Гидравлика

Гидравлика (далее Г) (греч. hydraulikós - водяной, от hydor - вода и aulos - трубка), наука о законах движения и равновесия жидкостей и способах приложения этих законов к решению задач инженерной практики. В отличие от гидромеханики, Г характеризуется особым подходом к изучению явлений течения жидкостей; она устанавливает приближенные зависимости, ограничиваясь во многих случаях рассмотрением одноразмерного движения, широко используя при этом эксперимент, как в лабораторных, так и в натурных условиях. Наряду с этим намечается все большее сближение между гидромеханикой и Г: с одной стороны, гидромеханика все чаще обращается к эксперименту, с другой - методы гидравлического анализа становятся более строгими.

Г изучает капельные жидкости, считая их обычно несжимаемыми. Однако выводы Г применимы и к газам в тех случаях, когда давление в них, а вместе с тем и плотность, почти постоянны. Течения газов с большими скоростями исследуются в газовой динамике. Рассматривая главным образом т. н. внутреннюю задачу, т. е. движение жидкости в твердых границах, Г почти не касается вопроса о распределении силового воздействия на поверхность обтекаемых тел, которому уделяется много внимания в аэродинамике, Г обычно подразделяется на две части: теоретические основы Г, где излагаются важнейшие положения учения о равновесии и движении жидкостей, и практическую Г, применяющую эти положения к решению частных вопросов инженерной практики. Основные разделы практической Г: течение по трубам (Г трубопроводов), течение в каналах и реках (Г открытых русел), истечение жидкости из отверстия и через водосливы, движение в пористых средах (фильтрация), взаимодействие потока и твердого преграждения (Г сооружений). Во всех указанных разделах движение жидкости рассматривается как установившееся, так и неустановившееся (нестационарное).

Изучая равновесие жидкостей, Г исследует общие законы гидростатики, а также частные вопросы: давление жидкости на стенки различных сосудов, труб, на плотины, быки и устои мостов и пр., давление на погруженные в жидкость тела (см. Архимеда закон), условия равновесия плавающих тел (см. Плавание тел). Рассматривая движения жидкости, Г пользуется основными уравнениями гидродинамики, при этом главнейшими соотношениями являются: уравнение Бернулли для реальной жидкости (см. Бернулли уравнение), определяющее общую связь между давлением, высотой, скоростью течения жидкости и потерями напора, и уравнение неразрывности (см. Неразрывности уравнение) в гидравлической форме. Г подробно рассматривает вопрос о гидравлических сопротивлениях, возникающих при различных режимах течения жидкости (см. Ламинарное течение, Турбулентное течение), а также условия перехода из одного режима в другой (см. Рейнольдса число). Г трубопроводов указывает способы определения размеров труб, необходимых для пропуска заданного расхода жидкости при заданных условиях и для решения ряда вопросов, возникающих при проектировании и строительстве трубопроводов различного назначения (водопроводные сети, напорные трубопроводы гидроэлектростанций, нефтепроводы и пр.). Здесь же рассматривается вопрос о распределении скоростей в трубах, что имеет большое значение для расчетов теплопередачи, устройств пневматического и гидравлического транспорта, при измерении расходов и т. д. Теория неустановившегося движения в трубах исследует явление гидравлического удара.

Г открытых русел изучает течение воды в каналах и реках. Здесь даются способы определения глубины воды в каналах при заданном расходе и уклоне дна, широко применяемые при проектировании судоходных, оросительных, осушительных и гидроэнергетических каналов, канализационных труб, при выправительных работах на реках и пр. Г открытых русел исследует также вопрос о распределении скоростей по сечению потока, что весьма существенно для гидрометрии, расчета движения наносов и пр. Теория неравномерного движения в открытых руслах дает возможность определять кривые свободной поверхности воды. а теория неустановившегося движения важна при учете явлений, связанных с маневрированием затворами плотин, суточным регулированием гидроэлектростанций, попуском воды из водохранилищ и пр. В разделах гидравлики, посвященных истечению жидкости из отверстий и через водосливы, приводятся расчетные зависимости для определения необходимых размеров отверстий в различных резервуарах, шлюзах, плотинах, водопропускных трубах и т. д., а также для выявления скоростей истечения жидкостей и времени опорожнения резервуаров. Гидравлическая теория фильтрации дает методы расчета дебита и скорости течения воды в различных условиях безнапорного и напорного потоков (фильтрация воды через плотины, фильтрация нефти, газа и воды в пластовых условиях, фильтрация из каналов, приток к грунтовым колодцам и пр.).

В Г рассматриваются также движение наносов в открытых потоках и пульпы в трубах, методы гидравлических измерений, моделирование гидравлических явлений и некоторые др. вопросы. Существенно важные для расчета гидротехнических сооружений вопросы Г - неравномерное и неустановившееся движение в открытых руслах и трубах, течение с переменным расходом, фильтрация и др. - иногда объединяют под общим названием "инженерная Г" или "Г сооружений". Т. о., круг вопросов, охватываемых Г, весьма обширен и законы Г в той или иной мере находят применение практически во всех областях инженерной деятельности, а особенно в гидротехнике, мелиорации, водоснабжении, канализации, теплогазоснабжении, гидромеханизации, гидроэнергетике, водном транспорте и др.

Некоторые принципы гидростатики были установлены еще Архимедом, возникновение гидродинамики также относится к античному периоду, однако формирование Г как науки начинается с середины 15 в., когда Леонардо да Винчи лабораторными опытами положил начало экспериментальному методу в Г В 16-17 вв. С. Стевин, Г Галилей и Б. Паскаль разработали основы гидростатики как науки, а Э. Торричелли дал известную формулу для скорости жидкости, вытекающей из отверстия. В дальнейшем И. Ньютон высказал основные положения о внутреннем трении в жидкостях. В 18 в. Д. Бернулли и Л. Эйлер разработали общие уравнения движения идеальной жидкости, послужившие основой для дальнейшего развития гидромеханики и Г Однако применение этих уравнений (так же как и предложенных несколько позже уравнений движения вязкой жидкости) для решения практических задач привело к удовлетворительным результатам лишь в немногих случаях, В связи с этим с конца 18 в. многие ученые и инженеры (А. Шези, А. Дарси, А. Базен, Ю. Вейсбах и др.) опытным путем изучали движение воды в различных частных случаях, в результате чего Г обогатилась значительным числом эмпирических формул. Создававшаяся т. о. практическая Г все более отдалялась от теоретической гидродинамики. Сближение между ними наметалось лишь к концу 19 в. в результате формирования новых взглядов на движение жидкости, основанных на исследовании структуры потока. Особо заслуживают упоминания работы О. Рейнольдса, позволившие глубже проникнуть в сложный процесс течения реальной жидкости и в физическую природу гидравлических сопротивлений и положившие начало учению о турбулентном движении. Впоследствии это учение, благодаря исследованиям

Л. Прандтля и Т. Кармана, завершилось созданием полуэмпирических теорий турбулентности, получивших широкое практическое применение. К этому же периоду относятся исследования Н. Е. Жуковского, из которых для Г наибольшее значение имели работы о гидравлическом ударе и о движении грунтовых вод. В 20 в. быстрый рост гидротехники, теплоэнергетики, гидромашиностроения, а также авиационной техники привел к интенсивному развитию Г, которое характеризуется синтезом теоретических и экспериментальных методов. Большой вклад в развитие Г сделан сов. учеными (работы Н. Н. Павловского, Л. С. Лейбензона, М. А. Великанова и др.).

Практическое значение Г возросло в связи с потребностями современной техники в решении вопросов транспортирования жидкостей и газов различного назначения и использования их для разнообразных целей. Если ранее в Г изучалась лишь одна жидкость - вода, то в современных условиях все большее внимание уделяется изучению закономерностей движения вязких жидкостей (нефти и ее продуктов), газов, неоднородных и т. н. неньютоновских жидкостей. Меняются и методы исследования и решения гидравлических задач. Сравнительно недавно в Г основное место отводилось чисто эмпирическим зависимостям, справедливым только для воды и часто лишь в узких пределах изменения скоростей, температур, геометрических параметров потока; теперь все большее значение приобретают закономерности общего порядка, действительные для всех жидкостей, отвечающие требованиям теории подобия и пр. При этом отдельные случаи могут рассматриваться как следствие обобщенных закономерностей. Г постепенно превращается в один из прикладных разделов общей науки о движении жидкостей - механики жидкости.

Исследования в области Г координируются Международной ассоциацией гидравлических исследований (МАГИ). Ее орган - "Journal of the International Association for Hydraulic Research" (Delft, с 1937). Периодические издания в области Г: журналы"Гидротехническое строительство" (с 1930) и "Гидротехника и мелиорация" (с 1949), "Известия Всесоюзного научно-исследовательского института гидротехники им. Б. Е. Веденеева" (с 1931), "Труды координационных совещаний по гидротехнике" (с 1961), сборники "Г и гидротехника" (с 1961), "Houille Blanche" (Grenoble, с 1946), "Journal of the Hydraulics Division. American Society of Civil Engineers" (. ., с 1956), "L"energia elettrica" (Mil., с 1924).

Лит.: Идельчик И. Е., Справочник по гидравлическим сопротивлениям, М. - Л., 1960; Киселев П, Г, Справочник по гидравлическим расчетам, 3 изд., М. - Л., 1961; Богомолов А. И., Михайлов К. А. Г М., 1965; Альтшуль А. Д., Киселев П. Г, Г и аэродинамика, М., 1965; Чугаев Р. Р., Г, М. - Л., 1970; Rouse Н., Howe J., Basic mechanics of fluids, . . - L., 1953; King . ., Brater E. ., Handbook of hydraulics, 5 ed., . ., 1963; Levin L., L"hydrodynamique et ses applications, ., 1963; Еск В, Technische Strömungslehre. 7 Aufl., ., 1966.

А. Д. Альтшуль.

		Новости 03.12.2024 19:54:00

	Copyright © 1999-2024 Oval.ru, All Rights Reserved.