Р А Б О Ч А Я ... “Механика жидкости и газа”

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
“УТВЕРЖДАЮ”
Декан ФЛА,
профессор____________ К.А. Матвеев
“____”_________2006 г.
РАБОЧАЯ
ПРОГРАММА
по дисциплине “Механика жидкости и газа”
для студентов, обучающихся по направлению 150300 «Прикладная механика»
Факультет летательных аппаратов
Кафедра «Аэрогидродинамика»
Курс________4_______ Семестр _______8______
Лекции_____34_______час.
Экзамен ______-_________
семестры
Практические (семинарские)
занятия______-________час.
Зачёт_________8________
семестры
Лабораторные
занятия ________17______ час.
Контр. работы____- _____ час.
Курсовые работы_________час.
Курсовые проекты______час.
РГР_________8_______ сем.
Самостоятельная работа ___40_ час.
Всего часов______91_____
Новосибирск 2006 г.
2
Рабочая программа составлена на основании государственного
образовательного стандарта (ГОС) по направлению 150300 – “Прикладная
механика” для бакалавров техники и технологии, утверждённого 14 апреля
2000г. (Регистрационный номер 337 тех/бак).
Рабочая программа обсуждена на заседании кафедры Аэрогидродинамики
НГТУ,
Протокол № 9 от “ 19 “ сентября 2006 г.
Программу составил
доцент, к.т.н.
Однорал В.П.
Заведующий кафедрой АГД,
доцент, д.т.н.
Саленко С.Д.
Ответственный за образовательную программу
Зам.зав.каф. ПЛА
.,
д.т.н., доцент
Левин В.Е..
Председатель метод. совета ФЛА
д.т.н.,проф.
Кураев А.А.
3
1. Требования основаны на содержании государственного образовательного стандарта
(ГОС) по направлению: 553300 – “Прикладная механика” для бакалавров, утверждённого 14
апреля 2000г. (Регистрационный номер 337 тех/бак);
Бакалавр по направлению «Прикладная механика» должен
знать:
- методы курса «Механика жидкости и газа», основы механики жидкости и газа, аэро- и
газодинамики, основные модели и уравнение механики жидкости и газа, основы
теории пограничного слоя, критерии подобия в механике жидкости и газа.
Уметь применять:
- методы курса «Механика жидкости и газа» к решению задач расчета аэродинамики
элементов ЛА на дозвуковых, трансзвуковых и сверхзвуковых скоростях, расчета
сопротивлений движения жидкостей в трубопроводах
2. Особенности построения дисциплины
Курс входит в число общепрофессиональных дисциплин.
Основу курса составляет изучение методов расчета аэро- и гидродинамических сил на
обтекаемые жидкостью и газом тела: подъемной силы и сопротивлений профилей в до- и
сверхзвуковом потоке, сил давления потоков на стенки канала, потерь давления при течении
жидкости и газа в трубопроводе.
Базой для изучения курса «Механика жидкости и газа» являются основные разделы
высшей математики, теоретической механики и общей физики (разделы «механика» и
«термодинамика»).
3. Цели дисциплины
№ цели
Содержание цели
Студент будет иметь представление
1
2
3
4
5
6
7
8
9
О месте механики жидкости и газа как отдельного раздела в механике
сплошной среды, об основных гипотезах и допущениях, используемых
в теоретических и экспериментальных исследованиях механики
жидкости и газа.
О принципах, используемых при анализе движения жидкости и газа и
их силового взаимодействия с обтекаемыми телами.
О методах исследования движения идеальной жидкости и газа: методе
Эйлера и Лагранжа.
Об особенностях движения жидкой частицы – поступательном,
деформационном и вращательном. О потенциале скоростей и функции
тока.
О сложном неустановившемся пространственном движении сжимаемых
жидкости и газа, плоском и одномерном неустановившемся и
установившемся движении сжимаемых и несжимаемых жидкости и
газа.
Об основных уравнениях кинематики и динамики жидкости (газа). О
методах
линеаризации
нелинейных
уравнений
движения,
неразрывности, сохранения энергии.
О силовом взаимодействии тел с обтекающими их до- и
сверхзвуковыми газовыми потоками.
Об основах теории пограничного слоя и его роли в динамике вязкой
жидкости и газа.
Об основах теории подобия в механике жидкости и газа и основных
4
критериях подобия: Рейнольдса, Маха, Прандтля, Эйлера, Ньютона,
Струхаля.
Студент будет знать:
10
Основные физико-механические свойства жидкостей и газов и их место
в теоретических и экспериментальных исследованиях механики
жидкости и газа.
11
Основы теории вихревого движения жидкости и газа, вывод формулы
Био-Савара.
12
Вывод уравнений неразрывности, движения, сохранения энергии
идеальной жидкости (газа). Вывод интеграла Бернулли для
несжимаемого и сжимаемого газа.
13
Расчет параметров одномерного изоэнтропического потока идеального
сжимаемого газа. Особенности обтекания тел сверхзвуковым потоком
газа, возникновение прямых и косых скачков уплотнения.
14
Распределение давления по поверхности профиля в дозвуковом, и
сверхзвуковом потоке газа, особенности обтекания профиля
трансзвуковым потоком, критическое число Маха. Аэродинамические
силы и моменты, коэффициенты аэродинамических сил и моментов.
15
Вывод формулы Н.Е. Жуковского о подъемной силе. Вывод формулы
индуктивного сопротивления на основе вихревой модели крыла
конечного размаха.
16
Основные положения теории пограничного слоя.
17
Вывод уравнения Бернулли для течения вязкой жидкости в трубе.
Вывод формул местных и путевых потерь давления.
18
Элементы теории подобия в механике жидкости и газа. Основные
критерии подобия: Рейнольдса, Маха, Прандтля, Эйлера, Ньютона,
Струхаля.
Студент будет уметь
19
20
21
22
23
24
25
26
27
Пользоваться приборами для измерения параметров потока в рабочей
части дозвуковой аэродинамической трубы или другом закрытом
канале или на выходе из него.
Определять экспериментально скорость потока и расход газа, используя
приемник давления и наклонный микроманометр.
Пользоваться таблицами стандартной атмосферы.
Используя уравнение неразрывности, определять скорость, массовый и
объемный расход несжимаемой жидкости в любом сечении канала
переменного сечения.
Выполнить расчет параметров одномерного изоэнтропического потока
сжимаемого газа в канале переменного сечения, а также за прямым или
косым скачками уплотнения.
Определить значение коэффициентов аэродинамических сил и
продольного момента профиля по известному распределению давления,
положение центра давления и фокуса.
По известным параметрам потока и геометрическим параметрам канала
или обтекаемого тела определить режим течения и коэффициент
сопротивления трения.
Выполнить гидравлический расчет простого трубопровода переменного
сечения при наличии местных гидросопротивлений.
Рассчитать аэродинамические характеристики модели крыла по
результатам весовых испытаний модели.
5
4. Структура дисциплины
Модуль 1.
Основные законы кинематики и
динамики жидкостей и газов
Модуль 2.
Основы теории
потенциальных
течений
Модуль 3.
Основы теории
вихревых течений
Модуль 4.
Газовая
динамика
Модуль 7.
Теория
пограничного
слоя
Модуль 6.
Аэродинамические
характеристики крыла,
конечного размаха
Модуль 5.
Аэродинамичес
кие
характеристики
профиля
Модуль 8.
Основы
динамики
вязкой жидкости
и газа
Модуль 9.
Теория подобия.
Экспериментальная
аэромеханика
5. Содержание дисциплины
Ссылка на
цели курса
Часы
Темы лекционных занятий 8-й семестр
1,7,8,10,12
2
2,4
2
4,5
3
11,15
3
Введение. Задачи курса. Свойства жидкостей и газов. Плотность
и удельный вес. Внутреннее трение и вязкость. Сжимаемость.
Гидростатическое давление. Уравнение состояния идеального
газа. Некоторые вопросы термодинамики.
Кинематика жидкой среды. Методы исследования движения
жидкости. Классификация движения жидкости (газа). Линия
тока. Трубка тока.
Циркуляция скорости. Теорема Коши-Гельмгольца о разложении
скорости жидкого элемента. Потенциальное движение.
Потенциал скорости. Функция тока.
Основы теории вихревого движения жидкости. Вихревая линия.
Вихревая трубка. Теорема Стокса. Теорема Гельмгольца о
вихрях. Формула Био-Савара.
6
3,6,7,12
2
12,13
2
13,23
2
7,13
3
24,27
2
14,24,15,27
2
14,15,24
2
15
2
8,16,17
3
8,17,25,26
2
9,27
2
Основы динамики движения идеальной жидкости (газа)
уравнение неразрывности. Уравнения идеальной жидкости в
форме Эйлера, Громеки.
Интегрирование уравнений движения идеальной жидкости.
Интеграл Лагранжа – Бернулли. Уравнение количества движения
идеальной жидкости.
Одномерное изоэнтропические движение идеального газа.
Приведенная скорость. Газодинамические функции.
Зависимость площади поперечного сечения струйки и скоростью
газа. Скачки уплотнения. Основные соотношения для прямого
скачка уплотнения. Косые скачки уплотнения.
Аэродинамические силы и моменты, действующие на профиль
крыла, коэффициенты аэродинамических сил и моментов. Центр
давления. Фокус профиля. Поляра первого рода.
Профиль крыла в дозвуковом потоке газа. Линеаризация
уравнений движения идеального газа методом малых
возмущений. Учет сжимаемости.
Профиль крыла в трансзвуковом потоке газа. Критическая
скорость, критическое число Маха. Обтекание тонкой пластины
сверхзвуковым потоком газа. Тонкий профиль в сверхзвуковом
потоке газа.
Вихревая модель крыла конечного размаха. Формула Н.Е.
Жуковского о подъемной силе. Скос потока. Индуктивное
сопротивление.
Основы теории пограничного слоя. Интегральное соотношение
для установившегося течения в пограничном слое несжимаемой
жидкости. Расчет характеристик ламинарного и турбулентного
пограничных слоев. Толщина вытеснения. Толщина потери
импульса.
Течение вязкой жидкости в трубах. Уравнение Бернулли для
течения вязкой жидкости в трубе. Режимы течения. Путевые и
местные потери давления. Кавитация. Гидроудар.
Основы теории подобия. Масштабные коэффициенты. Критерии
подобия в аэрогидромеханике.
Темы лабораторных работ
Ссылка на
цели курса
Часы
19,20
4
Темы
Выполнив работу,
студент научится
Аэродинамическ Проводить эксперименты на дозвуковой
ая
труба
и аэродинамической трубе с открытой рабочей
приборы
для частью.
Пользоваться
приборами
для
измерения
измерения
скорости
потока:
скорости потока. комбинированным приемником давления,
наклонным микроманометром. Определять
скорость потока.
7
7,9,19,20,24
4
7,27
4
9,25
4
Распределение
давления
по
поверхности
крыла.
Измерять
распределение давления по
поверхности профиля модели крыла с
помощью батарейного манометра. По
известному
распределению
давления
рассчитывать
коэффициенты
аэродинамических
сил
и
моментов,
координаты центра давления и фокуса
профиля крыла.
Определение
Пользоваться тензометрическими весами и
аэродинамическ контрольно-измерительными приборами для
их
весовых испытаний моделей. По результатам
характеристик
измерений
рассчитывать
коэффициенты
моделей
при аэродинамических
сил
и
моментов,
помощи
координаты центра давления и фокуса
тензометрически модели.
х весов.
Неоптические
Проводить визуализацию газовых потоков с
методы
помощью следующих неоптических методов:
визуализации
дымового, нитей и масляной пленки.
газовых потоков. Определять по виду линий тока режим
течения, зоны безотрывного обтекания и
отрывные зоны на моделях, зоны вихревых
течений, застойные зоны на макетах застроек.
Расчетно-графическое задание
Ссылка на
цели курса
11,15
7,13,23
Содержание
1. Построение
эпюр
распределения
погонной нагрузки, перерезывающей
силы, изгибающего момента по размаху
крыла для эллиптического закона
распределения циркуляции скорости по
размаху.
2. Расчет
параметров
сверхзвукового
потока в канале переменного сечения и
на прямом скачке уплотнения.
Выполняя РГР
студент:
Закрепляет
теорию
потенциальных
и
вихревых
течений,
теорию
крыла
конечного размаха.
Закрепляет
теорию
одномерных
изоэнтропических
и
неизоэнтропических
течений газа.
6. Описание и система оценки деятельности студента.
К зачету по курсу допускаются студенты, выполнившие расчетно-графическую работу и
выполнившие и защитившие 4 лабораторные работы.
7. Контролирующие материалы:
Зачет по итогам 8-го семестра.
Вопросы на зачет:
1. Основные физико-механические свойства жидкостей и газов.
2. Принципы и гипотезы, принятые в механике жидкости и газа.
3. Методы исследования в механике жидкости и газа.
4. Уравнение движения идеальной жидкости в форме Эйлера.
5. Уравнение движения в форме Громеки.
8
6. Уравнение неразрывности.
7. Уравнение сохранения энергии.
8. Линия тока, трубка тока. Циркуляция скорости.
9. Потенциальное течение. Потенциал скорости. Функция тока.
10. Теорема Коши-Гельмгольца о разложении скорости жидкого элемента.
11. Вихревое движение. Вихревая линия, вихревая трубка, напряженность вихря.
12. Теорема Стокса. Теорема Гельмгольца о вихрях.
13. Интеграл Бернулли для несжимаемой жидкости.
14. Уравнение Бернулли для сжимаемого газа.
15. Одномерное изоэнтропическое течение сжимаемого идеального газа. Приведенная
скорость.
16. Газодинамические
функции,
их
применение
для
расчета
параметров
изоэнтропического течения газа.
17. Зависимость скорости течения от площади поперечного сечения струйки. Сопло
Лаваля.
18. Сверхзвуковое течение идеального газа. Прямой скачок уплотнения. Соотношение
скоростей на прямом скачке уплотнения.
19. Соотношение плотностей и давления на прямом скачке уплотнения.
20. Соотношение температур на прямом скачке уплотнения.
21. Косой скачок уплотнения. Соотношение скоростей на косом скачке уплотнения.
22. Давление в критической точке тела, обтекаемого сверхзвуковым потоком. Формула
Рэлея.
23. Профиль крыла в дозвуковом потоке. Линеаризация уравнений.
24. Профиль крыла в трансзвуковом потоке. Критическое число Маха.
25. Аэродинамические силы и моменты крыла. Коэффициенты аэродинамических сил и
моментов. Поляра первого рода.
26. Профиль крыла в сверхзвуковом потоке. Линеаризация уравнения Бернулли методом
малых возмущений.
27. Циркуляционное обтекание цилиндра. Формула Н.Е. Жуковского о подъемной силе.
28. Вихревая модель крыла конечного размаха. Скос потока.
29. Индуктивное сопротивление крыла конечного размаха.
30. Динамика вязкой жидкости и газа. Пограничный слой. Ламинарный и турбулентный
пограничный слой.
31. Интегральное соотношение Кармана.
32. Расчет толщины ламинарного погранслоя. Расчет трения.
33. Расчет толщины турбулентного погранслоя. Расчет трения.
34. Уравнение Бернулли для вязкой жидкости. Коэффициенты Кориолиса.
35. Потери давления при течении вязкой жидкости в трубе. Формула Дарси-Вейсбаха.
36. Ламинарное и турбулентное течение жидкости (газа). Коэффициенты сопротивления
при ламинарном и турбулентном режимах. Местные гидросопротивления.
37. Определение расходов. Расходомер Вентури. Кавитация.
38. Основы теории подобия. Масштабные коэффициенты.
39. Критерии подобия : Re, M, Pr, Eu, Sh, их физический смысл.
ПАСПОРТ
комплекта итоговых контролирующих материалов, спецификация
по направлению: 150300 “Прикладная механика”
дисциплина: « Механика жидкости и газа»
разработчик: кафедра Аэрогидродинамики, Однорал В.П.
9
Паспорт комплекта КМ содержит основные характеристики комплекта и
предназначен для использования:
- при подготовке контролирующих материалов;
- при проведении контроля;
- при анализе результатов контроля.
1.
Соответствует Государственному образовательному стандарту
высшего профессионального образования (ГОС ВПО) по направлению 150300 –
“Прикладная механика” для бакалавров техники и технологии, утверждённого
14 апреля 2000г. (Регистрационный номер 337 тех/бак).
1.1 Задания КМ соответствует целям дисциплины «Прикладная механика».
1.2 Задания КМ соответствуют содержанию дисциплины.
2. Вид контроля – контроль остаточных знаний.
3. Содержание и цели контроля – КМ охватывают все темы дисциплины
«Прикладная механика».
4. Форма КМ – билеты для письменной аттестации.
5. Характеристика заданий – Экзаменационный билет, содержащий три вопроса
из различных разделов курса.
6. Измерение результата контроля. Провести проверку работ студентов с
выставлением оценки по пятибалльной шкале за выполнение каждого задания.
Итоговая оценка рассчитывается как сумма коэффициентов, соответствующих
баллам за выполнение каждого задания согласно таблице.
Оценка
Отлично (5 баллов)
Хорошо (4 балла)
Удовлетворительно (3 балла)
Неудовлетворительно (2 балла)
Коэффициент
1,00
0,80
0,60
0,29
Вопросы для контроля остаточных знаний
по дисциплине “Механика жидкости и газа”
для студентов, обучающихся по направлению 150300
“Прикладная механика”
Факультет летательных аппаратов
Кафедра «Аэрогидродинамика»
Курс________4______ Семестр _______8 ______
1 Основные физико-механические свойства жидкостей и газов.
2 Методы исследования в механике жидкости и газа.
3 Уравнение неразрывности.
4 Линия тока, трубка тока. Циркуляция скорости.
5 Потенциальное течение. Потенциал скорости. Функция тока.
6 Вихревое движение. Вихревая линия, вихревая трубка, напряженность вихря.
7 Интеграл Бернулли для несжимаемой жидкости.
8 Уравнение Бернулли для сжимаемого газа.
9 Одномерное изоэнтропическое течение сжимаемого идеального газа. Приведенная
скорость.
10 Газодинамические
функции,
их
применение
для
расчета
параметров
изоэнтропического течения газа.
10
11 Зависимость скорости течения от площади поперечного сечения струйки. Сопло
Лаваля.
12 Сверхзвуковое течение идеального газа. Прямой скачок уплотнения. Соотношение
скоростей на прямом скачке уплотнения.
13 Соотношение плотностей и давления на прямом скачке уплотнения.
14 Соотношение температур на прямом скачке уплотнения.
15 Косой скачок уплотнения. Соотношение скоростей на косом скачке уплотнения.
16 Профиль крыла в дозвуковом потоке. Линеаризация уравнений.
17 Профиль крыла в трансзвуковом потоке. Критическое число Маха.
18 Аэродинамические силы и моменты крыла. Коэффициенты аэродинамических сил и
моментов. Поляра первого рода.
19 Профиль крыла в сверхзвуковом потоке. Линеаризация уравнения Бернулли методом
малых возмущений.
20 Циркуляционное обтекание цилиндра. Формула Н.Е. Жуковского о подъемной силе.
21 Вихревая модель крыла конечного размаха. Скос потока.
22 Индуктивное сопротивление крыла конечного размаха.
23 Динамика вязкой жидкости и газа. Пограничный слой. Ламинарный и турбулентный
пограничный слой.
24 Интегральное соотношение Кармана.
25 Расчет толщины ламинарного погранслоя. Расчет трения.
26 Расчет толщины турбулентного погранслоя. Расчет трения.
27. Толщина вытеснения. Толщина потери импульса.
28. Уравнение Бернулли для вязкой жидкости. Коэффициенты Кориолиса.
29 Потери давления при течении вязкой жидкости в трубе. Формула Дарси-Вейсбаха.
30 Ламинарное и турбулентное течение жидкости (газа). Коэффициенты сопротивления
при ламинарном и турбулентном режимах. Местные гидросопротивления.
31. Определение расходов. Расходомер Вентури. Кавитация.
Образцы билетов для контроля остаточных знаний
по дисциплине “ Механика жидкости и газа”
для студентов, обучающихся по направлению 150300 –
“Прикладная механика”
БИЛЕТ
N …
для контроля остаточных знаний по дисциплине “ Механика жидкости и газа”
студентов ФЛА, обучающихся по направлению 150300 – “Прикладная механика”
1.
2.
3.
Основные физико-механические свойства жидкостей и газов.
Уравнение Бернулли для идеальной несжимаемой жидкости.
Прямой скачок уплотнения. Изменение параметров газа на прямом скачке уплотнения.
Составил ______________________ Дата __ 12 . 04 ___ 2006 г.
Утверждаю: Зав. кафедрой АГД __________________
БИЛЕТ
N …
11
для контроля остаточных знаний по дисциплине “ Механика жидкости и газа ”
студентов ФЛА, обучающихся по направлению 150300 – “Прикладная механика”
1.
2.
3.
Тpаектоpии, линии и тpубки тока.
Уравнение Бернулли для вязкой жидкости.
Аэродинамические силы моменты, действующие на крыло.
Составил ______________________ Дата __ 12 . 04 ___ 2006 г.
Утверждаю: Зав. кафедрой АГД __________________
1.
2.
3.
4.
8. Список литературы:
Мхитарян А.М. Аэрогидромеханика, М., «Машиностроение», 1984, 352с.
Фабрикант Н.Я. Аэродинамика, М., «Наука», 1964, 816с.
Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа, М., «Наука», 1970, 904с.
Башта Т.М., Руднев С.С., Некрасов Б.Б. и др. М., «Машиностроение», 1982, 424с.
Дополнительная:
5. Аржанников Н.С., Мальцев В.Н. Аэродинамика, М., «Оборонгиз», 1956, 484с.
6. Горлин С.М., Слезингер И.Н. Аэромеханические измерения. М., «Наука», 1964, 720с.
7. Бондарев Е.Н., Дубасов В.Т., Рыжов Ю.А. и др. Аэрогидромеханика, М.,
«Машиностроение», 1993, 608с.
Перечень наглядных пособий, методических указаний и технических средств обучения:
8. Кураев А.А., Ларичкин В.В., Саленко С.Д. Сборник задач по аэрогидромеханике.
Учебн. Пособие НГТУ. Новосибирск, 1994, 105с.
9. Кураев А.А. Аэродинамика, НЭТИ, 1981, 46с.
Методические указания к проведению лабораторных работ:
10. Кураев А.А., Обуховский А.Д., Саленко С.Д. и др. Лабораторный практикум по
аэродинамике. НГТУ, 2001, 51с.
11. Харитонов А.М., ред. Методы аэрофизического эксперимента: Лабораторный
практикум, НГТУ, 1995, 287с.
12. Саленко С.Д. Весовые испытания модели в аэродинамической трубе. НЭТИ, 1988,
21с.
13. Кураев А.А., Подружин Е.Г., Саленко С.Д. Неоптические методы визуализации
газовых потоков, НЭТИ, 1982, 14с.
Демонстрационные установки:
14. Аэродинамическая труба СС-19.
15. Модели крыльев.
16. Дымовая аэродинамическая труба.
Технические средства обучения:
17. Плакаты.
18. ЭВМ типа IВМ с пакетом прикладных программ.