Текст книги "Большая Советская Энциклопедия (ГИ)"

Гидроаэромеханика

Гидроаэромеха'ника (от гидро..., аэро... и механика), раздел механики, посвященный изучению равновесия и движения жидких и газообразных сред и их взаимодействия между собой и с твёрдыми телами.

  Развитие Г. протекало в тесной связи с запросами практики. Первые гидротехнические устройства (каналы, колодцы) и плавающие средства (плоты, лодки) появились ещё в доисторические времена. Изобретение таких сравнительно сложных аэро– и гидромеханических устройств, как парус, весло, руль, насос, также относится к далёкому прошлому. Развитие мореплавания и военного дела послужило стимулом к появлению основ механики и, в частности, Г.

  Главной проблемой Г. с самого её возникновения стало взаимодействие между средой (водой, воздухом) и движущимся или покоящимся в ней телом. Первым учёным, внёсшим значительный вклад в Г., был Архимед (3 в. до н. э.), открывший основной закон гидростатики и создавший теорию равновесия жидкостей. Труды Архимеда явились основой для создания ряда гидравлических аппаратов, в частности поршневых насосов.

  Следующий этап развития Г. относится к эпохе Возрождения (16—17 вв.) Леонардо да Винчи сделал первый существенный шаг в изучении движения тел в жидкости или газе. Наблюдая полёт птиц, он открыл существование сопротивления среды. Он считал, что воздух, сжимаясь вблизи передней части тела, как бы «загустевает» и поэтому препятствует движению в нём тел. Сжимаясь под крылом птицы, воздух, по мнению Леонардо, создаёт опору для крыла, благодаря чему возникает сила, поддерживающая птицу в полёте, – подъёмная сила. Б. Паскаль, изучая силу, действующую перпендикулярно к поверхности соприкосновения двух элементарных объёмов жидкости, т. е. давление, установил, что в данной точке жидкости давление действует с одинаковой силой во всех направлениях.

  Первое теоретическое определение закона сопротивления принадлежит англ. учёному И. Ньютону, который объяснял сопротивление тела при движении его в газе ударами частиц о лобовую часть тела, а величину сопротивления считал пропорциональной квадрату скорости тела. Ньютон также заметил, что кроме силы, определяемой ударами частиц, существует сопротивление, связанное с трением жидкости о поверхность тела (т. н. сопротивление трения). Рассмотрев силу, действующую вдоль поверхности соприкосновения элементарных объёмов жидкости, Ньютон нашёл, что напряжение трения между двумя слоями жидкости пропорционально относительной скорости скольжения этих слоев друг по другу.

  Установив основные законы и уравнения динамики, Ньютон открыл путь для перехода Г. от изучения отдельных задач к исследованию общих законов движения жидкостей и газов. Создателями теоретической гидродинамики являются Л. Эйлер и Д. Бернулли, которые применили известные уже к тому времени законы механики к исследованию течений жидкостей. Л. Эйлер впервые вывел основные уравнения движения т. н. идеальной, т. е. не обладающей вязкостью, жидкости. В трудах французских учёных Ж. Лагранжа и О. Коши, немецких учёных Г. Кирхгофа и Г. Гельмгольца, английского учёного Дж. Стокса, русских учёных Н. Е. Жуковского и С. А. Чаплыгина и др. были разработаны аналитические методы исследования течений идеальной жидкости; эти методы были применены к решению множества важных задач, относящихся к движению жидкости в каналах различной формы, к истечению струй жидкости в пространство, заполненное жидкостью или газом, и к движению твёрдых тел в жидкостях и газах. Большое значение для практических приложений имела разработка теории волн, возникающих на поверхности жидкости, например под действием ветра или при движении судов и т.п.

  Основным достижением Г. 19 в. был переход к исследованию движения вязкой жидкости, что было вызвано развитием гидравлики, гидротехники и машиностроения (смазка трущихся частей машин). Опыт показал, что при малых скоростях движения тел сопротивление в основном зависит от сил вязкости. Они же определяют сопротивление при движении жидкостей в трубах и каналах. Стокс, рассматривая деформацию элементарного объёма жидкости при его перемещении, установил, что возникающие в жидкости вязкие напряжения линейно зависят от скорости деформации жидкой частицы. Этот закон, обобщивший закон Ньютона для трения, позволил дополнить уравнения движения Эйлера членами, учитывающими силы, возникающие от действия вязкости жидкостей или газов. Вывод уравнений движения вязких жидкостей и газов (Навье – Стокса уравнений) позволил аналитически исследовать течение реальных (вязких) сплошных сред. Однако решение этих уравнений в общем виде представляет большие трудности и по сей день, поэтому при исследовании течений вязкой жидкости часто прибегают к упрощению задачи путём отбрасывания в уравнениях членов, которые для данного случая не являются определяющими. Большую роль в Г. играют экспериментальные методы. Выяснилось ещё одно важное отличие реальных жидкостей и газов от идеальных – способность переносить тепло, характеризуемая величиной теплопроводности. С помощью методов Г. была создана также теория фильтрации жидкости через грунты, которая играет важную роль в гидротехнике, нефтедобыче, газификации и пр.

  Решающее значение для всего дальнейшего развития науки о движении реальных жидкостей и газов, обладающих вязкостью и способных переносить тепло, имеет уравнение пограничного слоя, выведенное впервые немецким учёным Л. Прандтлем (1904). Согласно гипотезе Прандтля, всё действие вязкости сказывается лишь в тонком слое жидкости или газа, примыкающем к обтекаемой поверхности, поэтому вне этого слоя течение реальной вязкой жидкости ничем не отличается от движения идеальной (невязкой) жидкости. Т. о., задача о движении вязкой жидкости или газа разделяется на две: исследование течения идеальной жидкости вне пограничного слоя и исследование течения вязкой жидкости внутри пограничного слоя.

  Во 2-й половине 19 в. начало развиваться и др. направление Г. – исследование течений сжимаемой сплошной среды. Почти все жидкости практически несжимаемы, поэтому в процессе движения их плотность остаётся неизменной. Газы, наоборот, очень легко изменяют свой объём, а следовательно и плотность под действием сил давления или при изменении температуры. Раздел Г., в котором изучается движение сжимаемых сплошных сред, называется газовой динамикой. Запросы авиационной (в 1-й четверти 20 в.) и ракетной (во 2-й четверти 20 в.) техники стимулировали развитие аэродинамики и газовой динамики.

  Создание ракет и ракетных двигателей на жидком и твёрдом топливе сложного химического состава, наступление эры космических полётов в атмосфере Земли и др. планет, увеличение скоростей атомных подводных лодок – носителей ракетно-ядерного оружия, создание мировой службы погоды с использованием искусственных спутников Земли, синтез различных естественных наук и др. элементы технического и научного прогресса 20 в. существенно повысили роль Г. в жизни человечества. Современная Г. – разветвленная наука, состоящая из многих разделов, тесно связанная с др. науками, прежде всего с математикой, физикой и химией. Движение и равновесие несжимаемых жидкостей изучает гидромеханика, движение газов и их смесей, в том числе воздуха, – газовая динамика и аэродинамика. Разделами Г. являются теория фильтрации и теория волнового движения жидкости. Технические приложения Г. изучаются в гидравлике и прикладной газовой динамике, а приложения законов Г. к изучению климата и погоды исследуются в динамической метеорологии. Методами Г. решаются разнообразные технические задачи авиации, артиллерийской и ракетной техники, теории корабля и энергомашиностроения, при создании химических аппаратов и при изучении биологических процессов (например, кровообращения), в гидротехническом строительстве, в теории горения, в метеорологии и т.п.

  Первая основная задача Г. состоит в определении сил, действующих на движущиеся в жидкости или газе тела и их элементы, и определении наивыгоднейшей формы тел. Знание этих сил даёт возможность найти потребную мощность двигателей, приводящих тело в движение, и траектории движения тел. Вторая задача – профилирование (определение наивыгоднейшей формы) каналов различных газовых и жидкостных машин: реактивных двигателей самолётов и ракет, газовых, водяных и паровых турбин электростанций, центробежных и осевых компрессоров и насосов и др. Третья задача – определение параметров газа или жидкости вблизи поверхности твёрдых тел для учёта силового, теплового и физико-химического воздействия на них со стороны потока газа или жидкости. Эта задача относится как к обтеканию тел жидкостью или газом, так и к течению жидкостей и газов внутри каналов разной формы. Четвёртая задача – исследование движения воздуха в атмосфере и воды в морях и океанах, которое производится в геофизике (метеорология, физика моря) с помощью методов и уравнений Г. К ней примыкают задачи о распространении ударных и взрывных волн и струй реактивных двигателей в воздухе и воде.

  Решение практических задач Г. в различных отраслях техники производится как экспериментальными, так и теоретическими методами. Современная техника приходит к таким параметрам течения газа или жидкости, при которых часто невозможно создать условия для полного экспериментального исследования течения на моделях. Тогда в эксперименте производится частичное моделирование, т. е. исследуются отдельные физические явления в движущемся газе или жидкости, имеющие место в действительном течении; определяется физическая модель течения и находятся необходимые экспериментальные зависимости между характерными параметрами. Теоретические методы, основаны на точных или приближённых уравнениях, описывающих течение, позволяют объединить, используя данные эксперимента, все существенные физические явления в движущемся газе или жидкости и найти параметры течения с учётом этих явлений для данной конкретной задачи. Высокое совершенство теоретических методов стало возможным с появлением быстродействующих ЭВМ. Применение ЭВМ для решения задач Г. изменило и методы решения. При пользовании ЭВМ решение производится часто прямым интегрированием исходной системы уравнений, описывающей движение жидкости или газа и все физические процессы, сопровождающие это движение. Прогресс теоретических методов Г. и развитие ЭВМ позволяют решать всё более сложные задачи.

  Теоретические и экспериментальные исследования в области Г. сосредоточены в крупных институтах и научных центрах. Развитию Г. в СССР способствовало создание в 1918 в Москве Центрального аэрогидродинамического института, который возглавил гидроаэромеханические исследования применительно к авиации, гидромашиностроению, кораблестроению, промышленной аэродинамике и др.

  Научные исследования по Г. проводятся в МГУ, ЛГУ и др. вузах, а также в многочисленных отраслевых научно-исследовательских институтах различных министерств и ведомств СССР.

  В США основная научно-исследовательская работа по Г. ведётся под руководством Национального комитета по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA) в ряде научно-исследовательских центров NASA – им. Маршалла, им. Эймса, им. Льюиса, им. Лэнгли, им. Годдарда, а также в университетах, в лабораториях крупных фирм и в научно-исследовательских центрах военно-воздушных сил и военно-морского флота США. Крупными центрами гидроаэромеханических исследований в Англии являются Королевское общество аэронавтики (RAS), Королевский авиационный центр в Фарнборо (RAE), аэродинамический отдел Национальной физической лаборатории (NPL), Кембриджский и Оксфордский университеты. Во Франции исследования по Г. ведутся под руководством Национального научно-исследовательского центра в лабораториях, расположенных в Модан-Авриё, Шале-Медон и др. В ФРГ эти исследования сосредоточены в Научно-исследовательском авиакосмическом центре в Брауншвейге (DFL), в Экспериментальном авиакосмическом центре в Порц-Ван (DVL) и в Аэродинамическом исследовательском центре в Гёттингене (AVA). Серьёзные исследования в области Г. выполняются в Италии, Японии, Швеции и др. странах.

  Результаты теоретических и экспериментальных исследований по Г. публикуются в многочисленных научных и технических периодических изданиях. Важнейшими из них являются: в СССР – «Доклады АН СССР» (серия Математика, Физика, с 1922), «Известия АН СССР» (серия Механика жидкостей и газов, с 1966), «Прикладная математика и механика» (с 1933), в США – «Journal of the American Institute of Aeronautics and Astronautics» («AIAA Journal», N. Y., с 1963), в переводе на рус. язык – «Ракетная техника и космонавтика» (М., с 1961); «Journal of Applied Mechanics» (N. Y., с 1934), в переводе на рус. язык – «Прикладная механика. Серия Е» (М., с 1961); «Physics of Fluids» (N. Y., с 1958) и др.; в Великобритании – «Journal of the Royal Aeronautical Society» (L., с 1923), «Journal of Fluid Mechanics» (L., с 1956); во Франции – «Compte rendus hebdomadaires des séances de l'Académie des Science» (P., с 1835), «La Recherche aéronautique. Bulletin bimestriel de l'Office national d'études et de recherches aéronautiques» (P., с 1948); в ФРГ – «Zeitschrift für Flugwissenschaften» (Braunschweig, с 1953), в ГДР – «Zeitschrift für angewandte Mathematik und Mechanik» (В., с 1921).

  Лит.: Лойцянский Л. Г., Механика жидкости и газа, М., 1970; Прандтль Л., Гидроаэромеханика, М., 1949.

  С. Л. Вишневецкий, Д. А. Мельников.