Механика жидкости. Основной метод исследования гидромеханики

Введение

Механика жидкости является одной из наиболее важных фундаментальных инженерных дисциплин и направлена на изучение основных законов движения и равновесия жидкостей, капельных и газообразных, а также их силового взаимодействия с твердыми телами.

Механика жидкости органически включает в себя две отрасли научного знания: теоретическую механику жидкости (классическая гидромеханика) и прикладную механику жидкости (гидравлика).

Несмотря на то, что объект исследования теоретической и прикладной механики одинаков, методы и задачи их различны.

Основной метод исследования гидромеханики - теоретический, основанный на математическом анализе непрерывной деформации сплошной жидкой среды. Теоретическая гидромеханика имеет строго математический характер и получает точные решения из дифференциальных уравнений движения жидкости.

Гидравлика в отличие от гидромеханики в большей степени основана на знаниях полученных чисто экспериментальным путем. Экспериментальным путем решались те задачи, которые не могли быть решены в строгой математической постановке в рамках теоретической механики жидкости. Для гидравлики характерен упрощенный подход к рассмотрению явлений движения жидкости и широкое привлечение эмпирических коэффициентов в большинстве используемых ее зависимостей.

В последнее время в гидравлике все чаще применяются методы гидромеханики, а гидромеханика все чаще обращается к эксперименту, как критерию достоверности получаемых результатов.

Таким образом, первоначально возникнув как два самостоятельных направления научных знаний, гидромеханика и гидравлика в настоящее время все больше сближаются, взаимно обогащая друг друга, и представляют собой одно направление человеческих знаний - механику жидкости.

Исторические корни механики жидкости весьма значительны. Первые законы гидростатики были установлены Архимедом в трактате “О плавающих телах” (250 лет до н.э.), а затем возрождены и развиты такими видными учеными как Стевин (1548-1620 г.г.), Галилей (1564-1642 г.г.) и Паскаль (1623-1662 г.г.).

Начало развития экспериментальной гидравлики относится к XV веку и связано с именем великого Леонардо да Винчи (1452-1519 г.г.), который исследовал вопросы движения воды в каналах, через отверстия и водосливы.

В XVII веке Торичелли (1608-1647 г.г.) вывел до сих пор широко используемую формулу для скорости жидкости, истекаемой из отверстия, а Ньютон (1642 – 1724 г.г.) сформулировал основные концептуальные положения о внутреннем трении в движущихся жидкостях.

НАЗАД

Начало теоретической гидромеханики закладывается в XVIII веке и неразрывно связано с именами членов Петербургской академии наук Даниила Бернулли (1700-1782 г.г.) и Леонарда Эйлера (1707-1783 г.г.), которые разработали общие уравнения движения идеальной жидкости.

НАЗАД

Решение этих уравнений в общем виде, так же как и уравнений движения вязкой жидкости, которые были получены несколько позднее, в то время было невозможно, что и определило интенсивное развитие гидравлики и получение эмпирических формул. Принимая во внимание, что экспериментальные исследования в большинстве случаев выполнялись по заказу промышленности, нетрудно понять, почему интенсивное развитие гидравлики начинается с конца XVIII века и неразрывно связано с такими учеными и инженерами, как Шези, Дарси, Базен, Вейсбах и др.

Весь XIX век происходило параллельное развитие гидромеханики и гидравлики, и лишь к концу века и началу XX века наметилось их сближение, что было связано с бурным развитием авиации и углубленным изучением структуры потока.

Точные экспериментальные исследования закона внутреннего трения в жидкостях при ламинарном режиме (Петров, 1836-1926 г.г.) и работы Рейнольдса (1848‑1912 г.г.), посвященные определению условий перехода от ламинарного движения к турбулентному, течению вязкой жидкости, теориям турбулентности и смазки позволили глубже вникнуть в физическую природу гидравлических сопротивлений и положили начало учению о турбулентном движении. Работы блестящего российского ученого Жуковского (1847-1921 г.г.) положили начало современной аэродинамике и обогатили различные области механики жидкости.

Работы Прандтля (1875-1953 гг.) в области аэродинамики, теории пограничного слоя, отрывного течения и теплопередачи в потоке существенно продвинули вперед изучение турбулентных потоков и положили начало созданию теории турбулентности, работа над которой продолжается и по настоящее время.

	НАЗАД