Общая постановка задач в прикладной гидрогазодинамике
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ГАЗОГИДРОМЕХАНИКА, ТЕПЛОМАССООБМЕН И КОМПЬЮТЕРНЫЙ ИНЖИНИРИНГ
Конспект лекций для студентов направления 16.04.03 «Холодильная, криогенная техника и системы жизнеобеспечения», профиль «Холодильные и криогенные агенты в технике и технологии пищевых производств»
Краснодар 2015
Составитель: к.т.н., доц. каф. ТОиСЖ Орлов Б.Ю.
Вычислительная газогидромеханика, тепломассообмен и компьютерный инжиниринг: конспект лекций для студентов направления 16.04.03 «Холодильная, криогенная техника и системы жизнеобеспечения», профиль «Холодильные и криогенные агенты в технике и технологии пищевых производств» / Сост. Орлов Б.Ю. – КубГТУ, каф. ТОиСЖ.- Краснодар, 2015. – 11 с. Режим доступа: http://www.moodle.кubstu.ru (по паролю).
Представлены темы лекций, их краткое содержание, предложен список рекомендуемой литературы.
Рецензент: к.т.н., доц. Никонов О.И. каф. ТОиСЖ КубГТУ
Содержание
1. Лекция № 1 Предмет газогидромеханики. Основные уравнения газогидромеханики. Энергетическая интерпретация уравнения Бернулли. Анализ газодинамических функций потока газа. Ускорение газового потока………………………………………………………………………………4
2. Лекция № 2 Уравнения движения газожидкостных потоков.
Режимы течения. Анализ гидравлических сопротивлений.
Методы расчета простых и разветвленных газогидравлических трубопроводов. Прикладные программы расчета газогидравлических
систем……………………………………………………………………………...7
3. Лекция № 3 Тепломассообмен в газожидкостных системах при
ламинарных и турбулентных режимах течений. Тепломассообмен при фазовых переходах. Интенсификация тепломассообмена в элементах низкотемпературных систем……………………………………………………10
Список рекомендуемой литературы……………………………………………11
Лекция № 1
Предмет газогидромеханики. Основные уравнения газогидромеханики. Энергетическая интерпретация уравнения Бернулли. Анализ газодинамических функций потока газа. Ускорение газового потока.
1 Предмет газогидромеханики
Некоторые свойства жидкостей и газов настолько существенно усложняют процессы их движения по сравнению с движением твердых тел, что для их изучения необходима специальная наука — гидрогазомеханика. Механика жидкости и газа бурно развивается и объединяет много различных направлений, обусловленных конкретными свойствами отдельных классов жидкостей и газов, условиями протекания процессов их движения.
Гидрогазодинамика — наука, изучающая законы движения жидкостей и газов при их взаимодействии с твердыми телами и между самими жидкостями и газами при скоростях существенно меньших скорости света, т. е. когда справедливы законы классической механики Ньютона и отсутствуют релятивистские эффекты и является лишь ветвью механики жидкости и газа. Прикладная гидрогазодинамика, в которой принимается ряд упрощенных моделей жидкостей и их движений, позволяющих получить результаты, удовлетворяющие по точности практику, является лишь ветвью механики жидкости. Прикладная гидрогазодинамика состоит из гидростатики, в которой изучается равновесие жидкостей и тел в них погруженных, кинематики, где исследуется движение жидкостей вне связи с определяющими движение взаимодействиями, и динамики, изучающей движение жидкостей при их взаимодействии с твердыми телами и с жидкостями.
Динамика имеет два раздела:
1. Гидродинамика — изучает законы движения несжимаемой жидкости. При движении несжимаемой жидкости рассматриваемый объем может деформироваться, но не может изменить величины.
2.Газовая динамика — изучает движение газов при существенном изменении их плотности. Основная особенность газодинамического процесса — неразрывная связь одновременно протекающих механического процесса движения газа и термодинамического процесса его расширения или сжатия. Поэтому для анализа и расчета газодинамических процессов используются законы механики и термодинамики.
Общая постановка задач в прикладной гидрогазодинамике
Дано:
1. Область течения жидкости и ее свойства.
2. Твердые тела, обтекаемые жидкостью, или канал, по которому она течет, и энергетическое воздействие на жидкость.
3. Значение параметров жидкости на границе области в начальный момент времени.
Определить пространственно-временные поля всех параметров текущей жидкости, т.е. скорости, плотности, давления и температуры:
(2.1)
где — проекции вектора скорости жидкости на оси произвольно выбранной системы координат; — плотность, давление и температура жидкости.
Различают следующие типы задач. Внутренние задачи — посвящены исследованию течений жидкости в различных каналах. Внешние задачи — рассматривают внешнее обтекание твердых тел, например, летательного аппарата в полете или его модели в аэродинамической трубе. Струйные задачи — посвящены изучению течения струй жидкостей, вытекающих из отверстий в пространство, не ограниченное твердыми стенками и заполненное жидкостью того же агрегатного состояния. Например, взаимодействие струи выхлопных газов реактивного двигателя с воздухом.
Каждая из перечисленных задач может быть прямой или обратной. Если заданы невозмущенный поток, форма, размеры и положение обтекаемых тел, а требуется определить поля параметров жидкости, то задача называется прямой. Если заданы поля параметров, а требуется определить параметры невозмущенного потока и характеристики твердых тел, обеспечивающих получение заданных полей, то задача называется обратной.
2 Основные уравнения
Основной физический закон
| Основное уравнение прикладной гидрогазодинамики
| 1. Закон сохранения массы
2. Закон сохранения импульса (Второй закон Ньютона о движении)
3. Закон сохранения и превращения энергии
4. Второй закон термодинамики
| 1. Уравнение неразрывности течения
2, 3, 4. Уравнение количества движения в проекциях на оси координат
5.Уравнение энергии
6. Уравнение изменения энтропии газа
|
Прикладная гидрогазодинамика имеет простую логически стройную структуру. Анализ всех течений и решение всех задач: базируется всего лишь на следующих четырех основных законах физики и шести основных уравнениях, выражающих в математической форме все те же четыре основных закона.
3 Энергетическая интерпретация уравнения Д. Бернулли
Сумму членов уравнения Бернулли с энергетической точки зрения можно представить как сумму удельной кинетической и удельной потенциальной энергий в любом сечении потока при установившемся движении жидкости, а четвертый член уравнения hw как потерю механической энергии на преодоление сил трения при перемещении единицы массы жидкости от сечения 1-1 ксечению 2-2. В связи с этим линию NN можно назвать линией полной удельной энергии потока, а линию рр – линией удельной потенциальной энергии.
Гидравлический уклон с энергетической точки зрения необходимо рассматривать как уменьшение полной удельной энергии на единицу длины потока.
4 Литература [16, с. 184-192, 233-267].
5 Литература [16, с. 143-178].
Лекция № 2
Уравнения движения газожидкостных потоков. Режимы течения. Анализ гидравлических сопротивлений. Методы расчета простых и
разветвленных газогидравлических трубопроводов. Прикладные программы расчета газогидравлических систем.
Установившимся стационарным движением жидкости называется такое движение, при котором в каждой данной точке основные элементы движения жидкости – скорость движения и и гидродинамическое давление р не изменяются с течением времени, т.е. зависят только от координат точки. Аналитически это условие запишется так:
и .
Неустановившимся (нестационарным) движением жидкости называется такое движение, при котором в каждой данной точке основные элементы движения жидкости – скорость движения и и гидродинамическое давление р – постоянно изменяются, т.е. зависят не только от положения точки в пространстве, но и от времени . Аналитически это условие запишется так:
и .
Примером установившегося движения может быть: движение жидкости в канале, в реке при неизменных глубинах, истечение жидкости из резервуара при постоянном уровне жидкости в нем и др. Неустановившееся движение – это движение жидкости в канале или реке при переменном уровне или при опорожнении резервуара, когда уровень жидкости в нем непрерывно изменяется.
В дальнейшем будет изучаться главным образом установившееся движение жидкости и в отдельных случаях будут разбираться примеры неустановившегося движения.
Установившееся движение в свою очередь подразделяется на равномерное и неравномерное.
Равномерным называется такое установившееся движение, при котором живые сечения вдоль потока не изменяются: в этом случае ; средние скорости по длине потока также не изменяются, т.е. . Примером равномерного движения является: движение жидкости в цилиндрической трубе, в канале постоянного сечения при одинаковых глубинах.
Установившееся движение называется неравномерным, когда распределение скоростей в различных поперечных сечениях неодинаково; при этом средняя скорость и площадь поперечного сечения потока могут быть и достоянными вдоль потока. Примером неравномерного движения может быть движение жидкости в конической трубе или в речном русле переменной ширины.
Напорным называется движение жидкости, при котором поток полностью заключен в твердые стенки и не имеет свободной поверхности. Напорное движение происходит вследствие разности давлений и под действием силы тяжести. Примером напорного движения является движение жидкости в замкнутых трубопроводах (например, в водопроводных трубах).
Безнапорным называется движение жидкости, при котором поток имеет свободную поверхность. Примером безнапорного движения может быть: движение жидкости в реках, каналах, канализационных и дренажных трубах. Безнапорное движение происходит под действием силы тяжести и за счет начальной скорости. Обычно на поверхности безнапорного потока давление атмосферное.
Следует отметить еще один вид движения: свободную струю. Свободной струей называется поток, не ограниченный твердыми стенками. Примером может служить движение жидкости из пожарного брандспойта, гидромонитора, водопроводного крана, из отверстия резервуара и т. п. В этом случае движение жидкости происходит по инерции (т. е. за счет начальной скорости) и под действием силы тяжести.
Для упрощения выводов, связанных с изучением потока жидкости, вводится понятие о плавно изменяющемся движении жидкости.
Плавно изменяющимся называется такое движение жидкости, при котором кривизна струек незначительна (равна нулю или близка к нулю) и угол расхождения между струйками весьма мал (равен нулю или близок к нулю), т. е. практически поток жидкости мало отличается от параллельноструйного. Это предположение вполне оправдывается при изучении многих случаев движения жидкости в каналах, трубах и других сооружениях.
Анализ гидравлических сопротивлений
Местные потери напора вызываются сопротивлениями в арматуре, фасонных частях и оборудовании, вследствие сужения и расширения потока, изменения направления движения жидкости, слияния и разделения потока и т. п.
Потери на преодоление местных сопротивлений в наружных сетях водопровода обычно не превышают 10-15%, во внутренних сетях – 30% от потерь напора по длине.
Однако местные потери напора в некоторых видах инженерных сетей могут достигать значительной величины: так, например, в системах отопления зданий – до 40%, в воздуховодах вентиляционных систем и пневмотранспорта – до 60-70% от потерь напора по длине.
Местные потери напора определяют как произведение скоростного напора непосредственно вблизи местного сопротивления ,по формуле
.
Методы расчета простых и разветвленных газогидравлических трубопроводов
При расчетах напорных трубопроводов основной задачей является либо определение пропускной способности (расхода), либо потери напора на том или ином участке, равно как и на всей длине, либо диаметра трубопровода на заданных расходе и потерях напора.
В практике трубопроводы делятся на короткие и длинные. К первым относятся все трубопроводы, в которых местные потери напора превышают 5…10% потерь напора по длине. При расчетах таких трубопроводов обязательно учитывают потери напора в местных сопротивлениях. К ним относят, к примеру, маслопроводы объемных передач.
Ко вторым относятся трубопроводы, в которых местные потери меньше 5…10% потерь напора по длине. Их расчет ведется без учета местных потерь. К таким трубопроводам относятся, например, магистральные водоводы, нефтепроводы.
Учитывая гидравлическую схему работы длинных трубопроводов, их можно разделить также на простые и сложные. Простыми называются последовательно соединенные трубопроводы одного или различных сечений, не имеющих никаких ответвлений. К сложным трубопроводам относятся системы труб с одним или несколькими ответвлениями, параллельными ветвями и т.д. К сложным относятся и так называемые кольцевые трубопроводы.
Прикладные программы расчета газогидравлических систем
1. Исследование теплообмена в воздухоохладителе холодильной машины в режиме низкотемпературной сушки.
2. Оптимизация характеристик газоструйной холодильной машины в режиме низкотемпературной обработки молока.
3. Оптимизация режимных характеристик газогидравлических процессов простых и разветвленных трубопроводов.
4. Исследование режимных характеристик оборудования водоохладительных установок.
5. Программа технологических расчетов – «Гидросистема». Презентация. Демо-ролик. Демо-версия.
Лекция № 3
Тепломассообмен в газожидкостных системах при ламинарных и турбулентных режимах течений. Тепломассообмен при фазовых переходах. Интенсификация тепломассообмена в элементах низкотемпературных систем.
Литература:
1. [13, с. 247-281; 14, с. 62-74]
2. [15, модуль 3]
Определение и классификация процессов конденсации. Теплообмен при конденсации чистых паров. Термодинамические условия протекания процесса, пленочная и капельная конденсация, связь расхода конденсата и теплового потока на стенке.
3. [5-7, 11, 12].
Список рекомендуемой литературы
1. Емцев, Б.Т. Техническая гидромеханика / Б.Т. Емцев. – М.: Машиностроение, 2005. – 460 с.
2. Лойцянский, Л.Г. Механика жидкости и газа: Учеб. для вузов. – 7- е изд., испр. / Л.Г. Лойцянский. – М.: Дрофа, 2004. – 840 с., 311 ил., 22 табл.
3. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы / Т.М. Башта, С.С. Руднев, Б.Б. Некрасов и др. – М.: Машиностроение, 1982. – 423 с.
4. Гиргидов, А.Д. Техническая механика жидкости и газа / А.Д. Гиргидов. – Спб.: Изд-во СпбГТУ, 2001. – 395 с.
5. Холодильные машины / Под ред. И.А. Сакуна. – Л.: Машиностроение, 2005. – 510 с.
6. Данилова, Г.Н., Богданов С.Н., Иванов О.П. Теплообменные аппараты холодильных установок / Г.Н. Данилова, С.Н. Богданов, О.П. Иванов. - Л.: Машиностроение, 2003. – 328 с.
7. Теплообменные аппараты, приборы автоматизации и испытания холодильных машин / Под ред. А.В. Быкова. - М.: Легкая и пищевая пром-сть, 2004.- 248 с.
8. Штеренлихт, Д.В. Гидравлика. В 2-х кн. Кн. 1 – 349 с., кн. 2 – 366 с. – М.: Энергоатомиздат, 2001.
9. Повх, И.Л. Техническая гидромеханика / И.Л. Повх.– Л.: Машиностроение,
1976. – 502 с.
10. Сборник задач по машиностроительной гидравлике / Д.А.Бутаев, З.А. Калмыкова, Л.Г. Подвидз и др. – СПб.: Изд-во СПбГТУ, 2004. – 464 с.
11. Интенсификация теплообмена в испарителях холодильных машин /
А.А. Гоголин, Г.Н. Данилова, В.М. Азарсков, Н.М. Медникова. – М.:
Легкая и пищевая пром-сть, 2004. – 224 с.
12. Тепловые и конструктивные расчеты холодильных машин / Под ред. Н.Н. Кошкина. – Л.: Машиностроение, 2006. – 464 с.
13. Цветков, Ф. Ф. Тепломассообмен: учебник [Текст] / Ф.Ф. Цветков, Б.А. Григорьев. – М.: Издательский дом МЭИ, 2011. – 562 с.
14. Суслов, В.А. Тепломассообмен: учебное пособие. – 3-е изд. перераб. и доп. [Текст] / В.А. Суслов. – СПб.: ГОУ ВПО СПбГТУРП, 2008. – 120 с.: ил.
15. Тепломассообмен [Электронный ресурс] : курс лекций / М. С. Лобасова,
К. А. Финников, Т. А. Миловидова и др. – Электрон. дан. (4 Мб). – Красноярск : ИПК СФУ, 2009. – (Тепломассообмен : УМКД № 1536–2008 / рук. творч.коллектива М. С. Лобасова). – 1 электрон. опт. диск (DVD). – Систем. требования : Intel Pentium (или аналогичный процессор других производителей) 1 ГГц ; 512 Мб оперативной памяти ; 50 Мб свободного 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).
16. Абрамович, Г.Н. Прикладная газовая динамика. В 2 ч. Ч. 1: Учеб. руководство: Для втузов. – 5-е изд., перераб. и доп. – М.: Наука, 1991 – 600 с.
Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту:
©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.
|