Блок «Механика жидкости и газа»
Список литературы, рекомендуемой для подготовки
- Абрамович, Г.Н. Прикладная газовая динамика. В 2 ч. Ч. 1: Учеб. руководство: Для втузов. - 5-е изд., перераб и доп. - М.: Наука. Гл. ред. Физ-мат. лит, 1991. - 600 с. - ISBN 5-02-014015-5
- Степчков, А.А. Задачник по гидрогазовой динамике / А.А. Степчков. М.: Машиностроение, 1980. 183 с.
- Круглов, М.Г. Газовая динамика комбинированных двигателей внутреннего сгорания: Учеб. пособие для студентов, обучающихся по специальности "Двигатели внутреннего сгорания" / М.Г. Круглов, А.А. Меднов. - М.: Машиностроение, 1988. - 360 с.: ил.
- Зенкин, В.А. Одномерное стационарное течение. Электронное учебное издание. Методические указания по дисциплине «Газовая динамика». Препринт, 2017.- 26 с.
Вопрос 1 – 4 балла
В ответе следует дать определение указанному понятию. Список понятий:
- анемометр;
- вихревая линия;
- вязкость;
- динамический пограничный слой;
- критический режим течения;
- ламинарное течение;
- линия тока;
- параметры заторможенного потока;
- политропный газ;
- потенциальное течение;
- сопло Лаваля;
- стационарное течение;
- турбулентное течение;
- число Кнудсена.
Вопрос 2 – 4 балла
В ответе следует написать указанную формулу или уравнение, расписав используемые обозначения. Список уравнений:
- выражение для полного ускорения в точке при описании движения жидкости в Эйлеровых переменных;
- дифференциальное уравнение линии тока;
- закон Ньютона для вязкого трения;
- уравнение Бернулли для несжимаемой жидкости;
- уравнение динамики идеальной жидкости (уравнение Эйлера);
- уравнение для определения расхода газа через газодинамическую функцию q;
- уравнение неразрывности в дифференциальной форме для несжимаемой жидкости;
- уравнение неразрывности в дифференциальной форме для сжимаемой жидкости;
- уравнение неразрывности для стационарной элементарной струйки;
- уравнение состояния для совершенного газа;
- формулу для определения инварианта Римана;
- формулу для определения скорости звука;
- формулу для определения числа Рейнольдса;
- формулы для определения чисел M и λ.
Вопрос 3 – 8 баллов
Перечень вопросов:
- Выведите уравнение неразрывности для стационарной элементарной струйки.
- Запишите обобщенное уравнение Бернулли для элементарной струйки, расшифруйте использованные обозначения. Преобразуйте его для случая несжимаемого течения.
- Запишите уравнение Навье-Стокса и расшифруйте используемые обозначения. Поясните физический смысл уравнения и каждого из его членов.
- Запишите уравнение теплосодержания для стационарной элементарной струйки, расшифруйте использованные обозначения. Поясните различия между адиабатным, энергоизолированным и изоэнтропным течениями.
- Запишите уравнение энергии для сжимаемой жидкости в дифференциальной форме и расшифруйте используемые обозначения. Поясните физический смысл уравнения и каждого из его членов. (Допускается не раскрывать выражение для диссипативной функции)
- Изобразите дозвуковое и сверхзвуковое сопла. Поясните в чем заключается явление «запирания сопла» и в каком случае оно возникает. Поясните принцип работы сверхзвукового сопла. Изобразите на графике, как будет меняться расход через дозвуковое и сверхзвуковое сопло в зависимости от перепада давления на сопле.
- Изобразите схему напряжений, действующих на элементарный объем газа. Запишите проекцию на ось X уравнения динамики жидкости в напряжениях, расшифруйте используемые обозначения.
- Изобразите характерную форму турбулентного динамического пограничного слоя, укажите выделяемые в нем области. Поясните в чем заключается явление отрыва пограничного слоя.
- Опишите алгоритм решения задачи о нестационарном одномерном течении газа методом характеристик.
- Поясните принципиальную идею преобразования дифференциальных уравнений одномерного течения к характеристической форме. Каковы математический и физический смысл характеристик и инвариантов Римана? Какие три семейства характеристик принято выделять и в чем их отличия?
- Поясните различия между ламинарным и турбулентным течениями. Изобразите характерные профили скорости для ламинарного и турбулентного потока в прямой трубе. Поясните физический смысл понятий «турбулентный моль» и «турбулентная вязкость».
- Поясните физический и математический смысл полной (субстанциональной) производной. Запишите выражения для операторов локальной и конвективной производной, расшифруйте используемые обозначения.
- Поясните, что такое вязкость и какими величинами она характеризуется. Запишите обобщенный закон вязкого трения Ньютона, расшифруйте использованные обозначения. Приведите примеры ньютоновских и неньютоновских жидкостей.
- Сформулируйте первую и вторую теоремы Гельмогольца.
Вопрос 4 – 8 баллов
Перечень вопросов:
- В каких двух случаях течения жидкости линии тока и траектории совпадают?
- В каких случаях должна учитываться вторая вязкость среды?
- В каком случае течение газа можно считать несжимаемым?
- В чем заключается особенность «течений со скольжением» при (0,01<Kn<0,1)?
- Для каких случаев некорректно использование уравнения состояния для идеального газа?
- Для каких случаев некорректно представление газа как сплошной среды?
- Для каких случаев некорректно применение представлений равновесной термодинамики?
- Как называется самый распространенный метод численного решения газодинамических задач?
- Может ли (и если да, то в каком случае) давление в струе на выходе из сопла отличаться от давления в окружающей среде?
- Перечислите крупные коммерческие программы (не менее двух) предназначенные для моделирования пространственных течений?
- Почему в уравнении теплосодержания не учитывается работа трения?
- Равны ли нулю полная (субстанциональная, индивидуальная) и локальная производные по времени для стационарного течения?
- Справедливы ли для турбулентного течения уравнения Навье-Стокса и уравнения Рейнольдса?
- Станут ли на практике температура и давление газа при уменьшении его скорости до нуля равны соответствующим параметрам заторможенного потока?
Вопрос 5 – 16 баллов
Для ответа на данный вопрос требуется решить задачу из раздела одномерного стационарного течения сжимаемого газа. Подразумевается (но не всегда строго необходимо) использование газодинамических функций; таблицы функций на экзамене будут предоставлены.
Необходимый теоретический материал и примеры задач (в том числе с решениями) можно найти в первой главе задачника Степчкова (см. список литературы). Задачи на импульсные функции в билетах отсутствуют, таким образом, примерами могут служить задачи вплоть до 1.100.
Пример
Воздух из неограниченной емкости вытекает через простой конический насадок в окружающую среду со стандартными значениями параметров p0 = 105 Па и T0 = 293 К. Определить параметры воздуха в емкости, если на срезе конического насадка заданы значения скорости W = 350 м/с и температуры T = 500 К.
Свойства среды (воздух):
γ = 1,4;
R = 287 Дж/кг∙К.
Решение
Рисунок 1 – Расчетная схема к задаче
1. Определим число Маха на срезе насадка:
;
.
Режим течения докритический.
2. Так как число маха меньше единицы, давление на срезе сопла устанавливается равным статическому давлению в области истечения.
p = p0 = 105 Па.
3. Заторможенные давления и температуры в емкости и на срезе одинаковые, следовательно:
;
.
4. Из уравнения состояния определим плотность в емкости:
.
Ответ
Параметры в емкости составляют
; 
; 
.
Блок «Теория поршневых и комбинированных двигателей внутреннего сгорания»
Список литературы, рекомендуемой для подготовки
- Двигатели внутреннего сгорания: Теория поршневых и комбинированных двигателей: Учебник для втузов по специальности “Двигатели внутреннего сгорания” / Д.Н.Вырубов, Н.А.Иващенко, В.И.Ивин и др.; Под ред. А.С. Орлина, М.Г. Круглова. - 4-е изд. - М.: Машиностроение, 1983.- 372 с.
Вопрос 6 – 4 балла
Напишите определение и формулу для расчета, расшифруйте величины, входящие в них, укажите характерные значения:
-последовательность работы четырехтактного двигателя;
-степень сжатия;
-рабочий и полный объем цилиндра;
-коэффициента избытка воздуха;
-коэффициент остаточных газов;
-коэффициент продувки;
-индикаторная работа цикла;
-среднее индикаторное давление цикла;
-индикаторный КПД цикла;
-удельный эффективный расход топлива;
-среднее эффективное давление цикла;
-эффективная мощность;
-мощность механических потерь;
-механический КПД;
-работа насосных ходов;
-среднее давление насосных ходов;
-литровая мощность.
Нарисуйте график, расшифруйте величины на графике:
-термодинамическая диаграмма цикла с воспламенением от электрической искры, от сжатия;
-термодинамического цикла комбинированного двигателя с воспламенением топливо-воздушной смеси от сжатия / от электрической искры, изобарной / импульсной турбиной турбокомпрессора, без охлаждения / с охлаждением наддувочного воздуха в осях p-V;
-круговая диаграмма фаз газораспределения 2х (прямоточно-щелевого, прямоточно-клапанного, петлевого, петлевого с кривошипно-камерной продувкой) и 4х тактных двигателей;
-диаграмма эффективного проходного сечения фаз газораспределения;
-индикаторная диаграмма 2х (прямоточно-щелевого, прямоточно-клапанного, петлевого, петлевого с кривошипно-камерной продувкой) и 4х тактных двигателей;
-диаграмма насосных ходов.
Вопрос 7 – 8 баллов
Нарисуйте схематически конструкцию:
-двухтактного (прямоточно-щелевого, прямоточно-клапанного, петлевого, петлевого с кривошипно-камерной), четырехтактного двигателя, подпишите основные элементы;
-камеры сгорания искрового двигателя;
-камеры сгорания дизеля;
Допущения при исследовании циклов поршневых двигателей методами термодинамики для двигателей с искровым зажиганием и с воспламенением смеси от сжатия.
Вопрос 8 – 16 баллов
Задачи:
-рассчитать коэффициент наполнения при известном действительном расходе воздуха, частоте вращения коленчатого вала, температуре и давлении во впускном коллекторе;
Выведите формулу для расчета:
-работы цикла термодинамического цикла с воспламенением от электрической искры / от сжатия;
-среднего индикаторного давления термодинамического цикла с воспламенением от электрической искры / от сжатия;
-индикаторного КПД термодинамического цикла с воспламенением от электрической искры / от сжатия;
-давления и температуры в базовых точках термодинамической диаграммы двигателя с воспламенением смеси от электрической искры, при известных параметрах в начале сжатия (pa, Ta), а также показателе адиабаты k, степени сжатия ε и степени повышения давления λ;
-уравнение сгорания используемое в методе Гриневецкого-Мазинга (на основе Первого Закона термодинамики) для двигателя с воспламенением топливо-воздушной смеси от сжатия;
-индикаторная мощность;
-удельный индикаторный расход топлива;
-относительной скорости тепловыделения в цилиндре двигателя по известному (измеренному) давлению в цилиндре и углу поворота коленчатого вала.