Движение жидкости и газа под воздействием различных внешних сил изучает гидрогазодинамика. Будучи разделом физики, она имеет несколько составных частей:
- гидродинамика:
- газодинамика;
- гидростатика;
- аэродинамика;
- кинематика.
Гидродинамика рассматривает процессы, где практически не учитывается влияние сжимаемости газов. Аналогично дело обстоит и с аэродинамикой. В гидростатике принято рассматривать жидкости и газы в состоянии относительного покоя. Закономерности движения без учета внешних сил рассматривает кинематика. Однако гидрогазодинамика лежит в основе общих законов механики. Также этот раздел физики называют механикой газов и жидкости. Она считается подразделом общей науки, известной под названием механика сплошной среды.
Значение гидрогазодинамики
В нашей жизни применение законов гидродинамики газов имеет очень большое значение. Методы, устанавливаемые в процессы изучения, лежат в основе решения многочисленных задач в инженерии. Подобный раздел физики обладает развитой теоретической основой, которая представляет интерес для ряда прикладных наук. С ее помощью происходит исследование процессов в теплотехнологических установках и в тепловой энергетике. Также происходит разрешение различных важных практических задач, направленных на планомерное развитие технологий, а также осуществление правильной работы газовых, паровых турбин на предприятиях и процессов, связанных с транспортировкой жидкостей и газов по трубопроводным системам различного назначения.
Изначально гидрогазодинамика возникла в виде гидравлики, которую долгое время называли экспериментальными направлением и наукой, поскольку она полностью базировалась на теоретических приблизительных математических моделях. Развитие самостоятельного раздела физики произошло во время стремительного взлета технологий и востребованности водоснабжения городских территорий, при строительстве каналов и развитием машиностроения, в том числе кораблестроения.
Известно, что гидравликой впервые стали заниматься древние ученые. Первым трудом в этой области стали изыскания Архимеда, который издал трактат о плавающих телах. Позже развитием науки занялись различные европейские ученые эпохи Возрождения. Однако современное развитие гидравлики связаны с именами Исаака Ньютона и Блеза Паскаля. Они сформулировали одними из первых основные законы о внутреннем трении в жидкостях при их движении.
Гидродинамика встала на путь совершенствования в 17 веке, когда родились первые теоретические обоснования для идеальной жидкости при помощи дифференциальных уравнений движения. Затем произошли неоднократные попытки ученых приблизить теоретические основы и методы к реальным через проведение научных экспериментов. После комплексных исследований родились понятия турбулентности и другие.
Несмотря на ранние попытки применения на практике дифференциальных уравнений Навье-Стокса, результата долго не удавалось достигнуть.
В настоящее время гидрогазодинамика стала одной из самых обоснованных наук на экспериментальном уровне и при помощи математических методов исследования.
Физические параметры жидкости и газа
Рисунок 1. Физические свойства жидкости. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Жидкостями в гидродинамике принято называть такие вещества, которые способны находиться в различных агрегатных состояниях.
Существует два вида жидкостей:
- капельные жидкости;
- упругие жидкости.
Капельными называют такие жидкости, которые обладают свойствами несжимаемости. Они могут под воздействием сил поверхностного натяжения образовывать некие межфазовые поверхности определенного раздела.
Упругими будут считаться жидкости и газы, которые не проявляют свойства сжимаемости при скорости действия меньше, чем скорости распространение звуковых волн. Газодинамика изучает движение газообразной среды, которая проявляет свойства сжимаемости при скорости меньше звуковой, на звуковой скорости, а также на скоростях, превышающие звуковой барьер.
Свойства текучести объединяют упругие и капельные жидкости. Это означает, что они могут менять с легкостью свою первоначальную форму после воздействия определенных незначительных сил. Также вводится общее понятие для жидких тел – вязкость. Подобное свойство жидкости основано на сопротивлении деформационным процессам.
Температура и давление обычно определяет термодинамическое состояние жидкости и газа. Эти параметры измеряются в величине термодинамической температуры и обозначаются в виде К (кельвины). Давление измеряется в паскалях (Па). Величина температуры или давления представляется в виде результата совокупного воздействия на измерительный прибор множества движущихся молекул. Давление может определяться внутренним состоянием вещества, как термодинамический параметр, при этом он раскрывается наиболее полно при относительном покое газа или жидкости. Такое давление также называют гидростатическим или просто статическим.
Гипотеза сплошной среды в гидрогазодинамике
Исходя из того, что в жидкой или газообразной среде выделяются сверхмалые элементарные объемы, содержащие достаточно большое количество элементарных частиц (молекул), этот процесс влияет на проявления физических свойств жидкости.
Рисунок 2. Основное уравнение гидростатики. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
При соблюдении известных физических свойств жидкости нет большой надобности рассматривать движение молекул внутри элементарных объемов. Это факт позволяет уйти от дискретной молекулярной структуры вещества и принять в качестве гипотезы то, что все элементарные объемы уже заполнены сплошной деформируемой средой.
Согласно положениям подобной гипотезы сплошной среды существует возможность представить параметры однофазных жидкостей непрерывными зависимостями. Они могут зависеть от времени и координат. При рассмотрении элементарных объемов в качестве бесконечно малых объемов, исследователи успешно применяют математический анализ для теоретического исследования течения жидкости.
