1.2.1 Гидродинамика теоретическая

Гидродинамика как наука

• Определение. Гидродинамика — это раздел физики сплошных сред, изучающий движение жидкости и газов с учетом их взаимодействия с твердыми телами и внешними силовыми полями. В рамках курса движение жидкостей и газов рассматривается в общем гидродинамическом описании.
• Методы исследования. Традиционно гидродинамические исследования делятся на две группы:
  • • методы теоретической гидродинамики и
    • методы экспериментальной гидродинамики.
  • Эти два подхода тесно связаны между собой.

Теоретическая гидродинамика. Задачи и ограничения.

Основная задача теоретической гидродинамики заключается в выводе полной системы уравнений, описывающих динамику жидкостей и газов, и в поиске их аналитических решений. Эти решения позволяют производить точные расчеты таких параметров, как давление, температура, плотность и скорость потока, для конкретных конфигураций течения.

 

Ключевые ограничения:

1. Отсутствие общего решения. В самом общем случае точное аналитическое решение полной системы гидродинамических уравнений на сегодняшний день неизвестно. Математическим институтом Клея обещано существенное вознаграждение за доказательство существования и единственности такого решения, что подтверждает сложность задачи.
2. Частные решения. Несмотря на отсутствие общего решения, теоретической гидродинамикой было решено много частных, но очень важных задач. Эти решения, полученные посредством различных упрощений (например, сведением к одномерному или двумерному рассмотрению), позволяют проводить расчеты некоторых простых течений даже без использования компьютеров.
3. Верификационная база. Частные аналитические решения, полученные теоретически, являются базой для верификации методов вычислительной гидродинамики.
4. Неполноценность без эксперимента. Теоретическая гидродинамика редко может быть применена для полноценного исследования течения в отрыве от эксперимента. Даже при использовании мощных инструментов, таких как теория подобия или методики осреднения (для турбулентных течений), результатом являются только полуаналитические соотношения. Точная форма этих соотношений и входящие в них константы могут быть определены только по результатам серии калибровочных экспериментов.

Таким образом, любая расчетная методика, предлагаемая теоретической гидродинамикой, становится полноценным инструментом только после калибровки и проверки экспериментом. Постановкой и проведением этих проверок занимается экспериментальная гидродинамика.