Niniejszy podręcznik pt. „Mechanika płynów" jest zmienioną wersją podręcznika „Podstawy mechaniki płynów", w którym dodano w części drugiej obszerny rozdział pt. „Przykłady symulacji numerycznych ruchu cieczy lepkiej" - stanowiący podsumowanie wieloletnich badań własnych, dotyczących opracowywania metod wyznaczania ruchu cieczy lepkiej. Dzięki szybkiemu rozwojowi techniki komputerowej, algorytmów obliczeniowych oraz języków programowania jest bowiem obecnie możliwe rozwiązywanie coraz to bardziej złożonych zagadnień przepływowych oraz eliminowanie kosztownych badań eksperymentalnych.
Podręcznik został opracowany z myślą o studentach Wydziału Mechanicznego Politechniki Radomskiej i innych wydziałów mechanicznych politechnik oraz wydziałów technicznych uniwersytetów. Ma on za zadanie zilustrowanie i ugruntowanie wiadomości ogólnych z mechaniki płynów, a jednocześnie wzmożenie zainteresowania tym przedmiotem. Materiał przedstawiony w podręczniku został ułożony zgodnie z zasadą „od łatwiejszego do trudniejszego" - omawiane są więc kolejno: wiadomości podstawowe, zagadnienia statyki i kinematyki płynów, przepływy płynów nielepkich, następnie przepływy płynów lepkich oraz niektóre ich szczególne przypadki. Wydaje się być uzasadnione względami dydaktycznymi, aby przejście od mechaniki ciała stałego do mechaniki płynów odbywało się kolejnymi etapami, ze¬zwalającymi na stopniowe wprowadzanie do zasadniczo nowego przedmiotu.
Wyboru materiału dokonano w taki sposób, żeby w ograniczonej objętości podręcznika przedstawić możliwie jak największą liczbę rozmaitych zagadnień mechaniki płynów - starano się przy tym stosować jak najprostszy aparat matematyczny i zwrócono szczególną uwagę na interpretację fizyczną zjawisk. Po omówieniu poszczególnych zagadnień mechaniki płynów od strony teoretycznej, zaprezentowano w każdym rozdziale również pewną liczbę przykładów liczbowych - mających na celu zilustrowanie i uzupełnianie rozważanych problemów - zezwalających na łatwiejsze opanowanie materiału. Zamieszczono też rozdział o podstawowych zasadach badań doświadczalnych oraz pomiarów wielkości fizykalnych, gdyż niektóre zagadnienia ruchu płynów rzeczywistych okazują się być zbyt trudne do rozwiązania wyłącznie za pomocą metod analitycznych i trzeba odwoływać się do eksperymentu. Współczesny podręcznik z mechaniki płynów powinien także ponadto zawierać przykłady symulacji numerycznych wybranych zagadnień mechaniki płynów oraz przedstawienie ich wielkiego znaczenia, skomplikowania, ograniczeń i niedoskonałości.
Pragnę gorąco podziękować Panom Profesorom Janowi Łachowi i Andrzejowi Olajossemu za wnikliwe i przychylne recenzje, a Panu Magistrowi Przemysławowi Motylowi za wykonanie obliczeń we Fluencie i rysunków w Tecplocie.
Autor
Radom, marzec 2010 r.


SPIS TREŚCI

PRZEDMOWA    
WYKAZ WAŻNIEJSZYCH OZNACZEŃ

CZĘŚĆ I. PODSTAWY MECHANIKI PŁYNÓW
    
1.    POJĘCIA PODSTAWOWE MECHANIKI PŁYNÓW     
1.1.    Przedmiot mechaniki płynów     
1.2.    Model ośrodka ciągłego    
1.3.    Własności płynów    
1.4.    Pola i ich klasyfikacja    
1.5.    Przepływy laminarnc i turbulentne    
Ćwiczenia    

2.    WYBRANE ZAGADNIENIA STATYKI PŁYNÓW    
2.1.    Ciśnienie statyczne     
2.2.    Podstawowe równania równowagi płynu     
2.3.    Równowaga cieczy w jednorodnym polu grawitacyjnym    
2.4.    Parcie cieczy na powierzchnie płaskie    
2.5.    Parcie cieczy na powierzchnie zakrzywione    
2.6.    Prawo Archimedesa i równowaga ciał zanurzonych    
2.7.    Równowaga ciał pływających     
Ćwiczenia    

3.    ELEMENTY KINEMATYKI PŁYNÓW    
3.1.    Opis ruchu płynu     
3.2.    Graficzna reprezentacja pola prędkości     
3.3.    Przyspieszenie elementu płynu    
3.4.    Różniczkowe równanie ciągłości        
3.5.    Struktura pola prędkości płynu    
3.6.    Pojęcia i twierdzenia dotyczące pól wirowych    
Ćwiczenia    

4.    PODSTAWOWF. RÓWNANIA DYNAMIKI PŁYNÓW NIELKPKICH    
4.1.    Różniczkowe równania ruchu Eulera    
4.2.    Całki równania Eulera    
4.3.    Ruch wirowy    
Ćwiczenia
    
5.    JEDNOWYMIAROWE PRZEPŁYWY CIECZY    
5.1.    Równanie Bernoulliego dla cieczy doskonałej     
5.2.    Wypływ cieczy ze zbiorników    
5.3.    Przyrządy pomiarowe    
5.4.    Równanie Bernoulliego dla cieczy rzeczywistej     
5.5.    Reakcja wywierana przez strumień cieczy    
5.6.    Zasada momentu pędu    
5.7.    Ruch cieczy w kanale otwartym     
Ćwiczenia    

6.    PŁASKIE PRZEPŁYWY CIECZY DOSKONAŁEJ     
6.1.    Własności ogólne przepływów ustalonych     
6.2.    Przykłady płaskich przepływów potencjalnych    
6.3.    Superpozycja przepływów    
6.4.    Siły działające na profil kołowy    
6.5.    Opływ profilu lotniczego    
6.6.    Fale na swobodnej powierzchni     
Ćwiczenia
    
7.    JEDNOWYMIAROWE PRZEPŁYWY GAZU     
7.1.    Zależności podstawowe    
7.2.    Równanie Bernoulliego    
7.3.    Prostopadła fala uderzeniowa    
7.4.    Przepływ przewodem o zmiennym przekroju    
7.5.    Przepływ izentropowy nieustalony    
7.6.    Przepływ gazu przez przewody z uwzględnieniem oporów tarcia    
Ćwiczenia
    
8.    RÓWNANIA RUCHU PŁYNÓW LEPKICH     
8.1.    Związek między naprężeniami i odkształceniami     
8.2.    Równania Naviera-Stokesa    
8.3.    Równanie zachowania energii    
8.4.    Podstawowe zagadnienie mechaniki płynów    
8.5.    Formy opisu ruchu cieczy lepkiej    
8.6.    Hydrodynamiczna teoria smarowania    
Ćwiczenia    

9.    PŁASKA LAMINARNA WARSTWA PRZYŚCIENNA    
9.1.    Koncepcja warstwy przyściennej    
9.2.    Warstwa przyścienna w cieczy lepkiej    
9.3.    Oderwanie warstwy przyściennej     
9.4.    Metody ścisłe rozwiązywania równań Prandtla    
9.5.    Metody przybliżone wyznaczania warstwy przyściennej    
9.6.    Warstwa przyścienna w gazie lepkim    
Ćwiczenia    

10.    RUCH TURBULENTNY CIECZY LEPKIEJ    
10.1.    Stateczność rozwiązań równań Naviera-Stokesa    
10.2.    Opis ruchu turbulentnego    
10.3.    Modele turbulencji     
10.4.    Płaska turbulentna warstwa przyścienna    
10.5.    Przepływy turbulentne w przewodach     
10.6.    Opór ciał poruszających się w cieczy lepkiej    
Ćwiczenia    

11.    METODY DOŚWIADCZALNE    
11.1.    Kryteria podobieństwa przepływów    
11.2.    Analiza wymiarowa    
11.3.    Pomiary wielkości fizykalnych    
11.4.    Urządzenia laboratoryjne do badań modelowych    
11.5.    Ruch cieczy w ośrodkach porowatych    
Ćwiczenia    

CZĘŚĆ II. SYMULACJA NUMERYCZNA ZAGADNIEŃ DYNAMIKI CIECZY LEPKIEJ
12.    PRZYKŁADY SYMULACJI NUMERYCZNYCH RUCHU CIECZY LEPKIEJ.
12.1.    Formy opisu i metody wyznaczania ruchu cieczy lepkiej    
12.2.    Rozważane zagadnienia obliczeniowe    
12.3.    Metodyka obliczeń numerycznych     
12.3.1.    Uwagi ogólne    
12.3.2.    Metoda różnic skończonych    
12.3.3.    Metoda funkcji sklejanych    
12.3.4.    Schematy kompaktowe    
12.3.5.    Metoda prostych    
12.4.    Równanie Navicra-Stokesa sformułowane dla funkcji prądu    
12.4.1.    Uwagi ogólne    
12.4.2.    Kwadratowe zagłębienie z jedną poruszającą się ścianką    
12.4.3.    Kanał z uskokiem jednej ścianki    
12.4.4.    Opływ profilu     
12.5.    Metoda sztucznej ściśliwości     
12.5.1.    Algorytmy obliczeń     
12.5.2.    Kwadratowe i sześcienne zagłębienia zjedna poruszającą się ścianką
12.5.3.    Kanały z uskokiem jednej ścianki i prostopadle podwójnie zagięte
12.5.4.    Trójkątne i półkoliste zagłębienia z jedną poruszającą się ścianką    
12.5.5.    Podsumowanie i wnioski    

13.    DODATEK    
13.1.    Podstawowe działania na wektorach    
13.2.    Wybrane pojęcia i twierdzenia teorii pola    
13.3.    Tensory kartezjańskie drugiego rzędu    
13.4.    Równania zachowania w postaciach całkowych    
13.5.    Współrzędne krzywoliniowe ortogonalne
    
LITERATURA    
A.    Podręczniki i zbiory zadań    
B.    Monografie i prace oryginalne    
CONTENTS