Первое высшее техническое учебное заведение России

Дата: 2025-05-01; Просмотры: 1

Оценка:

0.00 из 5.00 — оценок

Скачиваний: 0

Скачать

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра разработки месторождений полезных ископаемых

Реферат

По дисциплине ИСТОРИЯ ГОРНОЙ НАУКИ

^{(наименование учебной дисциплины согласно учебному плану)}

Тема: Гидрогазодинамика

Выполнил: студент гр. БТБ-19 Суворова Э.Н.

^{(подпись) (Ф.И.О.)}

ОЦЕНКА:

Дата:

ПРОВЕРИЛ: доцент Дмитриев П.Н.

^{(должность) (подпись) (Ф.И.О.)}

Санкт-Петербург

2019 год

Введение.. 2

Глава 1. История дисциплины... 4

Глава 2. Значение и задачи гидромеханики на современном этапе развития науки и техники.. 7

Глава 3. Связь с другими учебными дисциплинами.. 8

Глава 4. Цели и задачи дисциплины... 10

Глава 5. Виды учебной дисциплины... 11

Глава 6. Компетенции.. 13

Заключение.. 14

Библиография.. 15

Введение

Гидрогазодинамика – наука о движении и равновесии жидкостей и газов, а также о их взаимодействии между собой и с твердыми телами – является разделом механики сплошных сред. В отличие от твердых тел, в которых молекулярные силы сцепления весьма велики, жидкости, и в особенности газы, обладают относительно слабыми межмолекулярными связями. Эта особенность их физической природы проявляется в легкой подвижности, т.е. текучести или деформируемости: движение жидкостей и газов под действием внешних и внутренних сил сопровождается изменением формы, а в общем случае – и объема выделенной ее части.

В гидрогазодинамике обычно пренебрегают молекулярной структурой исследуемых потоков и рассматривают условную модель среды, обладающей непрерывным распределением всех характеристик (параметров). Гипотеза непрерывности (сплошности) объединяет жидкости и газы в единую категорию текучих, легко деформируемых сред.

Глава 1. История дисциплины

Зарождение отдельных представлений из области гидромеханики следует отнести к глубокой древности на основе практических сведений, накопленных в Египте, Месопотамии, Греции и Китае в результате гидротехнических работ. Примерами гидротехнических сооружений являются колодцы, каналы, плотины, а также такие плавающие транспортные средства как плоты, лодки и корабли. Устройства и машины, созданные Ктесибием и Героном, в Александрии были образцами для подражания в течение многих столетий. В Древнем Риме сооружались сложные системы водоснабжения. Раз­ви­тие охо­ты и во­ен. де­ла вы­зва­ло по­яв­ле­ние ле­таю­щих средств по­ра­же­ния (стре­ла, диск, бу­ме­ранг) и ме­ха­низ­мов их ме­та­ния (лук, пра­ща). Мас­со­вое из­го­тов­ле­ние по­доб­ных уст­ройств тре­бо­ва­ло вы­яс­не­ния ме­ха­низ­ма их дей­ст­вия и ко­ли­че­ст­вен­но­го опи­са­ния яв­ле­ний, обес­пе­чи­ваю­щих их оп­ти­маль­ное ис­поль­зо­ва­ние. Это при­ве­ло, в ко­неч­ном счё­те, к соз­да­нию гидрогазодинамики как нау­ки.

В Древней Греции появился впервые термин «гидравлика», первоначально обозначающий «искусство сооружения музыкальных инструментов типа органов, использующих вертикальные трубы, частично заполненные водой».

Пер­вым учё­ным, внёс­шим су­ще­ст­вен­ный вклад в соз­да­ние гидрогазодинамики, был Ар­химед, ко­то­рый от­крыл основной за­кон гид­ро­ста­ти­ки: оп­ре­де­лил ве­ли­чи­ну и на­прав­ле­ние дей­ст­вия вы­тал­ки­ваю­щей си­лы. Тру­ды Ар­хи­ме­да по­слу­жи­ли ос­но­вой для соз­да­ния це­ло­го ря­да но­вых гид­рав­лических ап­па­ра­тов (порш­не­во­го на­со­са, си­фо­на, во­до­подъ­ём­но­го вин­та и др.).

Период Средневековья обычно характеризуется как регресс. Однако именно в это время были созданы универсальные энергетические машины - водяные колеса различных типов и размеров, послуживших основой промышленной революции нового времени.

Эпоха Возрождения неразрывно связана, прежде всего, с именем Леонардо да Винчи (1452-1519), явившимся основоположником гидравлики как науки. На­блю­дая за по­лё­том птиц, он раз­де­лил си­лу, дей­ст­вую­щую на дви­жу­щее­ся в воз­ду­хе те­ло, на две со­став­ляю­щие: си­лу со­про­тив­ле­ния и подъ­ём­ную си­лу. Ле­о­нар­до да Вин­чи ка­че­ст­вен­но свя­зал эти си­лы с уп­лот­не­ни­ем воз­ду­ха пе­ред кры­лом и под ним, опи­сал два ти­па по­лё­тов (ма­шу­щий и пла­ни­рую­щий). Он так­же раз­ра­ба­ты­вал идеи ле­тательных ап­па­ра­тов.

Голландский инженер и математик Симон Стевин (1548-1620) решил задачу об определении силы давления, действующей на плоскую фигуру. Он также впервые объяснил гидростатический парадокс. Великий итальянский физик Галилео Галилей (1564-1642) опубликовал трактат по гидростатике. Он также показал, что сила гидравлического сопротивления возрастает с увеличением скорости движущегося в жидкости твердого тела и с ростом плотности жидкой среды.

Период с начала XVII до конца XVIII вв. является временем формирования теоретических основ механики жидкости и газа. Бенедетто Кастелли (1577-1644) - преподаватель математики в городах Пиза и Рим, четко изложил принцип неразрывности движения жидкости (уравнение расхода). Эванджелист Торричелли, выдающийся математик и физик, изобрел ртутный барометр и установил формулу для истечения жидкости в виде закона подобия. Блез Паскаль (1623-1662) сформулировал основной закон гидростатики о независимости значения гидростатического давления от ориентировки поверхности в рассматриваемой точке. Он же показал возможность применения для измерения атмосферного давления различных жидкостей. Исаак Ньютон (1643-1727) счи­тал при­чи­ной воз­ник­но­ве­ния подъ­ём­ной си­лы и си­лы со­про­тив­ле­ния уда­ры час­тиц воз­ду­ха о ло­бо­вую часть те­ла. Он так­же ввёл по­ня­тие си­лы тре­ния, свя­зан­ной с от­но­сительным дви­же­ни­ем воз­ду­ха вдоль по­верх­но­сти те­ла. С современной точ­ки зре­ния мо­де­ли­ро­ва­ние об­те­ка­ния те­ла по Нью­то­ну со­от­вет­ст­ву­ет ги­пер­зву­ко­во­му те­че­нию га­за. Ус­та­но­вив за­ко­ны ме­ха­ни­ки дис­крет­ных сис­тем ма­те­ри­аль­ных то­чек, Нью­тон от­крыл путь для ма­те­ма­тического мо­де­ли­ро­ва­ния дви­же­ния жид­ко­стей и га­зов, рас­смат­ри­вае­мых как кон­ти­ну­ум, или сплош­ная сре­да

Важный этап в становлении инженерного образования связан с созданием Леонардом Эйлером (1707-1783), Д-Аламбером (1717-1783) и Лагранжем (1736-1813) аналитической механики. Даниил Бернулли (1700-1782) впервые в 1738 году ввел термин «гидродинамика». Основополагающая работа Эйлера с выводом системы уравнений движения идеальной жидкости увидела свет в 1755 году. Наибольшие успехи в рамках модели идеальной жидкости были достигнуты Гельмгольцем и Кирхгофом, разработавшие методы теории функций комплексной переменной.

Основы учения о движении вязкой жидкости были заложены Луи Мари Анри Навье (1785-1836) и исследованы Дж. Габриель Стоксом (1819-1903). При опи­са­нии про­цес­са рас­про­стра­не­ния зву­ка (напр., при соз­да­нии музыкальных ин­ст­ру­мен­тов) не­об­хо­ди­мо бы­ло учи­ты­вать так­же сжи­мае­мость сре­ды. С соз­да­ни­ем уст­ройств, ра­бо­таю­щих на си­ле сжа­то­го га­за (арт. ору­дия, ру­жья, па­ро­вые ма­ши­ны и тур­би­ны), в рам­ках механики жидкости и газа на­ча­ли рас­смат­ри­вать и те­п­ло­вые не­ли­ней­ные яв­ле­ния. За­да­ча о раз­го­не сна­ря­да в ство­ле, ре­шён­ная Ж. Ла­гран­жем на ру­бе­же 18–19 вв., ста­ла пер­вой ти­пич­ной за­да­чей га­зо­вой ди­на­ми­ки.

Осборн Рейнольдс (1842-1912) распространил уравнения Навье-Стокса на случай турбулентного движения, сформулировал условия перехода от ламинарного режима течения к турбулентному, объяснил явление кавитации, дал систему уравнений смазочного слоя. Слово «турбулентность», по всей вероятности, впервые ввел в 1887 году выдающийся английский физик Уильям Томсон, лорд Кельвин (1824-1907). Немецкий механик Людвиг Прандтль сформулировал основные понятия теории пограничного слоя.

Основоположниками теоретической газовой динамики следует считать немецкого математика Б. Римана (1826-1866), впервые получившего решения дифференциальных уравнений газовой динамики, и русского ученого механика С.А. Чаплыгина (1869-1942), разработавшего метод исследования установившихся течений газа, носящего сегодня его имя.

Основоположником численного анализа дифференциальных уравнений в частных производных следует считать Ричардсона (1910). Очень важным этапом для дальнейшего развития вычислительной гидромеханики стала работа Аллена и Саусвелла, выполненная вручную по расчету обтекания цилиндра вязкой несжимаемой жидкостью. Развитие ЭВМ придало применению численных методов в механике жидкости и газа лавинообразный характер. В этом направлении известны труды фон Неймана, Харлоу, Фромма, Сполдинга, Петанкара, О.М. Белоцерковского, А.А. Самарского, С.К. Годунова.

Мощный толчок в развитии механика жидкости и газа получила в начале XX столетия в результате стремительного развития авиационной техники, гидромашиностроения, гидротехнического строительства и теплоэнергетики. В славную плеяду русских и советских ученых-гидромехаников вошли имена Н. Е. Жуковского (1834–1907), С. Я. Чаплыгина (1869–1942), К. Э. Циолковского (1857–1935), И. В. Мещерского (1859–1935) и А. А. Фридмана (1888– 1925). В частности бла­го­да­ря ра­бо­там Н. Е. Жу­ков­ско­го и С. А. Ча­п­лы­ги­на уда­лось пра­виль­но по­нять при­ро­ду подъ­ём­ной си­лы кры­ла са­мо­лё­та и эф­фек­тив­но вы­чис­лить (в рам­ках мо­де­ли иде­аль­ной не­сжи­мае­мой жид­ко­сти) эту си­лу, а так­же си­лу тя­ги ло­па­сти вин­та, что да­ло су­ще­ст­вен­ный тол­чок к раз­ви­тию доз­ву­ко­вой авиа­ции и соз­да­нию бы­ст­ро­ход­ных су­дов.

Современный этап развития гидромеханики характеризуется появлением ее новых разделов: физико-химической, электромагнитной, космической гидродинамики, что обусловлено развитием многих областей техники. Среди современных выдающихся ученых в области механики жидкости и газа известны такие имена, как Л. И. Седов, М. А. Лаврентьев, Л. Г. Лойцянский и др.

Глава 2. Значение и задачи гидромеханики на современном этапе развития науки и техники

Во многих областях техники используются достижения механики жидкости и газа. Авиация и кораблестроение, основными проблемами, которых являются скорость, устойчивость, снижение сопротивления, неразрывно связаны с аэро- и гидродинамикой. В ракетостроении не только нашли применение настоящие достижения науки, но и был поставлен ряд новых задач перед газодинамикой, послуживших развитию этой еще молодой отрасли механики жидкости и газа.

Проточные части гидротурбин и насосов, компрессоров и газовых турбин двигателей реактивного самолета – это сложное сочетание неподвижных и подвижных лопаточных систем самой различной конфигурации, обтекаемых при высоких скоростях газом, паром или водой. От правильного гидродинамического расчета формы проточной части зависит требуемая мощность машин, ее высокий КПД.

Знание гидромеханики необходимо в гидротехническом строительстве, металлургии, при решении вопросов интенсификации технологий химической индустрии, водоснабжения и добычи полезных ископаемых.

Вычислительные машины позволили расширить круг решаемых аналитических задач гидродинамики и сократить время на их решение. Однако технический прогресс не стоит на месте, и в механике жидкости и газа появляются новые направления, продиктованные современным и перспективным развитием техники. Так, например, становление криодинамики обусловлено развитием атомной энергетики и новыми задачами волновой энергетики, связанной с утилизацией энергии волн мирового океана. Кроме того, это и разработка энергетики ветра и многое другое.

В этом взаимодействии науки с растущими потребностями техники, в этом непрерывном прогрессе, отчетливо проявляется диалектический путь познания истины. При этом понимание состоит в нахождении существенных признаков явлений и связей между ними на общенаучной методологической основе.

Глава 3. Связь с другими учебными дисциплинами

Изучение учебной дисциплины «Гидрогазодинамика» опирается на учебные курсы дисциплин: «Механика», «Высшая математика», «Химия».

· Гидрогазодинамика и механика

Гидрогазодинамика - один из разделов механики. Другое ее название - механика жидкостей и газов. Механика жидкости и газа включает:

- кинематику жидкости, в которой изучают изменение формы, размеров и пространственного расположения жидких объёмов (отвлекаясь от причин их вызвавших);

- гидростатику, в которой изучают условия равновесия жидкости в силовом поле;

- динамику, в которой изучают законы движения жидкости.

Динамика, в свою очередь, подразделяется на гидродинамику - динамику несжимаемой жидкости и газодинамику - динамику сжимаемой жидкости.

То есть как и в классической механике, в гидрогазодинамике можно выделить общепринятые составные части: гидростатику, изучающую законы равновесия жидкости; кинематику, описывающую основные элементы движущейся жидкости и гидродинамику, изучающую основные законы движения жидкости и раскрывающую причины её движения.

· Гидрогазодинамика и высшая математика

Изучение гидрогазодинамики, понимание сущности рассматриваемых физических явлений и процессов тесно связано с усвоением достаточно развитого математического аппарата, которым эта наука оперирует. Для решения большинства задач применяют строгие математические приемы интегрирования основных дифференциальных уравнений при установленной системе граничных и начальных условий или другие эквивалентные им математические методы. Также применяют различных специфические приближенные приемы, в частности, например, электрогидроаэродинамические аналогии, заменяющие вычисление скоростных полей в потоке жидкости непосредственным замером разностей электрических потенциалов в электролитической ванне. Аналогичный метод применяется при изучении движения идеального сжимаемого газа при дозвуковых скоростях. Таким образом, дисциплина гидрогазодинамика базируется на высшей математике.

· Гидрогазодинамика и химия

Химия и гидрогазодинамика изучают практически одни и те же объекты, но только каждая из них видит в этих объектах свою сторону, свой предмет изучения. Все материальные тела, независимо от их агрегатного состояния обладают внутренней молекулярной структурой с характерным внутренним тепловым, микроскопическим движением молекул, являющимся причиной наблюдаемых на практике макроскопических процессов. Химия изучает эту структуру, ее состав, строение, свойства. Гидрогазодинамика же, в свою очередь, занимается этой макроскопической моделью, представляющей жидкости и газы как некоторую сплошную текучую среду с непрерывным распределением физических величин, определяющих ее движение и состояние.

Глава 4. Цели и задачи дисциплины

Цели дисциплины:

- овладение студентами знаниями законов гидрогазодинамики и умение применять эти законы на практике;

- понимание студентами гидромеханических процессов, происходящих в технологическом оборудовании;

- умение составлять и решать основные уравнения гидромеханики применительно к типовым инженерным задачам данного бакалавриата.

Основные задачи дисциплины:

- сформировать у студентов навыки проведения инженерного эксперимента;

- получить представления об истинном, наблюдаемом в опытах, характере реальных гидромеханических явлений;

- изучить современные инженерные методы гидромеханических расчетов;

- выработать методику решения инженерных задач, в том числе при самостоятельной работе;

- приобрести навыки, необходимые для изучения последующих специальных дисциплин, выполнения курсовых работ, в.к.р. бакалавра и дальнейшей профессиональной деятельности.

Глава 5. Виды учебной дисциплины

Общая трудоемкость учебной дисциплины составляет 4 зачетных единицы, 144 часа.

Глава 6. Компетенции

Процесс изучения дисциплины «Гидрогазодинамика» направлен на формирование следующей компетенции:

ОК-10 – Способность к познавательной деятельности

Знать закономерности и этапы исторического процесса, основные исторические факты, даты, события и имена исторических деятелей России; основные события и процессы отечественной истории в контексте мировой истории.

Уметь критически воспринимать, анализировать и оценивать историческую информацию, факторы и механизмы исторических изменений.

Владеть навыками анализа причинно-следственных связей в развитии промышленной безопасности, техносферы; место человека в процессе управления безопасностью.

Заключение

Таким образом, гидрогазодинамика – это наука, прошедшая долгий путь от глубокой древности до наших дней. И в настоящий момент уже сложно себе представить жизнь без достижений великих людей, внесших вклад в развитие этой науки. Например, С. А. Чаплыгин выполнил исследование «Теория решетчатого крыла», которое на десятилетия опередило свое время. Сегодня решетчатые крылья установлены на космическом корабле «Союз», на судах с подводными крыльями, на морских кораблях для стабилизации их во время качки.

Трудно указать отрасль техники, развитие которой не находилось бы в теснейшей связи с разрешением задач движения жидкости и газа. Она ис­поль­зу­ет­ся при про­ек­ти­ро­ва­нии и соз­да­нии ко­раб­лей, са­мо­лё­тов и ра­кет, кон­ст­руи­ро­ва­нии дви­га­те­лей; рас­чё­тах тру­бо­про­во­дов и на­со­сов, га­зо­вых и гид­ро­тур­бин, во­до­слив­ных пло­тин; при изу­че­нии морских и воз­душ­ных те­че­ний; про­гно­зе по­го­ды и рас­чё­тах мас­со- и те­п­ло­об­ме­на в ат­мо­сфе­ре; при изу­че­нии фильт­ра­ции грун­то­вых вод, неф­ти и га­за и ор­га­ни­за­ции их до­бы­чи; во мно­гих тех­но­ло­гических про­цес­сах на­но- и мик­ро­про­из­вод­ст­ва, пи­ще­вой, медицинской, ме­тал­лур­гической и хи­мической промышленности.

Например, это относится к дисциплине «Промышленная вентиляция», которая базируется на законах физики и механики и даёт понимание закономерностей процессов движения воздушных масс в промышленных предприятиях и позволяет рассчитать проект обеспечения безопасных вентиляционных условий для любого предприятия.

Также в пример можно привести процесс бурения. Для обеспечения безопасности (даже в середине 20 века, при открытии нового месторождения, были нередки нефтяные фонтаны, вырывающиеся на поверхность и приводящие к большим разрушениям и загрязнению окружающей среды) при бурении жидкость и газ, находящиеся в скважинах под большим давлением, задавливают буровым раствором, чтобы они не вырвались на поверхность.

Боль­шое зна­че­ние име­ет при­ло­же­ние ме­то­дов механики жидкости и газа к объ­яс­не­нию и ис­поль­зо­ва­нию при­род­ных яв­ле­ний, свя­зан­ных, например, с дви­же­ни­ем тек­то­нических плит и извержением вул­ка­нов, дви­же­ни­ем ла­вин и муть­е­вых по­то­ков, с ме­ха­низ­ма­ми пла­ва­ния рыб и по­лё­та птиц, кро­во­об­ра­ще­ни­ем и ды­ха­ни­ем. Гидрогазодинамика опи­сы­ва­ет про­цес­сы са­мых различных мас­шта­бов - от столк­но­ве­ний эле­мен­тар­ных час­тиц и те­че­ний кван­то­вых жид­ко­стей до строе­ния звёзд и эво­лю­ции Все­лен­ной.

Библиография

1. П.Л. Лекомцев, Е.В. Дресвянникова. Гидрогазодинамика: курс лекций - Ижевск: ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА, 2010.- 133 с.

2. Иванов К.Ф., Сурков С.В. Механика жидкости и газа. Конспект лекций для студентов механических и энергетических специальностей. Часть 1. - Одесса: ОГПУ, 1995. - 119 с.

3. Дейч М.Е., Зарянкин А.Е. Гидрогазодинамика. Учеб. пособие для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1984. 384 с.

4. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.-Л.: Гостехиздат, 1950

5. В. А. Кулагин, Е. П. Грищенко. Гидрогазодинамика [Электронный ресурс] : электрон. учеб. пособие - Красноярск: ИПК СФУ, 2009.

6. Н.П. Жуков. Гидрогазодинамика: учебное пособие - Тамбов: Изд-во ФГБОУ ВПО «ТГТУ», 2011. – 92 с.

7. http://masters.donntu.org/2015/igg/rebenok/diss/index.htm

8. https://bigenc.ru/physics/text/2210004

9. https://www.gazprom-neft.ru/press-center/sibneft-online/archive/2017-july-august-projects/1120471/