Гидродинамика

В монографии приводятся результаты исследований, выполненных в последние годы на кафедре гидравлики, которые направлены на уточнение основополагающих представлений о факторах, определяющих структуру водных потоков в жестких и деформируемых границах. Приводятся аналитические и экспериментальные результаты исследований течения в вязком подслое, которые учитывают нестационарный характер развития вязкого течения, перемежающегося с периодами турбулентного течения. Эти принципиально важные особенности позволяют существенно скорректировать расчеты теплообмена, размыва русловых отложений, гидравлического сопротивления и распределения скоростей в водных потоках при разных граничных условиях. Рассмотрены основные пульсационные характеристики турбулентности, когерентные структуры, приведены теоретические подходы к описанию турбулентных течений, проанализирована обоснованность использованных гипотез, ограничения теоретических подходов, возможности аналитического и численного решения гидравлических задач. Приведены уточненные зависимости для распределения скоростей по сечению напорных и безнапорных потоков. Рассмотрены вопросы взаимодействия водного потока с размываемым руслом, детально проанализированы особенности движения частиц руслового грунта при размыве, представлены новые, оригинальные материалы по развитию внутрирусловых образований на начальной стадии взаимодействия потока и русла и их влияния на кинематические характеристики течения. Приведены результаты выполненных исследований по осаждению частиц различной формы мелкодисперсных взвесей. Проанализированы условия стратификации потоков, переносящих мелкодисперсную взвесь. Определены критериальные условия хлопьеобразования и структуризации, приводятся зависимости для определения транспортирующей способности потоков, переносящих мелкую взвесь, и распределения взвеси в толще потока. Наряду с новыми материалами в монографии рассматривается также ряд вопросов классической гидравлики, важных для решения задач движения водных потоков в жестких и деформируемых границах.

В учебном пособии изложены основные положения технической механики жидкости и газа. Освещены законы гидростатики и гидродинамики, рассмотрены виды и расчет гидравлических сопротивлений. Представлена методика гидравлического расчета напорных трубопроводов для капельных и газообразных жидкостей. Изложены зависимости истечения жидкости через отверстия и насадки. В пособии рассмотрены закономерности обтекания твердых тел потоком жидкости и газа, дан расчет гидравлических сопротивлений при относительном движении жидкости и твердого тела. Рассмотрены также основные положения и зависимости при равномерном и неравномерном движении жидкости в потоках со свободной поверхностью. Даны основы моделирования гидроаэродинамических явлений. Учебное пособие предназначено для студентов строительных специальностей.

Рассмотрены современные подходы к работе и обработке результатов исследования поисково-разведочных и эксплуатационных скважин гидродинамическими методами. Приведены выводы исходных уравнений и решения разнообразных задач, связанных со стационарными и нестационарными гидродинамическими исследованиями скважин. На практических примерах проиллюстрированы различные методики интерпретации диаграмм давления и анализа результатов гидродинамических исследований скважин. Рекомендовано для студентов нефтяных вузов и факультетов, обучающихся по специальности «Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых скважин», а также для специалистов нефтегазовой отрасли, занимающихся испытаниями и исследованиями скважин и пластов.

Данная книга – это первая монография, в которой топологические, теоретико-групповые и геометрические задачи идеальной гидродинамики и магнитогидродинамики рассматриваются с единой точки зрения. Необходимый подготовительный материал из гидродинамики и чистой математики излагается с большим количеством примеров и рисунков. Книга предназначена для студентов, аспирантов и специалистов по чистой или прикладной математике, работающих в таких областях, как гидродинамика, группы Ли, динамические системы и дифференциальная геометрия.

Монография посвящена исследованию установившегося неравномерного циркуляционно-продольного течения вязкой несжимаемой жидкости в цилиндрической трубе, на входе в которую установлен локальный завихритель потока. Рассмотрены вопросы аналитического, численного и физического моделирования течения. Для инженеров и научных работников, аспирантов и студентов старших курсов.

Излагаются фундаментальные физические концепции кинематики и динамики сплошной среды, рассматриваются ее различные модели (твердое тело, жидкость и газ). Большая часть учебного пособия посвящена вопросам гидродинамики идеальной и вязкой жидкости. Включены элементы теории упругости, газодинамики и магнитной гидродинамики. Показывается, как теоретические положения используются для решения инженерных задач и для объяснения некоторых явлений природы. Вопросы для самоконтроля и примеры решения задач, приведенные в конце каждой главы, помогут читателю лучше разобраться в теории, приобрести навыки самостоятельного решения задач механики сплошной среды. Допущено Министерством образования и науки Российской Федерации в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки бакалавров «Физика».

Процессы в пористых телах составляют основу многих традиционных и современных технологий: каталитических, сорбционных, мембранных, электрохимических, хроматографических, очистки и разделения жидких и газовых смесей, капиллярной конденсации и десорбции, многофазной фильтрации и напыления, смачивания, пропитки и сушки широкого круга дисперсных систем, как синтезированных, так и природных, включая процессы переноса веществ в различных грунтах и т.д. Монография является первым шагом в изложении с единой точки зрения всего круга вопросов по расчету равновесных и динамических характеристик процессов адсорбции в пористых телах на молекулярном уровне. Впервые излагаются два новых направления статистической термодинамики: теория расслаивания молекул в сложных микронеоднородных системах и микроскопическая гидродинамика. Материал ориентирован на специалистов, которые занимаются процессами равновесия и динамики адсорбции в пористых телах, но не являются специалистами в теории и моделировании этих процессов. Изложение материала построено так, чтобы читатель мог последовательно войти в курс проблем, для чего приведено большое количество иллюстраций: фазовые диаграммы, коэффициенты переноса и распределения потоков, которые хорошо знакомы экспериментаторам в случае объемной фазы и в макроскопических порах, но для наноразмерных пористых систем неизвестны. Монография имеет междисциплинарный характер. Она полезна широкому кругу специалистов в области физической химии, занимающихся вопросами статистической термодинамики, физики поверхностных явлений и фазовых переходов, кинетической теории конденсированных фаз и гидродинамики, а также студентам и аспирантам соответствующих специальностей. Издание осуществлено при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований по проекту 11-03-07026 в пористых телах.

В монографии представлены постановки задач, методы решения и результаты теоретических исследований структуры и гидродинамической устойчивости закрученных потоков. Изучение конкретных течений проводится численно на основе системы уравнений Навье–Стокса. Предполагается, что читатель знаком с основами гидромеханики и вычислительных методов. Для научных и инженерно-технических работников, аспирантов и студентов старших курсов.

В монографии систематизирован и подробно изложен круг вопросов, которые в совокупности закладывают основы нового научного направления – акустики нанодисперсных сред, направленного на изучение наномасштабной структуры вещества. В монографии рассмотрены известные к настоящему времени особенности распространения звуковых колебаний в намагничивающихся жидкостях и описывающие их модельные теории; акустомагнитный и магнитоакустические эффекты в магнитных жидкостях; специфика магнитожидкостного уплотнения как колебательной системы с магнитожидкостным инерционным элементом; акустомагнитная спектроскопия мод колебаний в системе жидкость–оболочка; акустогранулометрия – новый метод исследования физических параметров магнитных наночастиц, диспергированных в жидкости-носителе; вибрационно-реологические эффекты намагниченной магнитной жидкости и основанная на них акустометрия формы магнитных наноагрегатов и немагнитных микроагрегатов. Монография предназначена научным работникам, инженерам-исследователям в области материаловедения, физической акустики, гидроакустики, магнитной гидродинамики, реологической физики, разработчикам аппаратуры с применением магнитных коллоидов. Книга будет полезна также студентам старших курсов университетов и аспирантам соответствующих физических специальностей. Издание осуществлено при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований по проекту 11-02-07030 В оформлении обложки использована фотография момента лекционной демонстрации по магнитоуправляемости магнитной жидкости, подготовленной сотрудниками ЮЗГУ Петром Алексеевичем Ряполовым, Ириной Александровной Шабановой, Анастасией Михайловной Стороженко.

Изучаются проблемы аналитической динамики вихревых образований в жидкости и волн на воде в лагранжевых переменных. Приведен обзор всех известных примеров лагранжевого описания движений жидкости. Предложены новые подходы к исследованию распределенных вихревых течений, основанные на использовании комплексных функций (плоские движения) и матрицы Якоби (пространственные движения). Найдены и проанализированы классы точных решений уравнения Эйлера. Рассмотрены их приложения для описания конкретных типов движений: одиночного плоского вихря, пары вихрей, вихревых шнуров во вращающейся жидкости и т.д. Для изучения волн на воде предложен метод модифицированных лагранжевых координат. На его основе построена слабонелинейная теория вихревых волн на воде. Найдены и исследованы свойства волновых возмущений, распространяющихся на поверхности сдвигового потока, трехмерных вихревых волн (пространственных волн Гуйона), стоячих вихревых волн и пакета волн в слабозавихренной жидкости. Дан вывод новой формы уравнений движения несжимаемой вязкой жидкости в переменных Лагранжа. Книга рассчитана на специалистов в области гидромеханики, теоретической физики, математики, а также на аспирантов и студентов.

В книге представлены учебные исследования физических свойств капель и струй жидкости, в той или иной степени относящиеся ко всем разделам школьного курса физики: механике, молекулярной физике, электродинамике, оптике и квантовой физике. Описаны учебные эксперименты по воздействию звука на струи жидкости и газа, а также по гидродинамической и термодинамической генерации звука. Приведены краткие исторические сведения, дана элементарная теория, обсуждены возможности практического применения рассмотренных явлений. Подробно изложены конструкции физических приборов и экспериментальных установок. Даны рекомендации по постановке опытов, обсуждены различные варианты экспериментов. Все опыты доступны и могут быть поставлены учащимися в школьном физическом кабинете или в домашних условиях. Для учащихся и преподавателей физики средней и высшей школы, руководителей физических и технических кружков, а также для самообразования.

Книга посвящена фундаментальным проблемам изучения свободных концентрированных вихрей. Рассмотрены возможности математического моделирования воздушных смерчей (торнадо). Впервые в отечественной и мировой практике ставится и решается задача физического (лабораторного) моделирования воздушных смерчей без использования механических закручивающих устройств. Рассмотрены вопросы генерации и устойчивости свободных вихрей, а также методы управления их характеристиками. Описаны возможности воздействия на вихревые атмосферные образования различных масштабов. Для научных работников, занимающихся исследованиями гидродинамики и тепломассообмена вихревых потоков, а также преподавателей, аспирантов и студентов высших учебных заведений.

Учебное пособие по программе курса «Гидравлика» для студентов машиностроительных и механических специальностей высших технических учебных заведений России призвано заложить основу конструкторской подготовки специалистов в области гидравлических машин и гидропривода. Изложены теоретические основы расчета и проектирования гидравлических систем, узлов и деталей гидропривода. Содержатся сведения о жидкостях и их свойствах, а также о гидромашинах, особенностях их устройства, работы, условиях применения и эксплуатации.

Рассматриваются методы получения заряженного жидко-капельного аэрозоля путём электродиспергирования заряженных капель и струй заряженной свободной поверхностью жидкости, ориентированные на аналитические расчеты осцилляции конечных объемов жидкости и капиллярного волнового движения на цилиндрической маловязкой жидкости.

В работе рассмотрены вопросы диагностики неоднородностей водной среды с использованием гидроакустической параметрической антенны. Неоднородности водной среды при этом имеют геометрически правильную форму: сферы, цилиндра и сфероида. Теоретически и экспериментально исследуются волновые процессы, происходящие при рассеянии на сфере, цилиндре и сфероиде нелинейно взаимодействующих плоских акустических волн. Сформулированы постановки задач рассеяния, с помощью метода последовательных приближений получены решения неоднородного волнового уравнения в первом и втором приближении. Получены выражения для высокочастотных спектральных составляющих вторичного поля акустического давления, построены расчетные диаграммы рассеяния акустического давления, проведен анализ и сравнение высокочастотных асимптотических выражений и диаграмм рассеяния. Рассмотрены также вопросы трехмерного моделирования волновых процессов. Книга предназначена научным работникам и специалистам в области нелинейной акустики и акустики океана, а также может быть полезна аспирантам и студентам, специализирующимся в данных областях.

В монографии рассмотрены современное состояние и перспективы использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ), их энергетические, экономические и экологические характеристики. Приведены технологические схемы энергетических установок, принципы их работы и основы тепловых и гидродинамических расчетов. Для научных работников, инженеров и студентов энергетических специальностей.

Рассмотрены вопросы моделирования нелинейных волновых явлений на поверхности мелководья. Методом последовательных приближений получены решения нелинейного уравнения в двух приближениях. С помощью предложенного графоаналитического способа описана трансформация профиля поверхностных гравитационных волн на этапах заострения гребней, укручения их переднего фронта. Рассмотрено влияние спектральных составляющих на процесс трансформации профиля волны, описаны причины возникновения асимметрий. На основе полученных аналитических выражений учтены влияния эффектов дисперсии на трансформацию профиля волн. Представлены пространственно-трехмерные модели распространения и рефракции нелинейных поверхностных гравитационных волн на различных береговых образованиях. Для научных работников и специалистов в области моделирования волновой гидродинамики.

В настоящей монографии детально рассматриваются методы построения математических моделей неизотермических неустановившихся течений газовых смесей, многокомпонентных жидкостей н газожидкостных сред по системам протяженных разветвленных трубопроводов, включающих кольцевые участки. В целях повышения наглядности изложения материала проводится распространение предложенных методов на моделирование течений теплопроводных многокомпонентных жидкостей по разветвленным сетям магистральных каналов с открытым руслом. Методы построения моделей дополняются подробными описаниями способов их численного анализа с применением широкого спектра классов разностных схем, включая полностью консервативные сплайн-схемы высокого порядка аппроксимации. Особое внимание уделяется изложению метода лагранжевых частиц применительно к анализу транспортирования теплопроводных многокомпонентных сред по каналам с открытым руслом и исследованию сложных течений по линейным и закольцованным сетям трубопроводов. В монографии также детально рассматриваются методы построения математических моделей функционирования магистральных и газораспределительных систем, эксплуатирующихся в газовой промышленности. При этом приводятся способы прогнозной оптимизации затрат на полный спектр режимов транспортирования природного газа, алгоритмы предотвращения аварийных ситуаций (например, разрыв трубопроводов или помпаж в сетях газоперекачивающих цехов), а также новые методы обнаружения источников разбалансов и автоматизированной настройки параметров модели на характеристики реальных сетей трубопроводов. Все методы построения и анализа математических моделей, описанные в книге, были разработаны на базе единой концепции моделирования, что существенно упрощает их изучение и практическое применение. В течение последнего десятилетия они подтвердили надежность и эффективность своего практического применения для решения производственных задач. Книга может оказаться полезной научным работникам, аспирантам и преподавателям, занимающимся математическим моделированием, созданием прикладного программно-математического обеспечения и проведением рас четноаналитических работ для нужд трубопроводного транспорта, машиностроения, энергетики и природоохранных организаций. Материал монографии доступен студентам старших курсов технических вузов.

Монография посвящена теоретическим вопросам геофизической гидродинамики. Сформулированы базисные предположения в качестве основы для описания крупномасштабной динамики атмосферы. При построении приближений основное внимание уделяется законам сохранения. Обсуждаются баротропная и бароклинная неустойчивости атмосферы и их связь с пространственно-временными масштабами движений. Рассмотрены механизмы трения в геофизических течениях. Основные свойства приближений геофизической гидродинамики проиллюстрированы на простейшей динамической модели циркуляции атмосферы, построенной с использованием понятия обобщенного тяжелого волчка. Книга предназначена специалистам в области геофизической гидродинамики.

Монография посвящена проблеме моделирования процессов гидродинамики и теплообмена сложных закрученных течений вязкой несжимаемой жидкости в каналах с закручивающими устройствами. Рассмотрены физические особенности турбулентных закрученных потоков, выявлены факторы, влияющие на вихревую структуру течения теплоносителей, гидравлическое сопротивление и теплообмен в каналах ядерно-энергетических установок (ЯЭУ). Основой физико-математического моделирования является комплексное решение проблем пространственного осреднения уравнений динамики сплошной среды для каналов сложной геометрии, описания граничных условий, эффективных коэффициентов переноса и формулировки замыкающих соотношений, полученных в результате экспериментального подтверждения принимаемых физических моделей и гипотез. Разработаны методы математического моделирования гидродинамики и теплообмена для наиболее характерных типов каналов с завихрителями различной конфигурации. Получены аналитические решения в форме модифицированных интегралов Лайона для оценки теплоотдачи в кольцевых каналах с завихрителями, а также для винтового течения теплоносителя. Проведено расчетное исследование влияния интенсивности завихренности потока и геометрических параметров каналов на вихревую структуру закрученных течений. Рассмотрены способы повышения теплогидравлической эффективности каналов ЯЭУ при использовании закручивающих устройств. Для научных работников, инженеров, аспирантов и студентов физических факультетов университетов, чьи интересы связаны с теплофизикой, механикой жидкости и газа и процессами теплообмена в технических и природных системах.