Несколько вводных слов и предварительных замечаний

Механика жидкости и газа (МЖГ). Газодинамика и аэродинамика.

Супераэродинамика. Гиперзвуковая аэродинамика.

Магнитная газодинамика. Прикладная газовая динамика.

«Знание законов механики жидкости и газа необходимо для решения многих практических вопросов теплогазоснабжения и вентиляции: расчета трубопроводных систем для перемещения воды, газа и других жидкостей (водо-, воздухо-, газо-, паропроводы), сооружений и устройств для передачи тепловой энергии (тепловые сети, отопительные системы, теплообменные аппараты), конструирования машин, сообщающих жидкости механическую энергию (насосы, вентиляторы, компрессоры), проектирование котельных агрегатов, печных и сушильных установок, холодильных установок, воздухо- и газоочистных аппаратов, вентиляционных устройств и кондиционеров».

& (Смыслов) с. 6

«Инженеру–теплоэнергетику, работающему в области двигателей внутрен­него сгорания, турбин или компрессоров, приходится иметь дело с расчетом или исследованием газовых потоков в различных частях машин. Поэтому он должен хорошо знать законы движения газов и уметь применять их на практике.

«Знание гидрогазодинамики для инженеров-теплотехников обусловлено тем, что все процессы течения газа в лопаточных машинах, реактивных двигателях и других теплосиловых и испытательных установках суть газодинамические. Газовая динамика учит управлять этими процессами и рассчитывать их. Только после газодинамического расчета, в котором определяются основные размеры двигателя и параметры газового потока, могут быть выполнены расчеты охлаждения и на прочность».

& (Сергель) с. 5.

Механика жидкостей и газов представляет собой весьма обширную отрасль науки, которая включает в себя такие дисциплины, как гидравлика, гидродинамика, аэродинамика, газовая динамика. В двух первых дисциплинах изучаются вопросы механики несжимаемой жидкости, например воды. В аэродинамике изучается движение воздуха, причем, пока рассмотрение ограничивается областью невысоких скоростей, воздух представляют как несжимаемую жидкость, не имеющую веса. При переходе к большим скоростям становится необходимым учитывать сжимаемость, подвод и отвод тепла. Именно здесь и начинается область газовой динамики.

«Как и всякая наука, гидрогазодинамика формировалась постепенно. Фундамент ее был заложен в XVII в. Трудами таких известных ученых, как Леонард Эйлер, Д’Аламбер (Даламбер – В.Г.) Даниил Бернулли. Последний ввел в науку термин «гидродинамика». Однако, несмотря на то, что в этой области работала целая плеяда замечательных физиков и математиков (Лагранж, Коши, Стокс, Кирхгоф, Гельмгольц, Громеко, Рейнольдс и др.), развитие гидрогазодинамики почти до начала текущего (ХХ – В.Г.) столетия протекало довольно медленно. Такая спокойная эволюция объясняется, прежде всего, тем, что технический уровень того времени почти не стимулировал ее (гидрогазодинамики – В.Г.) развития, к тому же кораблестроители, инженеры-гидравлики и другие специалисты часто не доверяли ее теоретическим выводам, которые подчас противоречили общеизвестным фактам. … Поэтому практики предпочитали производить необходимые расчеты, базируясь на опытных данных и пренебрегая теорией. Заметим, что имевшиеся в то время опытные данные носили в большинстве своем разрозненный характер, а иногда и просто вступали в конфликт друг с другом, поскольку теория постановки эксперимента еще не была разработана и опыты часто производились неграмотно.

Развитие авиации, ее запросы явились мощным толчком для развития гидрогазодинамики. Практические нужды техники ХХ столетия поставили перед теорией целый ряд новых вопросов, которые ждали своего решения и научного обобщения. Успехи теории и обогащение науки новыми данными расширило возможности практики, что в свою очередь привело к выдвижению новых задач и дальнейшему развитию теории. Начался непрекращающийся лавинообразный процесс накопления гидрогазодинамических знаний, которые теперь находят применение не только в авиации, но и в судостроении, баллистике, пневмонике, метеорологии, энергетике, космологии и т.д. Гидрогазодинамика развилась в обширную отрасль знаний со своими специфическими разделами, такими как гидрогазодинамика разряженных газов (супераэродинамика); магнитная газовая динамика (газодинамика плазмы); аэродинамика газов, движущихся со скоростями много больше скорости звука (гиперзвуковая аэродинамика); физико-химическая газодинамика и т.д.»

& (Невинский) с. 5 … 6.

«Механика жидкости бурно развивается и объединяет много различных направлений, обусловленных конкретными свойствами отдельных классов жидкостей и условиями протекания процессов их движения».

& (Сергель) с. 4.

«Бурное развитие газовой динамики в последние годы (во второй половине ХХ века – В.Г.) привило к формированию новых, вполне самостоятельных направлений в механике деформируемых сжимаемых сред. Сюда, прежде всего, следует отнести газодинамику гиперзвуковых скоростей и разреженных сред, газодинамику потоков с учетом внешних воздействий и при изменении физических и химических свойств движущегося газа, газодинамику многокомпонентных и многофазных сред и др. Вместе с тем те разделы газовой динамики, которые можно считать «классическими» (газодинамика адиабатных систем при неизменных физических свойствах газа) продолжали интенсивно развиваться и совершенствоваться. Очевидна тесная взаимная связь в развитии классических и новых направлений газодинамики».

& (Дейч) с. 3.

В последнее время интенсивно развиваются новые отрасли механики жидкости и газа. К ним относятся гиперзвуковая аэродинамика, механика сильно разреженных газов, или супераэродинамика, и магнитная газо­дина­мика. В гиперзвуковой аэродинамике изучается движение тел в газе с очень большими сверхзвуковыми скоростями. Супераэродинамика связана с течениями газа, настолько разреженного, что длина свободного пробега молекул становится соизмеримой с размерами обтекаемого тела. В этом состоянии газ уже нельзя рассматривать как сплошную среду: здесь приобретают большое значение индивидуальные взаимодействия молекул с обтекаемым телом. В магнитной газодинамике изучается движение электропроводящего газа — плазмы, в магнитном поле. При взаимодействии электрического тока с магнитным полем возникают, как известно, электродинамические силы. Организованные соответствующим образом, эти силы, действующие на частицы газа, могут быть использованы для увеличения или уменьшения скорости или для изменения направления потока.

Значительную роль в газовой динамике играют экспериментальные исследования. С их помощью проверяются разработанные теорией методы расчета. Постановка эксперимента также позволяет быстро получить конкретные данные, необходимые при проектировании новых машин. Накопление экспериментальных данных и их последующий анализ часто дают возможность уточнить физическую картину явлений и выбрать рациональную расчетную схему. Методы экспериментальных исследований совер­шенство­вались параллельно с развитием теории. В настоящее время они довольно тщательно систематизированы и составляют самостоятельный раздел газо­динамики, называемый экспериментальной аэродинамикой, или эксперимен­таль­ной газодинамикой.

Необходимый в практической работе инженера–теплоэнергетика круг вопросов, отобранных как из теоретических, так и из экспериментальных и прикладных разделов газодинамики, составляет отдельную дисциплину, называемую прикладной газовой динамикой. В прикладной газодинамике многие задачи даются не в такой строгой постановке, как, например, в теоретической газодинамике, а при решении часто применяются приближенные методы. В большинстве случаев эти методы достаточно просты, дают вполне удовлетворительную точность и потому имеют широкое распро­странение в инженерной практике.

«Прикладная гидрогазодинамика, в которой принимается ряд упрощающих моделей жидкостей и их движений, позволяющих получить результаты, удовлетворяющие по точности практику, является лишь ветвью механики жидкости».

& (Сергель) с. 7…8

Прикладная газовая динамика опирается на такие дисциплины, как теоретическая механика, гидравлика, термодинамика и, конечно, математика и физика. Они составляют тот фундамент, без которого изучение прикладной газодинамики невозможно. На этот предмет, в свою очередь, опираются такие специальные дисциплины, как теория двигателей внутреннего сгорания, теория турбин, теория компрессоров. Кроме того, с прикладной газодинамикой тесно связаны многие вопросы проектирования теплосилового оборудования».

& (Виноградов) с. 7…8

«Современные методы расчета реактивных двигателей, лопаточных машин, эжекторов, аэродинамических труб и испытательных стендов основываются по преимуществу на одномерных представлениях гидрогазодинамики, поэтому одномерным течениям … отведено значительное место.

Вместе с тем многие вопросы, например определение сопротивления трения и полей скорости и температуры, построение картины течения …, выяснение силового и теплового воздействия …, не могут быть разрешены без привлечения дифференциальных уравнений гидрогазодинамики или уравнений пограничного слоя».

& (Абрамович) с. 7.

þ

«Движение жидких и газообразных сред бесконечно разнообразно и удивительно. Можно часами любоваться морским прибоем или спокойной гладью плавно текущей реки. Глядя на бегущие водовороты, на причудливо движущиеся струи, на мощный поток газа, извергаемый из сопла реактивного двигателя, трудно поверить, что все эти столь разнообразные и так не похожие друг на друга явления объединены какими-то общими законами и могут быть описаны не только на поэтическом языке метафор, но и с помощью строгих математических зависимостей. Общие законы движения жидких и газообразных сред могут быть представлены небольшим числом сравнительно простых (с физической точки зрения) дифференциальных уравнений. Однако решить эти уравнения довольно трудно.

Инженеру в его практической деятельности необходимо умение рассчитывать машину, т.е. еще в процессе проектирования предсказывать ее основные характеристики. Вследствие большой сложности процессов течения жидких и газообразных сред гидрогазодинамические расчеты далеко не всегда оказываются простыми. Для решения соответствующих задач приходится привлекать аналитический аппарат различных разделов математики, обращаться к опытному исследованию и использовать вычислительную технику. Поэтому освоить гидрогазодинамику – это значит не только постигнуть физическую сущность рассматриваемых ею явлений, но и овладеть ее методами – аналитическими, экспериментальными, вычислительными.

В настоящее время для энергомашиностроителя гидрогазодинамика является одной из основных профилирующих дисциплин. Ее роль в инженерной практике год от года возрастает. Рост значимости теории вообще и гидрогазодинамики в частности объясняется новым качественным уровнем современной энергетики. Ребенок, складывая из бумаги «птички» и запуская их в полет, имеет лишь смутное понятие об аэродинамике. Однако его птички летают. Почти также поднялись в воздух первые самолеты, завертелись первые водяные колеса, ветряные двигатели, первые турбины. Изобретатели, создавая эти машины, руководствовались скорее интуицией и повседневным опытом, чем знанием и расчетом. Это был «детский» период энергетики. Теперь положение дел коренным образом изменилось. Без гидрогазодинамических знаний дальнейший прогресс стал совершенно невозможным.

В настоящее время энергомашиностроение характеризуется, прежде всего, стремлением к созданию высокоэкономичных, надежных, легких, малогабаритных и мощных двигателей. Для того чтобы в малом объеме можно было получить большую мощность, необходимо интенсифицировать энергетические процессы. Скорость движения рабочего тела (газа, пара, воды) в машине должна существенно возрасти. Это требуется для того, чтобы усилить теплообмен и увеличить силовое взаимодействие среды и рабочих органов машины. Интенсификация процессов движения и теплообмена без должной организации неизбежно приведет к тому, что значительная часть располагаемой энергии будет растрачена бесполезно на преодоление различных сопротивлений. Задача гидрогазодинамики и заключается в «надлежащей» организации течения рабочего тела. Можно без преувеличения сказать. Что в деле создания высокоэкономичных энергетических машин гидрогазодинамика в настоящее время играет не меньшую роль, чем термодинамика. Яркой иллюстрацией сказанному является история создания газотурбинного двигателя (ГТД).

Идея газотурбинного двигателя возникла чрезвычайно давно. Патент на него был впервые взят (Барбером) в Англии в 1791 г. Последующие термодинамические исследования показали, что коэффициент полезного действия ГТД должен быть не меньше, чем к.п.д. паросиловых установок. Тем не менее газотурбинные двигатели в энергетике появились лишь после второй мировой войны. Их создание оказалось возможным не только благодаря общему росту культуры производства и успехам металлургии, но и в значительной мере благодаря усовершенствованию турбомашин на основе достижений гидрогазодинамики. Без аэродинамических исследований невозможно было бы создание турбин и, особенно, компрессорных машин, работающих с высоким коэффициентом полезного действия. При плохих к.п.д. турбомашин газотурбинная установка вообще не может дать полезной мощности».

& (Невинский) с. 3 … 5.

Дата добавления: 2015-05-10