Прикладная гидрогазодинамика Сергель О.С.

Донушено Министерством высшего н среднего специального обрааоиаиия СССР и качестве учебника для студентов авиационных сиецнальиостей высших учебных зааедевий ББК 22.253.3 С32 УДК 532. 013 Сергель О, С. СЗ2 Прикладная гидрогазодинамнка: Учебник для авиационных вузов. — М.: Машиностроение, 1981.— 3?4 с., ил. В иере ! р. 29 к, 3 ! 808-! 89 ,С !89-8! 1708040000 088(0!)-8! © Издательство «Мавгикостроеиие», ! 98! г. ПРЕДИСЛОВИЕ В книге с общих позиций фундаментальных законов физики излагаются основы гндрогазодинамики. Материал, приводимый,в учебнике, соответствует программе курса «Прикладная гидрогазодинами~каз для студентов факультетов двигателей летательных аппаратов авиационных вузов и может быть использован студентами н инженерами других энергетических специальностей. Этот материал базируется иа предшествующих курсах математики, физики, механики и термодинамики н является фундаментом последующих курсов, таких как тепло- передача, лопаточные машины, реактивные двигатели, регулирование и испытание реактивных двигателей.

Автор уделил большое внимание выявлению физического смысла рассматриваемых явлений н уравнений, нх описывающих, Краткость изложения достигнута за счет широкого использования газодинамических функций при выводе формул и решенно задач. Для лучшего усвоения курса в текст включены задачи, которые необходимо решать при работе иад курсом. Это поможет ие только закрепить, но и расширить получаемые знания.

Предлагаемый учебник возник на основе учебного пособия автора [23~ и учета замечаний о его содержании и форме. Автор выражает глубокую благодарность рецензентам профессорам Виноградову' Б. С., Дубиискому М. Г. и доценту Панченко В. И., а также академику Люлька А. М., профессорам Абрамовичу Г. Н., Борисенко А.

Й., Гахуну Г. Г., Овсянникову Б. В., Степчкову А. А., доценту Сухареву А. Д. и другим товарищам за ценные замечания и помощь на различных зтапах работы нак. книгой. ВВЕДЕНИЕ Прикладная гидрогазодинамика — наука, изучающая законы движения жидкостей при их взаимодействии с твердыми телами и между самимн жидюстямн при скоростях:существенно меньших скорости света, т. е.

когда справедливы законы классической механики Ньютона и отсутствуют релятивистские эффекты. Жидкостями называются субстанции, обладающие легкоаодеижносгью нли текучестью, т, е, непрерывно и сколь угодно сильно деформирующиеся под действием сколь угодно малого срезывающего напряжения. Легкоподвнжностью в равной степени обладают капельные жидкости и газы. Поэтому и те и другяе называются одинаково — жидкость, Легкоподвнжность обеспечивает использование жидкостей в технике в качестве рабочих тел различных тепловых и гидравлических двигателей, агрегатов, систем охлаждения и смазки, плавание кораблей н полеты летательных аппаратов.

С другой стороны, легкоподвнжность и некоторые другие свойства настолько существенно усложняют процессы движения жидкостей по сравнению с движением твердых тел, что для их изучсння необходима специальная наука — механика жидкости. Механика жидкости бурно развивается н объединяет много различных направлений, обусловленных конкретными свойствами отдельных классов жидкостей н условиями протекания процессов нх движения. Прикладная гидрогазодинамнка, .в которой принимается ряд упрощенных моделей жидкостей н их движений, позволяющих получить результаты, удовлетворяющие по точности практику, является лишь ветвью механики жидкости. Курс состоит нз гидросгагики, 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 ари их взаимодействии с твердыми теламн и с жидкостями.

Динамика имеет два раздела: !. Гиллер один а мика — изучает законы д|вижения несжимаемой жидкости. При движении несжимаемой жидкости рассматриваемый объем может деформироваться, но не может изменить величины, т. е. плотность жидкости остается неизменной. Механическое движение несжимаемой жидкости не сопровождается термоди- намическимн процессами сжатия или расширения.

В современной технике широко используются гидравлические системы. Для авиационной техники это системы топливные, смазки, управления, охлаждения, Кроме того, в ряде случаев движение газа можно рассматривать как движение несжимаемой жидкости. 2. Газовая ди,нам нка — изучает движение газов при существенном изменении их плотности. Основная особенность газодннамического процесса — неразрывная связь одновременно протекающих механического процесса движения газа (главиым образом его ускорения или торможения) и термоди~намического процесса его расширения или сжатия.

Поэтому для анализа и расчета газодинамических процессов используются законы механики н термодинамики и изменение параметров состояния газа .может изображаться в ре, Гэ, (э координатах. Последнее помогает глубже усвоить их физическую сущность и упрощает расчеты, Несмотря иг общность основных физических законов, которым подчиняется движение любых жидкостей, процессы движения сжимаемой жидкости сложнее процессов движения несжимаемой и отличаются от иих не только качественно, но часто и количественно. Например, при течении несжимаемой жидкости по расширяющемуся каналу скорость ее движения всегда уменьшается. При течении газа цо расширяющемуся каналу, в зависимости от условий, скорость может и уменьшаться н увеличиваться,и не изменяться.

Как показывают теория и опыт, плотность существенно изменяется при движении газа с большими скоростями — ббльшимн 30...40ем от скорости распространения звука в этом газе, а также при подводе к газу нли отводе от него тепла н механической работы, Следовательно, газовая динамика это наука о законах движения еаза с большими скоростями, а нри энергетическом обмене с внешней средой — как нри двиэкении е большими, так и р малыми скоростями.

Значение гид~рогазодинамики для инженеров-теплотехников обусловлено тем, что все процессы течения газа в лопаточвых машинах, реактивных двигателях и других теплосиловых и испытательных установках суть газодинамическне. Газовая динамика учит управлять этими процессами и рассчитывать их. Только после газодинамического (эасчета, в котором определяются основные размеры двигателя и параметры газового потока, могут быть выполнены расчеты охлаждения и на прочность. На рис. 0.! даны схема турбореактивного двигателя с форсажной камерой сгорания (ТРДФ), графики изменения параметров газового потока вдоль его тракта и .идеального цикла ТРДФ в координатах ро н уэ.

Движение обращено: двигатель остановлен и на него направлен поток со скоростью полета )Ра. При этом изменение параметров воздушного потока по тракту н силовое взаимодействие двигателя и потока не меняются, что устанавливается принципом относительности движения.. Обращение движения (поток— двигатель) производится для того, чтобы вместо неустановившегося движеяия рассматривать установившееся. Рве. О.!. Гааодинамичеснис процессы в тРЛср Я ете Задача 0.1. Рассмотрите характер изменения скорости ))т и плотности о газоаого потока на выделснных участках тракта ТРДФ и докажите, что на иих происходят газодинамические процессы, Например, процесс на участке ах †(вход в компрессор — выход из компрессора) представляет сочетание механического процесса торможения ()ри< Ю'вв) и термодинамического процесса адиабатиога сжатия газа (йн>ов,) за счет подвода к газу механической работы в компрессоре и изменения площади канала, т.

е, является газодинамическим. г гз агг г 1 ра ~ и ги Рв Гв на Общая постановка задач в ирнкладной гидрогазодииамике 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 (о. 0 п р ед ел и т ь пространственно-временные поля всех параметров текущей жидкости, т. е. скорости, плотности, давления и температуры: и=-и(х, у, я, )); а=о(х, у, и, ~); и=и(х, у, е, г); о=о(х, у, з, г'); р=р(х, у, з, т); 7'= 7 (х, у, я, 1), (О.

1) где и, о, а — проекции вектора скорости жидкости %' на оси х, у, л произвольно выбранной системы координат; р, р, Т вЂ плотнос„ давление и температура жидкости. Решение поставленной задачи позволяет определить силовое и тепловое взаимодействие между потоком жидкости и твердыми телами, спроектировать и рассчитать работоспособную конструкцию двигателя, агрегата или летательного аппарата. Н зависимости ат заданных условий течения н определяемых параметров в гидрогазодинамике различают следующие группы задач.

Внутренние задачи — посвящены исследованию течений жидко. сти в различных каналах (см. рнс. 0.1). Ослозлое грзззснзс прикладной гохрогззоллозмико Основной Еззнсесзлй ззлол 1. Ззкан сахрзнення мэсси 2. Закан сахранення нмвульсв (Второй ззкан Ньютоне а двнжсннн) 3. Закон сахрзпення н презрев(синя энергии 4. Второй заков тсрмадннзмякн !.

Урззненне нерззрывнастя течения 2. 3, 4, Уравнение количества двнжсння в проекциях нз асн координат .г, м х 5. Урзвнепне энергнн 6. Уравнение нэменення знтрапнн газа В абнгем случке этн жесть урзвненнй являются независимыми. В частных случаях все анн астзютсн спрзвсдлявыня, на некатарые могут быть ззвяснминв. Нзпрнмср, прн тсчсннн нссжнмаемай жндкастн (р=сапэ!) пенэвестных остается пять я уравнения количества двнжепяя я эпергнн стзпазнтся эзвкснмимя (см.

и. 4.6), В дапапнсннс к перечне.генным фупдяментзльним прннцяпям в кпздяэе яспальзуютск нспамагзтедьние законы н уравнения, апнсынякнпне конкретные свойства изучаемых жндкастей: уравнение састаянкн сазерн!сената газа, эзканы Ныатанз а трении в жвдкастях, Фурье — а теплаправаднастн, Фнкз — а дяффузнн н т. и, После твердого усвоения этик основных прннцнпаз явсь астздьнай мзтерязл мажет быть освоен беэ особого труда. Внешние задачи — рассматривают внешнее обтекание твердых тел, например, летательного аппарата в полете нли его модели в аэродинамической трубе. Струйные задачи — посвящены изучению течения струй жидкостей,,вытекающих нз отверстий в пространство, не ограниченное твердыми стенками и заполненное жидкостью того же агрегатного состояния.