Основы гидравлики

Скачать книгу

О книге «Основы гидравлики»

Освещены теоретические основы гидравлики и их практическое приложение, относящееся к вопросам равновесия жидкости и газа, движения несжимаемых (и сжимаемых жидкостей) в трубопроводах и резервуарах, истечения через отверстия и насадки. Подробно рассматриваются физические свойства жидкостей (сжимаемых и несжимаемых), понятие о газовых законах и их применении. Приводятся особенности гидравлического расчета коротких и длинных трубопроводов, водопроводных сетей, применяющихся для решения практических вопросов систем подачи и распределения воды. Рассмотрены основы теории подобия и вопросы моделирования гидравлических явлений. Каждая глава дополнена примерами решения задач, основное назначение которых – помочь изучающему основы гидравлики (основы механики жидкости и газа), выработать навыки применения теории в решении конкретных задач и освоить методику проведения гидростатических, гидродинамических а также газодинамических расчетов. Книга предназначена для студентов строительного направления, а также студентов, изучающих дисциплину «Механика жидкости и газа», работников систем коммунальных, энергосбытовых служб и техносферной безопасности.

Произведение было опубликовано в 2014 году издательством Асв. На нашем сайте можно скачать книгу «Основы гидравлики» в формате pdf или читать онлайн. Рейтинг книги составляет 3 из 5. Здесь так же можно перед прочтением обратиться к отзывам читателей, уже знакомых с книгой, и узнать их мнение. В интернет-магазине нашего партнера вы можете купить и прочитать книгу в бумажном варианте.

С.Ш. Сайриддинов ОСНОВЫ ГИДРАВЛИКИ

2 С.Ш. Сайриддинов ОСНОВЫ ГИДРАВЛИКИ Рекомендовано Федеральным государственным бюджетным образовательным учреждением высшего профессионального образования «Московский государственный строительный университет» в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся по программе бакалавриата по направлению «Строительство» Издательство АСВ Москва 2014

3 УДК 532.1:532.5:533.5(075.8) ББК :30.123я.73 Рецензенты: кафедра «Гидравлика» Московского государственного строительного университета (профессор кафедры, д. т. н., профессор В.С. Боровков); зав. кафедрой «Теплогазоснабжение и вентиляция, водоснабжение и водоотведение» Тольяттинского государственного университета, канд. техн. наук, доцент М.Н. Кучеренко; зав. секции «Механика» кафедры «Нанотехнологии, материаловедение и механика», доцент кафедры «Нанотехнологии, материаловедение и механика» Тольяттинского государственного университета, канд. физикоматематических наук, доцент С.Г. Прасолов. Сайриддинов С.Ш. Основы гидравлики: учебник для вузов / С.Ш. Сайриддинов. М.: Издательство АСВ, с. ISBN Освещены теоретические основы гидравлики и их практическое приложение, относящееся к вопросам равновесия жидкости и газа, движения несжимаемых (и сжимаемых жидкостей) в трубопроводах и резервуарах, истечения через отверстия и насадки. Подробно рассматриваются физические свойства жидкостей (сжимаемых и несжимаемых), понятие о газовых законах и их применении. Приводятся особенности гидравлического расчета коротких и длинных трубопроводов, водопроводных сетей, применяющихся для решения практических вопросов систем подачи и распределения воды. Рассмотрены основы теории подобия и вопросы моделирования гидравлических явлений. Каждая глава дополнена примерами решения задач, основное назначение которых помочь изучающему основы гидравлики (основы механики жидкости и газа), выработать навыки применения теории в решении конкретных задач и освоить методику проведения гидростатических, гидродинамических а также газодинамических расчетов. Книга предназначена для студентов строительного направления, а также студентов, изучающих дисциплину «Механика жидкости и газа», работников систем коммунальных, энергосбытовых служб и техносферной безопасности. Регистрационный номер рецензии 2787 от ISBN Издательский дом АСВ, 2014 Сайриддинов С.Ш., 2014

4 ПРЕДИСЛОВИЕ «Основы гидравлики» является одной из фундаментальных дисциплин учебного плана подготовки бакалавров по направлению «Строительство». Изучение ряда дисциплин профилей: «Водоснабжение и водоотведение»; «Теплогазоснабжение и вентиляция»; «Промышленное гражданское строительство» и «Городское строительство и хозяйство» базируется на знаниях гидравлических закономерностей и их практического приложения, относящихся к вопросам гидростатики сооружения систем водоснабжения и водоотведения, гидродинамики трубопроводов, резервуаров и других инженерных систем. Изучение дисциплины «Основы гидравлики» может быть обеспечено после освоения следующих дисциплин: математика; физика; химия; инженерная геодезия; инженерная геология; теоретическая механика; технология металлов; сопротивление материалов и т.п. Книга написана в соответствии с ФГОС-ом ВПО подготовки бакалавров по направлению «Строительство», базируясь на компетенции указанных профилей. В книге подробно рассматриваются физические свойства жидкостей, вопросы равновесия и движения жидкостей, гидравлических сопротивлений, движения воды в трубах, истечения из резервуаров. Приводятся основные принципы гидравлического расчета напорных и безнапорных трубопроводов, применяющегося для решения практических вопросов систем подачи, распределения и отвода воды; приводятся теории подобия гидродинамических явлений. Для удобства обучения и облегчения самостоятельной проработки основополагающий материал последовательно изложен с учетом требований соответствующих разделов учебных программ. Каждая глава дополнена примерами, основное назначение которых помочь изучающему выработать навыки применения теории в решении конкретных задач и освоить методику проведения гидростатических и гидродинамических расчётов. Издание настоящей работы вызвано безотлагательной необходимостью заполнения дефицита в обеспечении учебниками высших учебных заведений в соответствии с произошедшей структурной реорганизацией высших учебных заведений и повсеместным переходом к многоуровневой подготовке кадров по отдельным направлениям. В книге применена Международная система СИ. В некоторых главах использована также система МКГСС, положенная в основу технических нормативных документов (ГОСТ, СНиП и т.д.). Автор выражает глубокую признательность профессору, д.т.н. Боровкову В.С. (МГСУ, кафедра «Гидравлика»); к.т.н., доценту Кучеренко М.Н.; доценту, к.ф.-м.н. Прасолову С.Г. (Тольяттинский государственный университет) за замечания и полезные советы, сделанные при рецензировании данного учебника. 3

5 ВВЕДЕНИЕ Система водоснабжения это комплекс инженерных сооружений и устройств, обеспечивающих получение воды из природных источников, ее кондиционирование до требований потребителя, транспортирование и подачу воды потребителям в необходимых количествах, под требуемым напором и при соблюдении требований надежности. Водохозяйствен ные системы городов и промышленных предприятий оснащены совре менными комплексами самотечных и напорных трубопроводов и других специальных сооружений, реализующих отведение, очистку, обезврежи вание и использование воды и образующихся осадков. Такие комплексы называются водоотводящей системой. Теоретической базой для расчета и проектирования сетей и сооружений систем водоснабжения и водоотведения, и принятия более приемлемого технико-экономического решения является «Гидравлика», зародившаяся как экспериментальная наука и получившая теоретическое обоснование в работах Б. Паскаля, И. Ньютона, Л. Эйлера, Д. Бернулли, и оформившаяся затем в современную гидродинамику, благодаря работам О. Рейнольдса, Н.Е. Жуковского, Л. Прандля. Гидравлика одна из общих технических наук, изучающая законы равновесия и движения жидкостей, их взаимодействие с твердыми телами и разрабатывающая методы применения этих законов для решения конкретных практических задач. Законы движения жидкостей и газов также изучает механика жидкостей и газов или гидромеханика. Механику жидкостей и газов, также как и другие области механики, разделяют на статику, кинематику и динамику. Часть гидравлики (гидромеханики), изучающая условия равновесия жидкостей и газов, называется гидростатикой. Кинематика жидкостей и газов изучает их движение во времени, объясняя причины, вызывающие это движение. Предметом изучения гидродинамики является движение жидкостей. Жидкости и газы обладают двумя основными свойствами: сплошностью, или текучестью. Известно, что все тела состоят из движущихся и взаимодействующих между собой молекул. Легкая подвижность, или текучесть, позволяет ввести понятие вязкости как свойства жидкостей и газов оказывать сопротивление при их перемещении. Текучесть есть величина, обратная вязкости. По сравнению с жидкостями газы обладают довольно большой текучестью и, следовательно, малой вязкостью. Гидромеханика изучает законы движения так называемых ньютоновских жидкостей, для которых напряжения, вызываемые наличием вязкости, выражаются линей- 4

6 но через скорости деформаций. Для неньютоновских жидкостей эта зависимость значительно сложнее. Законы движения неньютоновских жидкостей изучает реология. В жидкостях и газах, изучаемых в гидродинамике, сухого трения нет, поэтому любая сколь угодно малая касательная сила вызывает смещение одного слоя относительно другого. Газы и особенно жидкости оказывают значительное сопротивление деформации всестороннего сжатия. В гидромеханике иногда пользуются моделью идеальной жидкости, для которой вязкость принимается равной нулю, а следовательно, ее текучесть бесконечно большой. Такой подход к изучению некоторых движений жидкости возможен, когда силами вязкости можно пренебречь по сравнению с другими действующими силами. В природе различают четыре агрегативных состояния вещества: твердое, жидкое, газообразное и плазменное. Все жидкости разделяют на два класса: капельные и газообразные. К первым относятся вода, нефть, бензин, керосин, спирт, масло и др., а ко вторым газы. Объек том изучения в гидравлике являются капельные жидкости. Основное отличие жидкостей текучесть, т.е. малое сцепление частиц, отсут ствие сил трения между частицами в состоянии покоя, поэтому жид кость принимает форму сосуда, резервуара, водоема. При изучении общих закономерностей гидравлики часто используют понятие идеаль ной жидкости несжимаемой среды, не обладающей внутренним тре нием между отдельными частицами. Идеальная жидкость, в отличие от реальной, считается совершенно несжимаемой и нерасширяющейся средой, обладающей абсолютной подвижностью частиц, в которой полностью отсутствуют силы внутреннего трения (вязкости). История и развитие гидравлики. В Греции еще за 250 лет до н.э. начали использовать трактаты, в которых уже выполнялись достаточно серьезные для того времени теоретические обобщения отдельных вопросов механики жидкости. Математик и механик того времени Архимед (ок гг. до н.э.) написал тракта «О плава ющих телах». Им же была разработана конструкция механизма для подъема воды, названная «архимедовым винтом». Эпоха Возрождения. Леонардо да Винчи ( ) италь — янский ученый. Вел научные исследования в самых различных областях, в частности, он изучал принцип работы гидравлического пресса, аэродинамику летательных аппаратов, образование водоворотных областей, отражение и интерференцию волн, истечение жид кости через отверстия и водосливы и другие гидравлические 5

7 вопро сы. Изобрел центробежный насос, парашют, анемометр. Различ ные работы Леонардо отражены в сохранившихся 7 тыс. страниц его рукописей, хранящихся в библиотеках Лондона, Парижа, Мила на и Турина. Однако его записи были опубликованы лишь 400 лет спустя, поэтому его труды по гидравлике оказались неиспользован ными. Справедливо будет признать, что Леонардо да Винчи явля ется основоположником механики жидкости. Симон Стевин ( ) нидерландский математик-инженер. Определил величину гидростатического давления на плоскую фигу ру и в 1585 г. опубликовал книгу «Начала гидростатики». Галилео Галилей ( ) итальянский физик, механик и астроном. Он показал, что гидравлические сопротивления возрастают с увеличением скорости и плотности жидкой среды. Разъяснил вопрос о вакууме. В 1612 г. опубликовал трактат «О телах, находящихся в воде, и о тех, которые в них движутся». Период XVII века и начало XVIII века. В это время механика жидкости все еще находилась в зачаточном состоянии. Вместе с тем здесь можно отмстить имена следующих ученых, способство вавших ее развитию. Кастелли ( ) итальянский математик. В ясной форме изложил принцип неразрывности. Эванджелиста Торричелли ( ) итальянский ученый, ученик Галилея. Занимался вопросами движения жидкости. В 1643 г. вывел формулу скорости истечения невязкой (идеальной) жидкости из отверстия и изобрел ртутный барометр. Блез Паскаль ( ) французский ученый. Установил, что значение гидростатического давления не зависит от ориентировки площадки действия. Обосновал вопрос о вакууме. В 1650 г. дал свой закон о передаче жидкостью внешнего давления, который явился основой для расчета гидравлических прессов, подъемников. Середина и конец XVIII века. Формируются теоретические основы современной механики жидкости. В XVIII веке в Петербург ской Академии наук рядом ученых (Бернулли, Эйлером, Ломоносо вым) были разработаны теоретические основы механики жидкости, позволившие выделить ее в самостоятельную науку. Даниил Бернулли ( ) выдающийся физик и матема — тик родился в Гронингене (Голландия). С 1725 по 1733 гг. жил в Петербурге, являлся профессором и членом Петербургской Академии наук. В Петербурге он написал свой знаменитый труд «Гидродинамика», который был впоследствии опубликован (1738) 6

8 в г. Страсбурге. В этих исследованиях он дал уравнение, носящее его имя и являющееся одним из основных уравнений гидравлики. Леонард Эйлер ( ) великий математик, механик и физик родился в г. Базеле (Швейцария). С 1727 г. жил в Петербурге. Был членом Петербургской Академии наук. В 1755 г. он составил извест ные дифференциальные уравнения движения и относительного равно весия жидкости, носящее его имя, и положил начало теоретической гид ромеханики, изучающей законы движения жидкостей методом мате матического анализа. М.В. Ломоносов ( ) знаменитый русский ученый. В 1760 г. написал и опубликовал диссертацию «Рассуждение о твердости и жидкости тела», в которой он изложил положенный в основу гидрав лики закон сохранения массы и энергии. Ж. Д. Аламбер ( ) французский ученый-математик и фи лософ, член Парижской и Петербургской Академии наук (с 1746 г.). Опуб ликовал ряд трактатов, относящихся к равновесию и движению жидко сти. Предполагают, что Д Аламбер первый отметил возможность кави тации жидкости. В указанный период существенный вклад в развитие механики внесли два выдающихся французских математика того времени: Ж. Лагранж ( ), который ввел понятие потенциала скоро сти и исследовал волны малой высоты. П. Лаплас ( ), создавший, в частности, особую теорию волн на поверхности жидкости. Середина и конец XVIII века. Зарождается техническое (прикладное) направление механики жидкости. Наряду с теоретическими работами по гидромеханике и гидравлике стал прививаться экспериментальный, т.е. опытный, способ изучения ряда ее законов, дав ший обоснование и развитие практической гидравлики. В середине и в конце XVIII века во Франции начала постепенно образовываться особая школа школа ученых инженеров, которые стали формиро вать механику как прикладную (механическую) науку. К концу XVIII века французская школа стала основной гидравлической школой в об ласти технических наук. В развитии практической гидравлики сыграли важную роль работы французских ученых XVIII XIX веков Шези, Базена, Дарси и др. А. Пито ( ) инженер гидротехник, член Парижской Ака демии наук, изобретатель «прибора Пито». А. Шези ( ) директор Французской школы мостов и дорог, сформулировавший параметры подобия потоков и обосновав ший формулу, носящую его имя. 7

9 Ж. Борда ( ) военный инженер, который занимался воп росами истечения жидкостей из отверстий и нашел потери напора при резком расширении потока. П. Дюбуа ( ) инженер-гидротехник и военный инженер, составивший обобщающий труд «Принципы гидравлики». Техническое направление механики жидкости развивалось и в дру гих странах. Здесь можно отметить итальянского профессора Д. Вентури ( ) и немецкого ученого, инженера Р. Вольтмана ( ). Развитие технической механики жидкости в XIX веке за рубежом. Зародившееся во Франции техническое направление ме ханики жидкости быстро начало развиваться как в самой Франции, так и в других странах. В этот период были разработаны или решены следующие проблемы: — основы теории плавноизменяющегося неравномерного движения жидкости в открытых руслах (Беланже, Кориолис, Сен-Венан, Буден, Бресс, Буссинеск); — вопрос о гидравлическом прыжке (Бидоне, Беланже, Бресс, Буссинеск); — экспериментальное определение параметров, входящих в формулу Шези (Баден, Маннинг, Гангилье, Куттер); — составление эмпирических и полуэмпирических формул для определения гидравлических сопротивлений в различных случаях (Кулон, Хаген, Сен-Венан, Пуазейль, Дарси, Вейсбах, Буссинеск); — открытие двух режимов движения жидкости (Хаген, Рейнольдс); — получение так называемых уравнений Навье Стокса, а также уравнений Рейнольдса на основе использования модели осредненного турбулентного потока (Сен-Венан, Рейнольдс, Буссинеск); — установление принципов гидродинамического подобия, а также критериев подобия (Коши, Риич, Фруд, Гельмгольц, Рейнольдc); — основы учения о движения грунтовых вод (Дарси, Дюпюи, Буссинеск); — теории волн (Герстнер, Сен-Венан, Риич, Фруд, Стокс, Гельмгольц, Базен, Буссинеск); — вопросы истечения жидкости через водосливы и отверстия (Беланже, Кирхгоф, Базен, Буссинеск, Барда, Вейсбах). В этот период изучались также взвесенесущие потоки (Форг, Дю пюи), неустановившееся движение (Сен-Венан, Буссинеск, Дюпюи). Зарождение, развитие технической механики жидкости в XIX в. в России. Прикладное, инженерное направление механи ки жидкости, зародившееся еще в работах М.В. Ломоносова, стало развиваться 8

10 в России в XIX в. в стенах Петербургского института инженеров путей сообщения. П.П. Мельников ( ) инженер путей сообщения, профессор прикладной механики, министр путей сообщения, почетный член Петербургской Академии наук. Он создал первый на русском языке курс «Основания практической гидравлики. », а также организовал в 1855 г. первую в России учебную гидравлическую лабораторию. Большой вклад внесли в развитие гидравлики следующие рус ские ученые и инженеры: Н.П. Петров ( ) русский физик, ученый-инженер, почетный член Петербургской Академии наук (инженер генерал-лейтенант). В 1883 г. в своем труде «Трение в машинах и влияние на него смазывающей жид кости» впервые сформулировал законы трения при наличии смазки. Н.Е. Жуковский ( ) великий русский ученый, профессор Московского высшего технического училища и Московского университета, создатель теории гидравлического удара, фильтрации грунтовых вод, движения взвешенных наносов в водных потоках, исследовавший также многие другие вопросы механики жидкости, которые получили мировую известность. Д.И. Менделеев ( ) знаменитый русский ученый. В 1880 г. в своем сочинении «О сопротивлении жидкостей и о воздухоплавании» указывал на существование в природе двух режимов движения жидко сти с различными ее сопротивлениями. Несколькими годами позже анг лийский ученый О. Рейнольдс провел опыты, наглядно подтвердившие гипотезу Менделеева о существовании ламинарного и турбулентного движения жидкостей. И.С. Громека ( ) профессор Казанского университета, разработавший теорию капиллярных явлений и заложивший основы теории так называемых винтовых потоков. Развитие гидравлики в XX веке. Ф. Форхгеймер ( ) немецкий профессор рассмотрел гидравлические сопротивления, вол ны перемещения, колебания горизонтов воды в уравнительных резерву арах ГЭС. Особенно важны исследования Форхгеймера в области воп росов фильтрации. М. Вебер ( ) немецкий профессор придал принципам гидродинамического подобия современные формы. Л. Прандтль ( ) немецкий профессор, инженер разра ботал (наряду с Тейлором и Карманом) полуэмпирическую теорию турбулентности; исследовал гидравлические сопротивления 9

11 в трубах. Работы Прандтля в области теории пограничного слоя явились осно вополагающими. М.А. Великанов ( ) советский ученый, членкоррес пондент АН СССР разработал теорию турбулентности, исследовал движение насосов и русловые деформации, предложил так называе мую гравитационную теорию движения взвешенных насосов. Б.А. Бахметев ( ) русский ученый, инженер путей сооб щения работал в Петербургском политехническом институте, заложил основы современной русской гидравлической школы, опубликовал ряд книг, в которых осветил различные разделы гидравлики. Бахметев ре шил в достаточно общей форме задачу об интегрировании дифференци ального уравнения неравномерного движения в призматических руслах. Блазиус (р г.) немецкий ученый впервые показал, что для гладких труб коэффициент сопротивления зависит только от одного параметра числа Рейнольдса. Н.Н. Павловский ( ) советский ученый, академик, инженер путей сообщения в 1922 г. опубликовал основы математической теории фильтрации воды в грунтах; предложил метод электромоделирования фильтрационных потоков (метод ЭГДА); издал первый в России «Гидравлический справочник» и монографию по основам гид равлики; решил ряд гидравлических задач, относящихся к инженерно-строительной гидравлике. Н.М. Вернадский ( ) советский ученый, инженер путей сообщения впервые связал определение тепловых потерь с полем скоростей в прудах-охладителях, предложил важную модель плано вого потока, нашедшую себе широкое применение. Большой вклад в формирование технической механики жидкости внесли отечественные ученые, особенно после Октябрьской рево люции, когда забота о развитии науки стала государственным делом Советской Республики. Таким образом, наука о механике жидкости зародилась еще в трудах Архимеда и к середине XIX века получила значительное развитие, причем в этот период времени произошло разделение механики жидко стей на два различных направления: математическую и техническую механику жидкости. Г. Рауз и С. Инце в своей известной книге «История гидравлики» отмечают, что математическая механика жидкости зароди лась еще в трудах Л.Эйлера (в середине XVIII в.). Что касается техниче- 10

12 ской механики жидкости (гидравлики), то это направление механики начало развиваться главным образом в работах фран цузских ученыхинженеров. Нужно подчеркнуть, что в начале XIX века техническая механика жидкости начала, в свою очередь, расчленяться на отдельные на правления. К таким направлениям можно отнести, например, инже нерно-строительную (гидротехническую) гидравлику, гидромашинную гидравлику, судостроительную гидравлику, нефтяную и газовую гид равлику и т.п. Разумеется, теоретические основы этих отдельных гидравлик в значительной мере общие. В начале XX века ведущая роль в области технической механики жидкости (гидравлики) перешла от старой французской гидравлической школы к немецкой школе, которую возглавил ряд немецких ученых. Од нако после Октябрьской революции в связи с бурным развитием в нашей стране гидротехнического строительства в СССР был создан целый ряд научно-исследовательских институтов, разрабатывающих различные гидромеханические проблемы; было организовано большое число вту зов инженерно-строительного, в частности гидротехнического, профиля. В послереволюционный период появилась обширная литература (журналы, труды институтов, монографии и т.п.), освещающая самые раз личные стороны технической гидромеханики; а в скором времени наша, отечественная гидравлика выдвинулась на одно из первых мест в мире. Следует отметить работы В.И. Чарномского, А.Я. Миловича, И.И. Агроскина, А.И. Богомолова, А.В. Караушева, Ш.Д. Чертоусо-ва, P.P. Чугаева, К.В. Гришанина, Г.В. Железнякова, В.А. Большако ва, В.В. Смыслова, А.Д. Альтшуля, Ю.М. Контантинова и других уче ных и специалистов, благодаря которым русской и советской инженер ной гидравлике принадлежит ведущее положение в мировой науке. Большой практический и теоретический интерес представляют ра боты в области теории неравномерного движения воды в открытых при зматических и естественных руслах, принадлежащие А.И. Рахманову, М.Д. Чертоусову P.P. Чугаеву И.И. Леви и др. Крупные исследования турбулентного режима движения жидкости, выполненные А.Н. Колмагоровым, М.А. Великановым, Г.А. Гуржиенко и др., являются также цен ным вкладом в дело развития современной гидравлики. Большой инте рес представляют работы С.А. Христиановича, который предложил об щий метод интегрирования уравнений неустановившегося движения. 11

13 От автора. Огромный вклад в развитие современной инженерной гидравлики внесли ученые кафедры гидравлики Московского инженер но-строительного института (ныне государственного строительного уни верситета) головного строительного вуза страны. Кафедра была осно вана в 1929 г. Ее первым заведующим кафедрой был профессор Кузне цов Владимир Николаевич. Деятельность кафедры в первые годы ее существования была связана с обеспечением серьезной гидравличес кой подготовки инженеров-строителей, выпускаемых МИСИ. Подготовка курсов гидравлики, ориентированных на различные строительные специальности, разработка системы учебных пособий, набора задач и кур совых работ, создание и развитие лабораторной базы, таковыми были первые заботы кафедры. В этот период и в последующие годы большой вклад в создание кафедры, формирование се педагогического и научно го коллектива внес профессор Петр Григорьевич Киселев. Киселев Петр Григорьевич ( гг.) профессор, автор уникальных справочников по гидравлическим расчетам и ряда известных учебников по гидравлике. Предложил метод расчета эжекторов водосливных сооружений и каналов. Разработал ряд основополагающих проблем гидравлики. Выдающийся педагог, подготовил многих талантливых инженеров и исследователей-гидравликов. Профессором П.Г. Киселевым рассмотрены классические вопросы гидравлики: о физической природе сопротивления тел сдвигу, об энергетической интерпретации уравнения Бернулли, о гидравли ке водослива с широким порогом и измерительных водосливах про извольной формы. П.Г. Киселевым значительно развита теория во доструйных эжекторов, изучены вопросы потерь энергии, возника ющих при слиянии потоков. С 1946 по 1961 гг. кафедру возглавлял профессор, д.т.н., генерал-майор Владимир Дмитриевич Журин. Журин Владимир Дмитриевич ( гг.) участник составления плана ГОЭЛРО, организатор и руководитель Волгостроя, главный инженер строительства канала Москва Волга. Председатель секции АН СССР. Автор методов гидравлического расчета каналов и предложений по новым конструкциям водосбросных сооружений и водобойных устройств. С 1948 г. при кафедре гидравлики была создана специальность «Гидромеханизация строительных работ» в связи с возведением крупнейших намывных сооружений на гидроэлектростанциях Волжско- 12

14 го каскада. В связи с этим на кафедру были приглашены профессор, д.т.н. Андрей Павлович Юфин, который возглавлял кафедру с 1961 по 1971 гг.; профессор, д.т.н. Леонид Степанович Животовский, профессор Федор Матвеевич Долгачев. Юфин Андрей Павлович ( гг.) основоположник методов расчета гидротранспортирования твердых материалов потоками воды. Инициатор строительства комплекса гидравлических лаборато рий. Автор монографий и учебников по гидротранспорту и оборудова нию гидромеханизации, создал школу гидравлики двухфазных течений. Научные разработки, выполненные коллективом исследователей под руководством А.П. Юфина, внедрены на стройках гидроэлектростанций Волжского каскада и гидрошахтах Донбасса. Научные разработки кафедры составили основу 10 монографий и учебников по гидротранспорту и гидромеханизации. С 1960 г. после объединения двух строительных вузов Москвы МИСИ и МИИГС тематика исследований кафедры расширилась. Под руководством и непосредственном участии профессора, д.т.н. Адольфа Давидовича Альтшуля стало активно развиваться научное направление, связанное с гидравлическим сопротивлением трубо-проводов и открытых каналов. Альтшуль Адольф Давидович ( гг.) основоположник научной школы гидравлических сопротивлений. Предложил формулы для определения коэффициентов, и Шези С. Автор известных моно графий, учебников и учебных пособий, активно внедрявший научные достижения в учебный процесс. Постоянно совершенствовал методи ку преподавания, подготовил ряд специалистов-гидравликов, которые стали известными российскими и зарубежными учеными. А.Д. Альтшулем предложена универсальная формула для расчета коэффициента гидравлического сопротивления, доказана универсальность степенного распределения скоростей в потоке. Дополнительное теоретическое обоснование универсальности степенного профиля скорости было дано сотрудником кафедры к.т.н. В.Н. Спиридоновым. Результаты теоретических и экспериментальных исследований, выполненных под руководством А.Д. Альтшуля, составили основу нормативного документа по гидравлическому расчету водоводов, в создании которого принимали участие инженер Э.Н. Полякова 13

15 и про фессор, д.т.н. В.В. Казеннов, работающий на кафедре с 1971 г., кото рым выполнены также исследования отводящих трактов гидротур бин и получены решения ряда газодинамических задач для различных начальных и граничных условий. С 1971 по 1975 гг. кафедрой заведовал профессор, д.т.н. Елисей Дмитриевич Мальцев. Мальцев Елисей Дмитриевич ( гг.) крупный специалист в области тепломассообмена. Руководитель разработок по оп реснению соленых вод с использованием жидких гидрофобных теп лоносителей и тепловой энергии атомных станций, крупный организа тор предприятий по добыче радиоактивного сырья для АЭС с ис пользованием гидравлических методов. Автор учебника по гидрав лике пожаротушения. Под руководством профессора, д.т.н. Е. Д. Мальцева получили развитие исследования по гидравлике и тепломассообменным процес сам при опреснении соленых вод с использованием гидрофобных теплоносителей и тепла атомных электростанций. С 1976 по 1997 гг. кафедру возглавлял профессор, д.т.н. А.В. Мишуев. С его приходом получило дальнейшее развитие направление, связанное с исследованием нестационарных водных потоков и гидродинамических явлений, это позволило обогатить гидрав лику нестационарных течений достижениями газовой динамики и упрочить многие положения последней фундаментальными гидравлическими экспериментальными данными. А.В. Мишуев известен как видный ученый в области волновой газогидродинамических и нестационарных движений жидкости в от крытых руслах. Им выполнены теоретические исследования форм свободной поверхности при частичном разрушении плотины, взаимодействии длинно прерывной волны с зауженным сечением в откры том канале и др.; решены задачи о газодинамике течений, возникаю щих при горении газовоздушных смесей, ускорении турбулентного горения и другие задачи, важные для обеспечения взрывобезопасности производств. Научные труды и разработки профессора А.В. Мишуева отличаются большой практической направленностью, имеют высокий уровень внедрения на промышленных предприятиях. Под его руководством создана уникальная установка газогидравлической аналогии, поставлен цикл лабораторных работ, создана лаборатория газодинамики горения и взрыва. С 1997 г. по 2007 г. кафедру возглавлял профессор, д.т.н. Валерий Степа нович Боровков. Им выполнен большой объем эксперимен- 14

16 тальных исследований турбулентности высокоскоростных открытых потоков. В статистическом анализе данных впервые была широко использо вана компьютерная технология, специально разработанная регистри рующая аппаратура, позволяющая установить масштабы и спектры турбулентности, установить закономерности развития турбулентного пограничного слоя в ускоряющихся потоках с переменной глубиной. Результаты исследований обобщены в монографии «Высокоскорост ные потоки», которая получила статус учебного пособия для студен тов гидротехнических специальностей. Нарастающая опасность кризисных экономических ситуаций в водном хозяйстве привела к созданию при кафедре научно-исследовательской гидроэкологической лаборатории, коллектив которой под руководством профессора, д.т.н. B.C. Боровкова выполнил большой комплекс экспедиционных исследований на реках Центрального ре гиона России: Верхней Волге, Оке, Суре, Клязьме и многих других. В комплексе изучалось экологическое состояние рек, качество воды, состояние речных русел, процессы дисперсии примесей в речных потоках, распределение скоростей и турбулентность, а также темпе ратурный и кислородный режимы, определяющие ход самоочистительных процессов. Новые направления научной деятельности кафед ры и полученные результаты активно внедряются в новые формы учебного процесса с использованием компьютерных технологий. На кафедре свыше 250 аспирантов защитили кандидатские диссертации и в том числе автор настоящего учебника к.т.н. С.Ш. Сайриддинов. Научные исследования С.Ш. Сайриддинова были выпол нены на установке газогидравлической аналогии кафедры под руко водством профессора, д.т.н. А.В. Мишуева. Проведенные исследова ния дали конкретные результаты по определению параметров длинных волн перемещения в каналах с разными формами сжатия. На кафедре защитили докторские диссертации А.П. Юфин, О.Ф. Васильев, А.К. Ананян, А.Д. Альтшуль, B.C. Боровков, В.К. Тарасов, В.В. Казенов, В.Ю. Ляпин. Избраны членами различных академий О.Ф. Васильев, А.В. Мишуев, B.C. Боровков и др. С 2007 г. по 2013 г. кафедру возглавлял д.т.н., профессор Зуйков Андрей Львович, а с 2013 г. заведует кафедрой гидравлики и водных ресурсов весьма перспективный ученый, профессор, канд. техн. наук Брянская Юлия Анатольевна. Автор желает огромных творческих успехов ученым кафедры гидравлики МГСУ в деле решения проблемы современной инже нерной гидравлики. 15

27 Содержание ПРЕДИСЛОВИЕ.3 ВВЕДЕНИЕ. 4 Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ СОСТОЯНИЯ ЖИДКОСТЕЙ И СВОЙСТВЕННЫЕ ПАРАМЕТРЫ И ГАЗОВ..16 ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ Основные понятия и определения Основные физические свойства жидкостей и газов. Газовые законы.. 17 Примеры расчетов..34 Глава 2. ОБЩИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАВНОВЕСНОГО СОСТОЯНИЯ ЖИДКОСТЕЙ. 38 (ГИДРОСТАТИКА) Силы, действующие в покоящейся жидкости Гидростатическое давление в точке Свойство гидростатического давления Дифференциальные уравнения равновесия жидкости (уравнения Эйлера) Поверхность уровня Равновесие несжимаемой жидкости в поле земного тяготения Закон Паскаля Равновесие несмешивающихся жидкостей Относительное равновесие Давление жидкости на плоские стенки. Сила давления жидкости на стенку Давление жидкости на криволинейные поверхности Эпюры давлений Закон Архимеда Равновесие газов. Основные уравнения и поверхность уровня 84 Примеры расчетов..89 Глава 3. ОСНОВЫ КИНЕМАТИКИ И ДИНАМИКИ ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ Основные понятия о движении жидкости Элементарная струйка и ее расход Основные уравнения кинематики и динамики невязкой жидкости Движение вязкой жидкости. Уравнение Навье-Стокса Уравнение Бернулли для реальной жидкости Уравнение Бернулли для элементарной струйки невязкой и потока сжимаемой невязкой и жидкости..156 вязкой сжимаемой жидкости Уравнение импульсов..160 Примеры расчетов 164 Глава 4. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ СОПРОТИВЛЕНИЙ Физические характеристики гидравлических сопротивлений Основное уравнение равномерного движения Основной закон вязкостного сопротивления

28 4.4. Режимы движения жидкости Гидравлически гладкие и шероховатые трубы Местные сопротивления и потери напора Примеры расчетов Глава 5. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ГИДРО-, ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ТРУБОПРОВОДОВ РАСЧЕТ ТРУБОПРОВОДОВ И ВОДОПРОВОДНЫХ СЕТЕЙ Расчет коротких трубопроводов Расчет длинных трубопроводов Гидравлический удар в трубах Газодинамические расчеты трубопроводов Примеры расчетов Глава 6. ИСТЕЧЕНИЯ ИСТЕЧЕНИЕ ЖИДКОСТИ НЕСЖИМАЕМЫХ ИЗ ОТВЕРСТИЙ И СЖИМАЕМЫХ ЖИДКОСТЕЙ И НАСАДКОВ ИЗ ОТВЕРСТИЙ И Истечение через малое отверстие в тонкой стенке Полное совершенное и неполное несовершенное сжатие Истечение через затопленные отверстия Истечение через большие отверстия в атмосферу Истечение через затопленное большое отверстие Истечение через насадки Уравнение баланса воды в резервуаре Истечение при переменном напоре Истечение сжимаемой жидкости (газа) из отверстий и через насадки Опорожнение газовых резервуаров при переменном давлении Примеры расчетов Глава 7. ОСНОВЫ ТЕОРИИ МОДЕЛИРОВАНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ Общие принципы подобия физических явлений Условия подобия гидродинамических явлений Теорема подобия и подобное преобразование дифференциальных уравнений Подобие преобразования уравнений Навье-Стокса. Основные критерии гидродинамического подобия Автомодельность Основные принципы метода анализа размерностей Примеры применения условия подобия при решении гидродинамических задач Приложение Приложение Приложение Приложение Приложение Приложение Литература

29 Учебник Сайриддин Шахобович Сайриддинов ОСНОВЫ ГИДРАВЛИКИ Редактор Н.А. Фомичева Компьютерный набор и верстка Л.В. Сызганцевой, Г.В. Карасевой Дизайн обложки Т.А. Негрозова Лицензия ЛР от Подписано к печати Формат 60х90/16. Бумага офсетная. Гарнитура Таймс. Усл. 24,5 п.л. Заказ Тираж 500 экз. ООО «Издательство АСВ» , Москва, Ярославское шоссе, 26, отдел реализации оф. 511 тел., факс: (499) ,