Раздел I. Основные свойства жидкостей и газов
Тема 1. Введение
Предмет науки. Роль жидкостей и газов в природных явлениях, технике и обеспечении жизнедеятельности человека. История развития механики жидкостей и газов. Гидрогазодинамика как составная часть механики сплошной среды. Связь гидрогазодинамики с другими отраслями знаний.
Гидромеханическое представление о жидкостях как сплошной и текучей среде. Фундаментальные свойства жидкостей и газов - сплошность и текучесть.
Тема 2. Плотность жидкостей и газов и их уравнения состояния.
Плотность жидкостей и газов и ее зависимость от температуры и давления. Уравнения состояния для идеальных газов (уравнение Клапейрона-Менделеева) и капельных жидкостей. Коэффициенты теплового расширения и сжимаемости. Особенности теплового расширения воды. Связь коэффициента сжимаемости жидкостей со скоростью звука. Адиабатическая и изотермическая скорости звука в идеальном газе. Понятие о несжимаемой жидкости.
Тема 3. Вязкость
Физическая природа сил вязкого трения. Вязкое трение как результат процессов переноса импульса молекулами. Вязкие напряжения. Закон вязкого трения Ньютона. Динамический и кинематический коэффициенты вязкости и их зависимость от температуры. Диссипация энергии как результат вязкого трения.
Тема 4. Поверхностное натяжение
Свободная поверхность жидкости и ее особенности. Поверхностная энергия. Коэффициент поверхностного натяжения. Капиллярный скачок давления. Кривизна поверхности. Главные радиусы кривизны. Формула Лапласа. Смачивание и несмачивание жидкостью твердых поверхностей. Определение уровня жидкости в капиллярах. Равновесная форма объема жидкости со свободной поверхностью. Капиллярный распад жидких струй. Роль капиллярных явлений в природе и их использование в технике (капиллярные волны, распыленные потоки, тепловые трубы и т.п.). Течения жидкостей со свободной поверхностью - пленочные и струйные.
Тема 5. Режимы течения
Ламинарный и турбулентный режимы течения. Их принципиальные различия. Критические значения скорости. Число Рейнольдса и его критические значения. Зависимость критических значений числа Рейнольдса от внешних факторов (вибраций, неплавных входов в трубу). Критическое значение числа Рейнольдса при течении жидкостей в трубах.
Раздел II. Статика жидкостей и газов
Тема 6. Основные положения статики.
Основные задачи статики. Классификация сил, действующих в жидкости. Силы массовые (объемные) и поверхностные. Напряжения массовых и поверхностных сил. Тензор напряжений. Силы давления и их физическая природа. Напряжение сил давления (давление).
Равновесие жидкости в отсутствии массовых сил. Закон Паскаля. Гидравлический пресс. Гидравлические усилители в технических устройствах.
Тема 7. Равновесие жидкости в поле массовых сил.
Равновесие жидкой частицы в присутствии массовых сил. Основное дифференциальное уравнение гидростатики (уравнение Эйлера). Потенциальность массовых сил как условие возможности равновесия жидкости в поле массовых сил. Условия возможности равновесия неизотермической жидкости в поле силы тяжести. Естественная (свободная) конвекция.
Тема 8. Распределение давления в жидкостях и газах в поле силы тяжести.
Распределение давления в тяжелой несжимаемой жидкости. Поверхности уровня. Форма свободной поверхности. Сообщающиеся сосуды. Определение уровней жидкостей в сообщающихся сосудах, заполненных жидкостями с разной плотностью. Жидкостные манометры и микроманометры.
Распределение давления в тяжелом сжимаемом газе. Барометрическая формула. Альтиметры.
Тема 9. Силы давления, действующие на тела, погруженные в жидкость.
Определение сил давления, действующих на криволинейную поверхность и на тела, погруженные в тяжелую несжимаемую жидкость.Определение вертикальных и горизонтальных составляющих этих сил. Закон Архимеда. Центр давления.
Плавание тел и его устойчивость. Особенности плавания тел, не полностью погруженных в жидкость.
Тема 10. Распределение давления в поле сил инерции.
Распределение давления и форма поверхности жидкости в сосудах, движущихся равноускоренно.
Распределение давления и форма поверхности жидкости во вращающемся сосуде.
Циклонные аппараты и сепараторы.
Раздел III. Одномерные течения жидкостей и газов
Тема 11. Основные принципы описания потоков жидкостей и газов.
Основные принципы описания потоков жидкостей и газов. Поля давления, температуры и плотности. Физический смысл их градиентов. Изотермы, изобары, изохоры.
Поле скоростей. Линии и трубки тока. Поток жидкости через произвольную поверхность. Дивергенция и ротор скорости – их физический смысл. Объемный и массовый расходы жидкости. Связь между расходом и средней скоростью течения жидкости.
Понятие об одномерных течениях жидкостей и газов.
Тема 12. Законы сохранения. Уравнения неразрывности и Бернулли.
Законы сохранения в гидрогазодинамике. Закон сохранения массы и уравнение неразрывности (сплошности) для одномерных течений.
Закон сохранения энергии для одномерных течений. Общий вид уравнения Бернулли. Функция давления.
Тема 13. Уравнение движения и турбинное уравнение.
Закон сохранения импульса и уравнение движения для одномерных течений.
Закон сохранения момента импульса и его применение к движению жидкостей в турбинах. Турбинное уравнение.
Раздел IV. Одномерные течения несжимаемой жидкости.
Тема 14. Уравнения неразрывности и Бернулли для несжимаемой жидкости.
Уравнение неразрывности для несжимаемой жидкости. Изменение скорости потока при изменении площади его сечения.
Уравнение Бернулли для несжимаемой жидкости. Силовая интерпретация уравнения Бернулли. Напор. Изменение пьезометрического давления в жидкости при изменении скорости ее течения. Трубка Пито для измерения скорости жидкости. Эжекция. Кавитация.
Уравнение Бернулли для вязкой несжимаемой жидкости. Потери энергии и потери давления. Общие формулы для определение потерь давления в трубах и на местных сопротивлениях. Формулы Дарси и Дарси-Вейсбаха. Коэффициенты трения в трубах и местных сопротивлений.
Тема 15. Определение потерь давления в трубах и на местных сопротивлениях.
Определение потерь давления при течении жидкости в трубах. Закон сопротивления при ламинарном течении в трубах. Закон сопротивления при турбулентном течении жидкостей в гладких трубах (Закон сопротивления Блазиуса). Законы сопротивления в шероховатых трубах.
Определение потерь давления на местных сопротивлениях. Потери давления при внезапном расширении и сужении потока. Формула Борда. Другие примеры местных сопротивлений (задвижка, клапан, кран, и т.п.). Поворотные устройства. Дроссельные расходомеры. Трубка Вентури для измерения расхода жидкости.
Тема 16. Течение жидкости через конфузоры, диффузоры и отверстия.
Диффузоры и конфузоры. Изменение параметров потока несжимаемой жидкости (скорости и давления) при течении в диффузорах и конфузорах. Степень совершенства диффузора.
Истечение несжимаемой жидкости через отверстие в баке. Формула Торичелли. Коэффициенты скорости и расхода. Насадки.
Тема 17. Основные задачи и методы расчета трубопроводных систем
Мощность, затрачиваемая на движение жидкости в трубопроводе. Методика расчета потерь давления в простом трубопроводе. Расчет потерь давления при последовательном соединении простых трубопроводов. Расчет потерь давления при параллельном соединении простых трубопроводов. Расчет потерь давления в разветвленном трубопроводе.
Раздел V. Одномерные течения сжимаемого газа.
Тема 18. Основные уравнения течений сжимаемого газа.
Распространение малых возмущений (звука) в жидкостях и газах. Изотермическая и адиабатическая скорости звука. Число Маха. Соотношения между амплитудами параметров в звуковой волне. Гидравлический удар.
Особенности проявления законов сохранения в сжимаемом газе. Уравнение Бернулли для изотермического течения идеального газа. Уравнение Бернулли для адиабатного течения идеального газа.
Основные уравнения адиабатных течений идеального газа. Связь между параметрами газа в потоке с параметрами заторможенного газа.
Критические значения параметров газа и их связь с параметрами заторможенного газа.
Тема 19. Движение газа в трубе переменного сечения
Истечение газа через отверстие в баке. Формула Сен-Венана-Вентцеля. Явление запирания потока при истечении газа через отверстие в баке. Критический расход газа. Скоростной коэффициент и его связь с числом Маха.
Уравнение Гюгонио. Условия перехода значений скорости газа через скорость звука. Изменение скорости газа при движении в диффузорах и конфузорах. Сопло Лаваля и режимы его работы.
Тема 20. Ударные волны.
Распространение конечных возмущений в газах. Механизм формирования скачка уплотнения (ударной волны). Основные уравнения (неразрывности, движения, Бернулли) для ударной волны. Соотношения между скоростями газа перед и за фронтом ударной волны. Соотношения для скачков давления, плотности и температуры в ударной волне. Скорость распространения ударной волны. Уравнение ударной адиабаты (адиабата Гюгонио).
Раздел VI. Специальные течения жидкостей и газов
Тема 21. Обтекание тел потоком жидкости и газа.
Течение жидкостей у твердых поверхностей.Пограничный слой. Зависимость толщины пограничного слоя от числа Рейнольдса. Отрыв пограничного слоя. Вихревая зона.
Силы, действующие на тела, обтекаемые потоком жидкости и газа. Коэффициенты лобового сопротивления и подъемной силы. Зависимость коэффициента лобового сопротивления при обтекании шара от числа Рейнольдса. Формула Стокса. Кризис сопротивления. Механизм формирования подъемной силы. Качество крыла. Эффект Магнуса.
Тема 22. Течение жидкости в круглой трубе
Характер течения жидкостей на начальном участке и при стабилизированном течении жидкостей в круглых трубах (течение Пуазейля). Профиль скорости. Расход. Потери давления.
Плоскопараллельные течения Пуазейля и Куэтта.
Пленочные течения жидкостей по плоской и цилиндрической насадкам.
Тема 23. Особенности течения электропроводных жидкостей в магнитных полях.
Элементы магнитной гидродинамики. Сила Ампера и явление электромагнитной индукции в электропроводных жидкостях. МГД- насосы и МГД- генераторы.
Высокотемпературная плазма как газ электрически заряженных частиц. Газодинамические проблемы удержания плазмы в термоядерных источниках энергии. Пинч-эффект.
Тема 24. Неньютоновские жидкости.
Понятие о неньютоновских жидкостях, их реологических законах и особенностях течения. Бингамовские, псевдопластичные, дилатантные и взкоупругие жидкости.
Особенности течений эмульсий, суспензий и газожидкостных систем.