях техники в зависимости от конкретного состава
учебного курса, практических приложений и аспекта изложения применяются различные практически эквивалентные наименования: «Механика
жидкости и газа», «Гидравлика», «Техническая гидромеханика», «Гидрогазодинамика», «Гидроаэромеханика», «Гидравлика и аэродинамика», «Техническая механика жидкости». Кроме того, в некоторых учебных планах
гидравлика объединяется в одном курсе с другими дисциплинами: «Гидравлика и гидравлические машины», «Гидравлика и гидропневмоавтоматика», «Гидравлика, гидрология и гидрометрия», «Гидравлика, водоснабжение и канализация», «Гидравлика, гидромашины и гидропневмопривод»,
«Гидравлика и гидропневмосистемы», «Гидродинамика и основы тепломассообмена», «Основы тепломассообмена», «Процессы и аппараты» и т.д.
Научно-методический совет рекомендует применять только два названия:
либо «Механика жидкости и газа», либо « Гидравлика», раскрывая содержание дисциплины не в названии, а в рабочей программе в соответствии с
модульным принципом построения примерной программы.
Специфика механики жидкости и газа (МЖГ) обусловлена легкой деформируемостью материала тел, являющихся объектом изучения. Отсюда
следует специфическая форма записи общих законов сохранения массы,
импульса, энергии и соответствующие специфические методы их решения.
Эти методы требуют целесообразного выбора конфигурации контрольного
жидкого объема, формирования начальных и граничных условий (часто с
привлечением экспериментальных данных) и корректной постановки математической задачи. Многие численные методы решения нелинейных уравнений в частных производных разработаны и разрабатываются применительно к задачам МЖГ. Для получения практически приемлемых результатов необходимо также привлечение опытных данных и допустимое упрощение исходных уравнений. Специфической чертой МЖГ является существенное влияние диссипативных процессов и нелинейных эффектов. В
практическом плане учет этих явлений приводит к специфике методов расчета трубопроводных систем и проточных частей гидравлических и газовых
машин и устройств. Важнейшей частью МЖГ является эксперимент, который служит как для первичного изучения явления, так и для создания адекватных расчетных схем, причем одним из важнейших объектов эксперимента являются поля скоростей и давлений. Поэтому для инженерных специальностей объем лабораторного практикума должен составлять не менее
15% обязательных аудиторных занятий. Развитие дисциплины связано с использованием численных методов для определения влияния диссипативных
102
процессов и нелинейных эффектов, являющихся наиболее существенными
чертами предмета, а также с включением задач течения жидкости с физическими и химическими эффектами, которые могут послужить основой создания новых высоких технологий в том числе для разработки высоко экологических производств (облитерация, эффект Томса, электромагнитные
явления, течения с химическими реакциями и т. д.). Без знания основ теории турбулентности невозможно грамотно решать задачи охраны окружающей среды.
Для строительных специальностей и специальностей, относящихся к
природопользованию и охране окружающей среды, необходимо более глубокое изучение тех разделов(модулей),в которых рассматриваются движение жидкости(воды) в открытых руслах и каналах ,движение воды в водопроводящих ,водосбросных и сопрягающих сооружениях, движение грунтовых вод и т.д.
Чрезвычайно важное значение механика жидкости и газа имеет для
горной, нефтяной и газовой промышленности. Знание основных законов
механики жидкости и газа необходимо уже на начальной стадии разработки
месторождений, транспорте и хранении нефти, нефтепродуктов и газа. Центральное место механика жидкости и газа занимает в решении экологических задач, возникающих в процессе разработки и эксплуатации месторождений углеводородного сырья.
Машиностроительные и технологические направления и специальности имеют в соответствии и образовательными стандартами относительно
небольшой объем курса, однако вместе с транспортными направлениями
должны уделять большое внимание таким прикладным темам как гидромашины, гидравлические и пневматические приводы.
Энергетика и энергомашиностроение - обширная область техники включает в себя теплоэнергетику, гидроэнергетику, турбо и двигателестроение, компрессоростроение, насосостроение, гидропневмопривод и гидропневмоавтоматику. Почти для всех этих отраслей механика жидкости и газа
является базовой научной дисциплиной, однако состав модулей может существенно отличаться в зависимости от специальности и специфики Вуза.
Гидравлика (механика жидкости и газа) является одной из важнейших
дисциплин общепрофессионального цикла для подготовки специалистов
,связанных с разработкой или эксплуатацией аэрокосмической техники. Последнее утверждение относится и к некоторым другим группам направлений и специальностей.
Содержание и объем курса не могут быть едиными для всех направлений, поэтому ряд рекомендаций относятся к тем, для которых гидравлика
(механика жидкости и газа) носит, в соответствии с ГОС-ом, наиболее полный характер.
Все возможные разновидности дисциплины по объему сведены к
двум: с минимальным и максимальным числом часов. По содержанию в соответствии с рекомендациями Департамента образовательных программ и
стандартов профессионального образования рассматриваются три варианта:
103
для машиностроительных направлений в том числе для комплексных курсов с разделами по гидромашинам, гидропневмоприводам и гидропневмоавтоматике; для не машиностроительных направлений с подробным рассмотрением безнапорных потоков; классический курс механики жидкости и
газа для направлений инженерно-теоретического профиля. Для некоторых
направлений (например гидротехники и нефтегазового дела) важны разделы
второго и третьего вариантов.
2. ТРЕБОВАНИЯ К УРОВНЮ ОСВОЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ
ДИСЦИПЛИНЫ
Бакалавр и дипломированный специалист должен знать:
- основные законы механики жидких и газообразных сред;
- модели течения жидкости и газа
Бакалавр и дипломированный специалист должен владеть:
- методами расчета жидких и газовых потоков;
- приемами постановки инженерных задач для решения их коллективом специалистов различных направлений;
Бакалавр и дипломированный специалист должен иметь представление:
- о теории подобия и размерности в процессах движения жидкости и
газа;
- об основах моделирования гидромеханических явлениях;
- об экологических задачах в потоках жидкости и газа;
Бакалавр и дипломированный специалист должен иметь опыт:
- использования математических моделей гидромеханических явлений и процессов для расчетов на ЭВМ;
- проведения гидромеханических экспериментов в лабораторных
условиях;
Глубина знаний и умений зависит от объема изучаемого курса, но
должны быть достаточными для свободного пользования научной и справочной литературой.
3. ОБЪЕМ ДИСЦИПЛИНЫ И ВИДЫ УЧЕБНОЙ РАБОТЫ
Для максимального объема в соответствии с государственными образовательными стандартами
Вид учебной работы
Общая трудоемкость дисциплины
Аудиторные занятия
Лекции
Практические занятия (ПЗ)
Семинары (С)
Лабораторные работы (ЛР)
Самостоятельная работа
Курсовая работа
Расчетно-графическая работа
Реферат
Всего
Часов
200
102
51
34
17
98
34
104
Семестры*
5
5
5
5
6
6
6
6
5
6
6
6
Вид итогового контроля
экзамен
экзамен
*Распределение часов по семестрам устанавливается вузом.
Для минимального объема в соответствии с государственными образовательными стандартами
Вид учебной работы
Всего
Часов
90
51
34
8
Общая трудоемкость дисциплины
Аудиторные занятия
Лекции
Практические занятия (ПЗ)
Семинары (С)
Лабораторные работы (ЛР)
Самостоятельная работа
Курсовая работа
Расчетно-графическая работа
Реферат
Вид итогового контроля
9
39
17
Семестры*
5
5
5
5
6
6
6
6
5
5
6
6
6
Зачет
Экзамен
*Распределение часов по семестрам устанавливается вузом.
4. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
Вариант 1. Для машиностроительных направлений и специальностей
4.1 Разделы дисциплины и виды занятий
№ п /п
1
2
3
Раздел дисциплины
Вводные сведения.
Основные физические свойства жидкостей и газов
Основы кинематики.
4
Силы, действующие в жидкостях.
*
*
*
5
Общие законы и уравнения статики и динамики жидкостей и газов
Абсолютный и относительный покой
(равновесие) жидких сред.
*
*
*
*
*
*
7
Модель идеальной (невязкой) жидкости.
*
*
*
8
Общая интегральная форма уравнений
количества движения и момента количества движения.
*
*
9
10
Подобие гидромеханических процессов
Общее уравнение энергии в интегральной
и дифференциальной формах.
*
*
*
*
11
Турбулентность и ее основные статистические характеристики.
*
*
6
105
Лекции
*
*
ПЗ
*
ЛР
*
*
*
*
*
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
Конечно-разностные формы уравнений
Навье-Стокса и Рейнольдса
Общая схема применения численных методов и их реализация на ЭВМ
Одномерные потоки жидкостей и газов.
*
Расчет трубопроводов
Газ как рабочее тело пневмопривода
Истечение газа из резервуара
Пневматические
исполнительные
устройства
Распределительная и регулирующая арматура
Пневмоприводы
транспортнотехнологических машин
Средства пневмоавтоматики
Гидравлические машины и передачи
Лопастные машины
Принцип действия объемных гидропередач
Объемные гидропередачи
Основные элементы гидропередач
Питающие установки
Нерегулируемая гидропередача
Гидропередачи с дроссельным регулированием, с машинным регулированием
Методика расчета и проектирования гидропередач
Составление схем гидравлических и
пневматических передач
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
4.2 Содержание разделов дисциплины
1-Вводные сведения. Предмет механики жидкости и газа. Примеры
гидромеханических задач из различных отраслей техники. Краткие исторические сведения о развитии науки.
2-Основные физические свойства жидкостей и газов. Физическое
строение жидкостей и газов. Основные физические свойства: сжимаемость,
текучесть, вязкость, теплоемкость, теплопроводность. Гипотеза сплошности. Два режима движения жидкостей и газов. Неньютоновские жидкости.
Термические уравнения состояния. Растворимости газов в жидкостях, кипение, кавитация. Смеси. Особые свойства воды.
3-Основы кинематики. Два метода описания движения жидкостей и
газов. Понятие о линиях и трубках тока. Ускорение жидкой частицы. Расход элементарной струйки и расход через поверхность. Уравнение неразрывности (сплошности) в разных формах. Вихревое и безвихревое (потенциальное) движения.
4-Силы, действующие в жидкостях. Массовые и поверхностные силы. Напряжения поверхностных сил. Напряженное состояние.
5-Общие законы и уравнения статики и динамики жидкостей и га106
зов. Уравнения движения в напряжениях. Уравнения гидростатики в форме
Эйлера и их интегралы. Напряжения сил вязкости , обобщенная гипотеза
Ньютона. Уравнение Навье-Стокса для вязкой жидкости. Примеры аналитических решений уравнений Навье-Стокса.
6-Абсолютный и относительный покой (равновесие) жидких сред.
Основная формула гидростатики. Определение сил давления покоящейся
среды на плоские и криволинейные стенки. Относительный покой (равновесие) жидкости. Относительное равновесие жидкости в ускоренно движущихся резервуарах.
7-Модель идеальной (невязкой) жидкости. Модель идеальной (невязкой) жидкости. Уравнения Эйлера. Баротропные и бароклинные течения.
Интегралы уравнения движения жидкости для разных случаев движения.
8-Общая интегральная форма уравнений количества движения и момента количества движения. Закон изменения количества движения. Закон
изменения момента количества движения. Силовое воздействие потока на
ограничивающие его стенки.
9-Подобие гидромеханических процессов. Понятие о методе размерностей. Пи-теорема. Числа и критерии подобия. Методы моделирования. Методы аналогий.
10-Общее уравнение энергии в интегральной и дифференциальной
формах.
11-Турбулентность и ее основные статистические характеристики.
Осредненные параметры и пульсации. Стандарт пульсационной скорости и
степень турбулентности. Двухслойная модель турбулентности.
12-Конечно-разностные формы уравнений Навье-Стокса и Рейнольдса.
13-Общая схема применения численных методов и их реализация на
ЭВМ. Одномерные стационарные задачи. Одномерные нестационарные задачи. Плоские и пространственные потоки.
14-Одномерные потоки жидкостей и газов. Одномерная модель и
приведение к ней плавно изменяющихся течений напорных и безнапорных
потоков.
Обобщение уравнения Бернулли для потока вязкой жидкости. Гидравлические сопротивления, их физическая природа и классификация.
Структура формул для вычисления потерь удельной энергии (напора). Основная формула равномерного движения. Сопротивления по длине для
напорных и безнапорных потоков.
Данные о гидравлическом коэффициенте трения. Зоны сопротивления. Наиболее употребительные формулы для гидравлического коэффициента трения. Местные гидравлические сопротивления, основная формула.
Зависимость коэффициента местного сопротивления от числа Рейнольдса и
геометрических параметров русла. Виды местных сопротивлений. Расчеты
одномерных стационарных напорных и безнапорных потоков.
Истечение жидкости и газа через отверстия и насадки. Истечение
жидкости через «малые» отверстия в тонкой стенке: средняя скорость, рас107
ход, траектория струи жидкости; истечение через затопленные отверстия.
Особенности истечения через внешний цилиндрический насадок. Насадки
других видов.
Одномерное неустановившееся движение, основное уравнение, инерционный напор. Случаи малых ускорений – истечение из резервуаров при
переменном напоре. Гидравлический удар в трубах, формула Жуковского.
15-Расчет трубопроводов. Простые трубопроводы, сложные трубопроводы, трубопроводы с переменным расходом по пути. Принципы расчета тупиковых и кольцевых трубопроводных сетей. Применение ЭВМ.
16-Газ как рабочее тело пневмопривода. Влажный воздух. Системы
подготовки сжатого воздуха. Уравнение Бернулли для установившегося потока газа Основы расчета газопровода. Нестационарные процессы в газопроводах.
17-Истечение газа из резервуара. Истечение газа из неограниченного
резервуара. Истечение газа из ограниченного резервуара. Докритический и
сверхкритический режимы истечения.
18-Пневматические исполнительные устройства. Цилиндры одностороннего действия. Цилиндры двухстороннего действия. Бесштоковые
цилиндры. Приводы с роторными и турбинными пневматическими двигателями.
19-Распределительная и регулирующая арматура. Основные элементы и схемы пневмоприводов. Пневматические распределительные устройства. Пневмоаппараты.
20-Пневмоприводы транспортно-технологических машин.
21-Средства пневмоавтоматики. Прямое управление цилиндром.
Непрямое управление цилиндром. Схемы с памятью и регулируемой скоростью цилиндра. Логико-вычислительные элементы. Струйные системы
пневмоавтоматики. Управление несколькими исполнительными устройствами.
22-Гидравлические машины и передачи. Общие сведения о гидромашинах. Классификация насосов и гидродвигателей. Принцип действия динамических и объемных машин. Основные параметры: подача (расход),
напор, мощность, КПД. Баланс мощности в гидромашинах. Принцип действия гидропередач.
23-Лопастные машины. Основы теории лопастных насосов. Центробежные насосы, схема проточной части, кинематика потока. Уравнение Эйлера. Теоретический напор, влияние конструктивных и режимных параметров. Полезный напор. Баланс энергии. Коэффициенты полезного действия.
Характеристики центробежных насосов. Основы теории подобия и формулы пересчета. Коэффициент быстроходности и типы лопастных насосов.
Основные сведения об осевых насосах.
Насосные установки. Регулирование подачи. Последовательное и параллельное соединение насосов. Кавитация в лопастных насосах. Кавитационный запас и кавитационные характеристики. Формула С.С.Руднева и ее
применение.
108
Назначение и области применения гидродинамических передач.
Принцип действия и классификация.
24-Принцип действия объемных гидропередач. Основные понятия и
определения. Области применения гидроприводов.
25-Объемные гидропередачи. Назначение и области применения гидродинамических передач. Классификация объемных гидроприводов по характеру движения выходного звена и другим признакам
26-Основные элементы гидропередач. Гидродвигатели, гидроаппаратура, фильтры, гидроаккумуляторы, гидролинии).Силовые гидроцилиндры,
их назначение и устройство. Расчет цилиндров, поворотные гидродвигатели. Роторные гидродвигатели - гидромоторы. Обратимость роторных насосов и гидромоторов. Гидромоторы роторно-поршневых, пластинчатых, шестеренных и винтовых типов. Расчет крутящего момента и мощности на валу гидромотора. Регулирование рабочего объема. Высокомоментные гидромоторы.
27-Питающие установки. Гидробаки и гидроаккумуляторы насосных
установок. Насосные установки гидроприводов.
28-Нерегулируемая гидропередача. Гидроприводы поступательного
движения. Гидроприводы вращательного движения. Гидроприводы поворотного движения.
29-Гидропередачи с дроссельным регулированием, с машинным регулированием. Гидропривод с последовательным включением дросселя. Гидропривод с параллельным расположением дросселя. Гидропривод с регулятором расхода. Гидроприводы с регулируемыми насосом и гидромотором.
30-Методика расчета и проектирования гидропередач. Критерии
проектирования гидравлических и пневматических систем управления.
Структура системы и последовательность прохождения сигналов. Статические и динамические характеристики. Математические модели типовых
пневмогидроприводов.
31-Составление схем гидравлических и пневматических передач.
Блок-схема цепи управления. Составление принципиальной схемы.
Обозначение элементов схемы.
Вариант 2. Для не машиностроительных направлений
(специальностей)
4.1 Разделы дисциплины и виды занятий
№№
Раздел дисциплины
п/п
1.
Основные законы гидростатики
2.
Виды движений, основные гидравлические
параметры потока
3.
Уравнение Бернулли для потока реальной
жидкости
4.
Режимы движения жидкости
5.
Определение потерь напора
6.
Истечение через отверстия, насадки и короткие трубы
109
Лекции
ПЗ
ЛР
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
Гидравлические расчеты напорных трубопроводов. Гидравлический удар
Установившееся движение жидкости в открытых руслах. Равномерное и неравномерное движение жидкости в призматических руслах
Гидравлический прыжок
Истечение через водосливы
Истечение из-под затворов
Сопряжение бьефов за сооружениями
Неустановившееся движение в открытых
руслах
Основы фильтрационных расчетов
Основы расчета распространения примесей в водотоках и водоемах
*
*
*
*
*
*
*
8
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
4.2 Содержание разделов дисциплин
1. Основные законы гидростатики. Гидростатическое давление, его
основные свойства. Уравнения равновесия жидкости (уравнения Эйлера).
Основное уравнение гидростатики. Гидростатическое давление в точке, избыточное и вакуумметрическое давление. Поверхности равного давления.
Эпюры избыточного давления. Гидростатический парадокс. Сила гидростатического давления на произвольно ориентированные плоские поверхности.
Сила давления жидкости на цилиндрические поверхности. Центр давления.
2. Виды движения, основные гидравлические параметры потока.
Установившееся и неустановившееся движение. Модель потока, линии тока, элементарная струйка жидкости. Понятие о вихревом и безвихревом
(потенциальном) движении. Живое сечение, смоченный периметр, гидравлический радиус. Местная скорость, средняя скорость в живом сечении,
эпюры скоростей. Напорное и безнапорное движение жидкости, гидравлические струи. Равномерное и неравномерное движение жидкости (плавно
изменяющееся и резко изменяющееся). Уравнение неразрывности.
3. Уравнение Бернулли для потока реальной жидкости. Уравнения
Эйлера и их интегрирование. Уравнение Бернулли для частных случаев, для
невязкой и вязкой жидкости. Пьезометрический и гидравлический уклоны.
Применение уравнения Бернулли для расчета напорных трубопроводов.
4. Режимы движения жидкости. Ламинарный и турбулентный режимы движения. Критерий Рейнольдса. Распределение касательных напряжений и скоростей в круглой трубе. Пульсация скоростей и давлений.
Осредненная скорость, пульсационные составляющие (скорость пульсации).
5. Определение потерь напора (удельной энергии). Гидравлические
сопротивления. Структура формул для определения потерь напора. Местные потери напора. Потери напора по длине. Основные данные о гидравлическом коэффициенте трения (коэффициенте Дарси) . Формулы для коэффициента . Основное уравнение равномерного движения. Формулы для
определения коэффициента Шези.
6. Истечение через отверстия, насадки и короткие трубы. Истече110
ние через малые отверстия в тонкой стенке и насадки при постоянном
напоре. Виды сжатия струи. Виды насадков. Действующий напор. Коэффициенты расхода, скорости, сжатия струи. Гидравлически короткие трубы.
Коэффициент расхода системы. Истечение через отверстия, насадки и короткие трубы при переменном напоре.
7. Гидравлические расчеты напорных трубопроводов, гидравлический
удар. Основные расчетные уравнения простого гидравлически длинного
трубопровода. Составной трубопровод. Последовательное и параллельное
соединение. Потери напора при изменяющемся по длине расходе. Гидравлический удар в трубах, формула Жуковского. Различные виды гидравлического удара.
8. Установившееся движение жидкости в открытых руслах, равномерное и неравномерное движение жидкости в призматических руслах.
Основные понятия и определения. Удельная энергия сечения, ее график,
критическая глубина. Критический уклон. Спокойное, бурное и критическое состояние потока. Критерий Фруда. Параметр кинетичности. Дифференциальное уравнение установившегося плавно изменяющегося движения
в открытом русле и его интегрирование. Равномерное движение в каналах и
его параметры. Определение размеров живого сечения канала при различных исходных данных. Исследование кривых свободной поверхности потока. Расчет и построение кривых свободной поверхности в призматических
руслах.
9. Гидравлический прыжок. Виды гидравлического прыжка. Совершенный гидравлический прыжок, его структура. Уравнение совершенного
гидравлического прыжка. Прыжковая функция, график прыжковой функции. Формулы для расчета сопряженных глубин в прямоугольных руслах.
Потери энергии в прыжке. Длина прыжка и послепрыжкового участка.
Прыжок-волна (волнистый гидравлический прыжок).
10. Истечение через водосливы. Классификация водосливов и области
их применения. Общее уравнение водосливов. Учет бокового сжатия при
вступлении струи на водослив. Условия подтопления водосливов и его учет.
Расчет сооружений, работающих по типу водосливов с тонкой стенкой, водослива практического профиля, водослива с широким порогом.
11. Истечение из-под затворов. Условия истечения жидкости из-под
затворов. Уравнения расхода при свободном и несвободном истечении.
Критерий подтопления. Глубина в сжатом сечении (при свободном и несвободном истечении).
12. Сопряжение бьефов за сооружениями. Общие понятия. Сопряжение потоков в каналах при изменении продольного уклона дна. Беспрыжковое сопряжение бьефов. Сопряжение ниспадающей водосливной струи с
потоком нижнего бьефа. Глубина в сжатом сечении и сопряженная с ней.
Виды сопряжения потоков с гидравлическим прыжком, отогнанный и
надвинутый прыжок, прыжок в предельном положении. Сопряжение потоков с отлетом струи. Гасители энергии в нижнем бьефе сооружений. Гидравлический расчет водобойного колодца, водобойной стенки.
111
13. Неустановившееся движение в открытых руслах. Виды волн перемещения, длинные и прерывные волны. Уравнение неустановившегося
движения в открытых руслах. Основные сведения о ветровых волнах.
14. Основы фильтрационных расчетов
Основные характеристики фильтрации в грунтах. Основной закон
фильтрации, коэффициент фильтрации и методы его определения. Ламинарная и турбулентная фильтрация. Равномерное и неравномерное движение грунтовых вод. Дифференциальное уравнение неравномерного плавно
изменяющегося движения грунтовых вод. Формы кривых депрессии. Интегрирование дифференциального уравнения для случая плоской задачи.
Приток грунтовых вод к водосборным сооружениям. Общие сведения о
фильтрации из каналов. Понятия о гидравлической сетке и о методе ЭГДА.
15. Основы расчета распространения примесей в водотоках и водоемах. Общие сведения о перемешивании водных масс в водотоках и водоемах. Уравнение установившейся турбулентной диффузии. Определение
створа достаточного перемешивания.
Вариант 3. Для направлений инженерно-теоретического профиля
4.1. Разделы дисциплины и виды занятий
№
1
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Раздел дисциплин
2
Вводные сведения.
Напряженное состояние жидкой среды.
Гидростатика.
Кинематика.
Общие законы и уравнения динамики.
Модель идеальной жидкости.
Подобие гидродинамических процессов
Одномерная модель и гидравлические сопротивления.
Расчеты трубопроводных систем для несжимаемых сред.
Одномерные неустановившиеся потоки
жидкости в трубах.
Неодномерные течения вязкой жидкости.
Одномерные потоки газа.
Истечение газа, прямой скачок уплотнения
Плоские течения газа, их общие свойства.
Сверхзвуковые течения; понятия о линиях
возмущения и косых скачках.
Лекции
3
*
*
*
*
*
*
*
*
ПЗ
4
*
ЛР
5
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
4.2 Содержание разделов дисциплины
1. Вводные сведения. Основные физические свойства жидкостей и газов. Режимы течения.
2. Напряженное состояние жидкой среды. Силы, действующие в
жидкостях. Напряжения поверхностных сил. Уравнения движения в напряжениях.
3. Гидростатика. Уравнения Эйлера и их общие интегралы. Основная формула гидростатики. Силы давления жидкости на стенки.
112
4. Кинематика. Два метода описания движения. Ускорение жидкой
частицы в переменных Эйлера. Линии и трубки тока, понятие о расходе.
Уравнение неразрывности. Разложение сложного движения на составляющие. Вихревые и потенциальные течения.
5. Общие законы и уравнения динамики. Обобщенная гипотеза Ньютона. Уравнения Навье-Стокса. Уравнение Бернулли для вязкой жидкости.
Уравнения турбулентного течения. Интегральные формы уравнений количества движения и моментов количества движения.
6. Модель идеальной жидкости. Уравнения Эйлера и их общие интегралы. Уравнение Бернулли для невязкого газа.
7. Подобие гидродинамических процессов. Общие основные понятия
физического подобия. Геометрическое, кинематическое и динамическое подобие потоков жидкости и газа. Идентичность безразмерных форм уравнений движения. Критерии и числа подобия, их роль и физический смысл.
Использование критериев подобия для моделирования.
8. Одномерная модель и гидравлические сопротивления. Гидравлические сопротивления. Структура формул для определения потерь энергии.
Потери по длине при ламинарном и турбулентных течениях в трубах. Природа турбулентных напряжений и основные гипотезы. Профили скоростей в
трубах и законы сопротивлений.
9. Истечения несжимаемой жидкости. Классификация трубопроводных систем. Основные задачи и расчетные формулы. Определение воздействия напорного потока и свободной струи на твердые стенки.
10. Одномерные неустановившиеся потоки. Основные уравнения.
Случай малых ускорений, истечения при переменном напоре. Роль инерционного напора в трубах с поршневым насосом. Гидравлический удар в трубах.
11. Неодномерные течения вязкой жидкости. Примеры точных решений уравнений Навье-Стокса. Общая характеристика приближенных методов. Основные результаты гидродинамической теории смазки. Пограничный слой, структура течения и основные уравнения. Расчет ламинарного и
турбулентного слоя на пластине. Влияние градиента давления и отрыв.
12. Одномерные потоки газа, основные уравнения. Параметры торможения и критическая скорость. Газодинамические функции. Внешние воздействия на поток и условия перехода через критическое состояние.
13. Прямой скачок уплотнения. Истечение газа через сужающееся
сопло. Элементарный расчет сопла Лаваля.
14. Общие уравнения плоского потенциального течения газа. Распространение в газе малых возмущений. Понятие о методе малых возмущений
при дозвуковых течениях.
15. Сверхзвуковые плоские течения при конечных возмущениях. Характеристики и их свойства. Обтекание криволинейных стенок и стенок с
изломом. Течение Прандтля-Майера. Косой скачок уплотнения.
5. ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ
№ п /п
№ раздела
Наименование лабораторных работ
113
1
2
3
4
дисциплины
4 вар. 1
1 вар. 2
3 вар 3
3 вар. 1
4 вар. 2
4 вар. 3
вар. 1
3 вар. 2
5 вар. 3
14 вар. 1
5-6 вар. 2
8 вар.3
Методы и приборы измерения давления
Относительное равновесие жидкости.
Определение сил давления на твердые плоские и криволинейные поверхности.
Изучение режимов движения (опыт Рейнольдса).
Градуировка расходомера.
Опытная иллюстрация уравнения Бернулли.
Определение силового воздействия потока жидкости и газа
на преграду.
Определение гидравлического коэффициента трения в трубах и плоских каналах (потери по длине).
Определение коэффициентов местных сопротивлений.
Истечение через отверстия и насадки при постоянном напоре.
Течение газа через сопло.
Истечение жидкости при переменном напоре.
Гидравлический удар
7
14 вар. 1
7 вар. 2
8 вар.3
вар.1
6 вар.3
11 вар 3
8
23 вар.1
Изучение поля скоростей в канале.
Исследование поля скоростей свободной струи.
Испытание лопастного насоса.
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
24 вар. 1
28-29 вар.1
20 вар. 1
9 вар. 2
10 вар. 2
10 вар.2
10 вар.2
11 вар. 2
12 вар.2
14 вар.2
Испытание объемного насоса.
Испытание гидропривода
Испытание пневмопривода
Гидравлический прыжок.
Мерные водосливы с тонкой стенкой.
Водослив с широким порогом.
Водослив практического профиля.
Свободное и несвободное истечение из-под затвора.
Донный режим сопряжения потоков в нижнем бьефе.
Определение коэффициента фильтрации грунта.
5
6
Моделирование потенциальных течений
Наименование лабораторных работ может меняться в зависимости от
имеющейся лабораторной базы при сохранении соответствующего раздела
дисциплины.
6. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
ДИСЦИПЛИНЫ
6.1 Рекомендуемая литература
а) основная литература:
1. Башта Т.М., Руднев С.С., Некрасов Б.Б. и др. Учебник. Гидравлика,
гидромашины и гидроприводы. -М.: Машиностроение, 1982. -423 с.
2. Басниев К.С., Кочина И.Н., Максимов В.М., Подземная гидромеханика. Учебник. М. Недра, 1993, 416 с.
3. Бондарев Е.Н.,Дубасов В.Т.,Рыжов Ю.А. Аэро-гидродинамика. Учебник -М.: Машиностроение,1993. -608 с.
114
4. Гиргидов А.Д. Техническая механика жидкости и газа. Учебное пособие. Санкт-Петербург, 1999. –394 с.
5. Емцев Б.Т. Техническая гидромеханика. Учебник -М.: Машиностроение, 1987. - 460 с.
6. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. Учебник -М.: Наука,
1987. - 840 с.
7. Штеренлихт Д.В. Гидравлика. Учебник. - М.: Энергоатомиздат, 1984.
- 640 с.
8. Штеренлихт Д.В. Гидравлика. Учебник. - М.: Энергоатомиздат, 1991,
кн.1, 2 - 351 с.; доп. тираж - кн 1,2,3,4 - 151 с., 197 с., 180 с., 190 с.
9. Чугаев Р.Р. Гидравлика . Учебник. - Л.: Энергоатомиздат, 1982. - 672
с.
б) дополнительная литература
1. Бутаев Д.А. и др. Сборник задач по машиностроительной гидравлике/Под ред. И.И.Куколевского и Л.Г.Подвивза. Учебное пособие. - М.:
Машиностроение, 1981 и другие издания. - 484 с.
2. Задачник по гидравлике, гидромашинам и гидроприводам. Под ред.
Б.Б.Некрасова. Учебное пособие. -М.:Высш. шк., 1989. -245 с.
3. Войткунский Я.И., Фадеев Ю.И., Федяевский К.К. Гидромеханика,
Учебное пособие. Л. Судостроение, 1982, 555 с.
4. Самойлович Г.С. Гидрогазодинамика. Учебное пособие. М Машиностроение, 1990, 384 с.
5. Штеренлихт Д.В., Алышев В.М., Яковлева Л.В. Учебное пособие.
Гидравлические расчеты. – Колос, 1992. – 282 с.
6. Яковлева Л.В. Практикум по гидравлике. Учебное пособие. – М.: Агропромиздат, 1990. – 144 с.
7. Киселев П.Г. и др. Справочник по гидравлическим расчетам. Учебное
пособие. - М.: Энергия, 1972 – 312 с.
8. Штеренлихт Д.В. Очерки истории гидравлики, водных и строительных искусств. Учебное пособие. – М.: ГЕОС, 1999, 2000, кн.1 - 392 с.,
кн.2.- 261 с., кн.3 – 382 с.
9. Сборник задач по гидравлике и газодинамике для нефтяных вузов.
Под ред. Г.Д.Розенберга. Учебное пособие. М. Недра, 1990, 240 с.
10.Учебные пособия внутривузовского издания , рекомендованные
НМС.
в) периодическая литература
1. Известия РАН “Механика жидкости и газа”, Известия вузов “Машиностроение”
6.2 Средства обеспечения освоения дисциплины
а).Учебные кинофильмы, например “Гидравлика в технике” (Союзвузфильм).
б) Профессиональные компьютерные программы, например:
FLOTRAN ANSYS, GAS DYNAMIC TOOL, MATHCAD. Компьютерные
программы, разработанные в Вузе. Интерактивные программы расчета типовых пнемогидросистем ведущих фирм-производителей.
115
в) Комплекты слайдов и фолий.
г) Комплект плакатов “Основы технической гидромеханики”. Учвузприбор СССР.
7. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
ДИСЦИПЛИНЫ
Для проведения лабораторных занятий используются многоцелевые и
специализированные стенды, например:
а). Лабораторные стенды “Роснаучприбора”
б). Комплекс “Капелька”
в). Лабораторные стенды, созданные в ВУЗЕ.
8. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО
ОРГАНИЗАЦИИ ИЗУЧЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
Программа составлена в соответствии с Государственными образовательными стандартами высшего профессионального образования по техническим и сельскохозяйственным направлениям подготовки, однако усвоение всего материала на должном уровне по мнению большинства членов
НМС невозможно без выделения дополнительных аудиторных часов из регионального компонента или других разделов учебных планов. Часть разделов курса по согласованию с методическими советами (комиссиями) вузов
может быть дана только на уровне понятий.
Все возможные разновидности дисциплины по объему сведены к
двум: с минимальным и максимальным числом часов. Для направлений
552100 “Эксплуатация транспортных средств” и 552600 “Кораблестроение
и океанотехника” рекомендуется одно-семестровые курсы с 34 часами
аудиторных занятий (17 лекций и 17 ПЗ и ЛР). Для направления 553600
“Нефтегазовое дело” с общей трудоемкостью 210 часов аудиторные занятия
должны составлять не менее 136 часов (85 – лекционных).
По содержанию в соответствии с рекомендациями Департамента образовательных программ и стандартов профессионального образования рассматриваются три варианта: для машиностроительных направлений в том
числе для комплексных курсов с разделами по гидромашинам, гидропневмоприводам и гидропневмоавтоматике; для не машиностроительных
направлений с подробным рассмотрением безнапорных потоков; классический курс механики жидкости и газа для направлений инженернотеоретического профиля. Для некоторых направлений и специальностей
(например гидротехники и нефтегазового дела) важны разделы второго и
третьего вариантов.
При изучении дисциплины планируется контролируемая преподавателем самостоятельная работа студентов. Цели самостоятельной работы
студентов определяются кафедрами в соответствии с направлением или
специальностью и предусматривают более глубокое изучение отдельных
теоретических вопросов гидравлики, лабораторные исследования или расчеты на ЭВМ процессов, сооружений, аппаратов и гидравлических систем.
116
Одним из видов самостоятельной работы являются контрольные, расчетнографические и курсовые работы по основным разделам гидравлики (механики жидкости и газа.
Расчетные, расчетно-графические и курсовые работы являются формой закрепления и развития знаний, полученных на лекциях, а также практических и лабораторных занятиях. Они посвящаются комплексному расчету простых сооружений и гидравлических систем по специальностям, как
правило, с применением ЭВМ.
Программу составили:
А.А.Шейпак, профессор, Московский государственный индустриальный
университет
Д.В.Штеренлихт, профессор Московского государственного университета
природообустройства
И.С.Шумилов, профессор Московского государственного технического
университета им Н.Э.Баумана
Авторы приносят глубокую благодарность профессору Московского
энергетического института(ТУ) Б.Т.Емцеву за помощь и научное редактирование содержательной части программы.
Программа одобрена на заседании научно-методического совета по
гидравлике, протокол № 2 от 22 декабря 2000 года.
Председатель НМС по гидравлике
117
А.А.Шейпак