Гидравлика и гидроприводы. Часть 1. Гидравлика


   МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РФ


АГЕНСТВО МОРСКОГО И РЕЧНОГО ФЛОТА

   МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ
   АКАДЕМИЯ ВОДНОГО ТРАНСПОРТА








Б.П.Т нхоненков

      ГИДРАВЛИКА И ГИДРОПРИВОДЫ







        Библ •екаI мг _т


Издательство «Альтаир»
Москва-2005

       МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РФ

    АГЕНСТВО МОРСКОГО И РЕЧНОГО ФЛОТА

МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ВОДНОГО ТРАНСПОРТА










ТИХОНЕНКОВ Б. П.

       ГИДРАВЛИКА И ГИДРОПРИВОДЫ

Часть 1. ГИДРАВЛИКА


Иыакмьство «Альтаир»
Москва-2005

УДК 532.075.8

СОДЕРЖАНИЕ

Тихоненков Б.П. Гидравлика и гидроприводы. Учебное пособие.
М..: Изд-во «Альтаир». МГАВТ. 2005. 1 li-с., ил.54.


    Данное учебное пособие состоит из двух частей: «Гидравлика» и «Гидроприводы» общего курса по учебным дисциплинам «Гидравлика и гидроприводы», «Гидравлика, пневматика и гидроприводы».
    1-я часть «Гидравлика» содержит сведения по основам гидравлики: свойства жидкости, гидростатика, гидродинамика, гидравлические сопротивления, расчеты трубопроводов, истечение из отверстий и насадков. В основном изложены сведения, относящиеся к машиностроительной трубной гидравлике без изложения разделов по движению жидкости в каналах, реках и т.д.
    Во 2-oii части «Гидроприводы» изложены основные понятия, термины, определения, применяемые в гидроприводах. Описаны схемы, устройство, принцип действия гидроприводов и его элементов. Рассмотрены способы регулирования скорости силового органа. Даны расчеты гидропривода. Изложены сведения о насосах, применяемых в гидроприводах.
   Для студентов и инженерно-технических работников водного транспорта.

    Рецензент: кандидат технических наук, профессор Белоусов А.Р.

    Издается по решению Учебно-методического совета МГАВТ.

ПРЕДИСЛОВИЕ

'■ состоявдевопроох рлзвития ГИДРАВ;|ИКИ. СОВРЕМЕННОЕ
1.1. Исторический путь развития гидравлических наук и их приложений.
1.2. Современное состояние гидравлики. Проблемы, задачи.
2.  ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЖИДКОСТЕЙ. ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В ГИДРАВЛИКЕ.
2.1. Удельный вес. Плотность.
2.2. Сжимаемость жидкости. Температурное расширение жидкости.
2.3. Молекулярное давление. Капиллярное поднятие жидкости. Поверхностное натяжение.
2.4. Капиллярность.
2.5. Вязкость.

3.  ГИДРОСТАТИКА.
3.1.  Гидростатическое давление и его свойства.
3.2.  Дифференциальные уравнения равновесия жидкости (уравнения Л. Эйлера для гидростатики).
3.3.  Основное уравнение гидростатики. Понятие о давлении и вакууме.
3.4.  Давление жидкости на плоские поверхности (стенки).
3.5. Сила давления на криволинейные поверхности.
3.6.  Закон Архимеда. Основы теории плавания.
4.  КИНЕМАТИКА И ДИНАМИКА ЖИДКОСТИ.
4.1.  Задачи и методы исследования.
4.2.  Основные понятия.
4.3.  Дифференциальные уравнения движения идеальной жидкости (уравнения Эйлера).
4.4.  Уравнение неразрывности.
4.5.  Уравнение (интеграл) Бернулли.
4.6.  Интерпретация уравнения Бернулли для струек идеальной и реальной жидкости.
4.7.  Уравнение Бернулли для целого потока.
5.  ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ.
5  .1 Понятие о гидравлических сопротивлениях. Их виды. Основные форму
МГАВТ, 2005
Тихоненков Б.П., 2005

      лы.
5.1.1. Общие положения и принципы.
5 1 ° Виды гидравлических сопротивлений.
5* 1'1 Формулы для определения потерь напора по длине и на местные сопротивления.
5.2. Уравнение баланса секундного количества движения.

.3. Режимы движения жидкости. Число Рейнольдса.
5  4 Вывод основного уравнения равномерного движения жидкости.
6  ЛАМИНАРНЫЙ И ТУРБУЛЕНТНЫЙ РЕЖИМЫ. ФОРМУЛЫ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ГИДРАВЛИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ
6.1. Ламинарный режим.
6.1.1 Распределение касательных напряжений и давлений.
6.1.2. Распределение скоростей, средней скорости, расхода по сечению круглой трубы.
6.1.3. Потери напора (энергии) при ламинарном режиме. Коэффициент гидравлического сопротивления.
6.2. Турбулентный режим.
6.2.1. Механизм и теории турбулентности.
6.2.2. Касательные напряжения, шероховатость стенок, распределение скоростей при турбулентном режиме.
6.2.3. Пограничный слой. Гидравлически гладкие и шероховатые поверхности.
6.2.4. Опыты по определению коэффициента гидравлического сопротивления X. Графики Никурадзе. Формулы X, С (Шези).

7.  МЕСТНЫЕ ПОТЕРИ НАПОРА (ЭНЕРГИИ).
7.1. Общие сведения.
7.2. Потери напора при изменении сечения потока.
7.3. Потери напора при изменении направления потока (поворот, колено).
7.4. Другие виды местных сопротивлений.                 - •

8.  ДВИЗКЕНИЕ ЖИДКОСТИ В НАПОРНЫХ ТРУБОПРОВОДАХ.
8.1. Ос новные расчетные формулы.
8.2. Классификация трубопроводов. Основные задачи гидравлического рас-чета трубопроводов.
9.  Истечение жидкости через отверстия и насадки.


10 ЛИТЕРАТУРА.

ПРЕДИСЛОВИЕ




  На заре туманной юности человечество жило в прекрасном неведении, что кроме воды есть и другие жидкости, т.е. считалось, что все жидкости заключены, собственно, в воде. Постепенно отсюда, из любви к воде, из сознания того, что она везде и повсюду, вездесуща и касается всех сторон жизни, грозна и могуча и, вообще, как поётся в популярной песенке 30-х годов, «и выходит без воды: и не туды и не сюды»... появились любопытство и потребность в изучении воды, её течения или состояния покоя, а, значит, и потребность в появлении особой науки - механики жидкости, гидромеханики, гидравлики.
  Известный ученый гидравлик и нефтяник Б.И.Есьман в книге «У истока гидравлики. Занимательная гидравлика» пишет: «Давным-давно я задавал себе вопрос: почему есть заним’ательные механика и физика, математика и геометрия, зоология и ботаника, минералогия и ещё много других «занимательных» наук, а занимательной гидравлики нет?! Чем гидравлика хуже других наук?». Мы тоже считаем, что ничем не хуже и достаточно интересна, занимательна, поучительна и даже забавна...
  Согласно общепринятой версии термин гидравлика происходит от сочетания двух греческих слов: hydor - вода и aulos - трубка, желоб, канал.
Так что исторически ГИДРАВЛИКА занималась водой (изучением законов движения и равновесия воды). Но так только исторически, так как круг вопросов современной гидравлики значительно шире, а наряду с водой применяются и изучаются самые разнообразные жидкости. Стоит только напомнить о нефти и нефтепродуктах (бензин, керосин, дизтопливо, мазут, сжиженные газы и др.), о пульпах и сточных жидкостях, молоке, соках, вине, меде, etc.
  Издание «Гидравлические термины» дает следующее достаточно развернутое определение предмета гидравлика. «Механика жидкости или гидромеханика -наука, в которой изучаются равновесие и движение жидкости, а также механическое взаимодействие между жидкостью и твердыми телами (или стенками), омываемыми (смачиваемыми) ею». Курсы инженерных гидравлик для технических вузов дают примерно одинаковые простые определения. Ботук Б.О «Гидравлика». «Гидравлика - прикладная наука, изучающая законы движения и покоя жидкости и разрабатывающая способы применения этих законов к решению инженерных задач».
Теплое А.В. Основы гидравлики. «Гидравликой называется наука, изучающая законы равновесия и движения жидкостей».
  В тех случаях, когда хотят передать отношение непосредственно к гидравлике, то первую’часть сложного слова начинают с латинского элемента «гидро», например. гидростанция, гидротурбина, гидротехника, гидромеханика.
  Да уж, от обилия таких слов, названий, понятий просто диву даешься, полистав, допустим. «Политехнический словарь» на букву «Г» и на коренное слово «гид-

равлика»: «гидравлика сооружений - см. инженерная гидравлика, гидравлическая передача, гидравлический двигатель, гидравлический затвор, гидравлический инструмент, гидравлический подъемник, гидравлический пресс...таран, тормоз, транспорт, удар, гидрант, гидродинамическая передача, гидрология, гидромеханизация, гидромуфта, гидропередача, гидропривод, гидросамолет, гидростатика.

гидродинамика...
  Общенаучные и общетехнические дисциплины, к которым традиционно относят и гидравлические курсы, формируют основы наших знаний. Курс гидраЕшики является промежуточным между общетехническими и специальными курсами и применяется в, во всеразных сферах и отраслях хозяйства, специальностях. Он является сзоеобразным ответом на все возрастающую роль и значение различных жидкостей в нашей жизни, деятельности, практике, во всевозможных отраслях и сферах. Вообще, назрела необходимость создать такую сквозную, обобщенную дисциплину, которая включала бы в себя как теорию, так и практику применения жидкостей. Соответственно, в гидравлических курсах используются знания из следующих наук и дисциплин. Теория: математика, физика, механика, физическая химия, теплотехника и др. Конечно, все разновидности механики жидкости и газа,

или гидродинамики и газовой динамики. Практические курсы, базирующиеся на теоретической основе гидравлических дисциплин: гидравлические машины (насосы, гидравлические турбины, компрессоры и т.д.), насосные и компрессорные станции и установки, курсы водоснабжения и водоотведения, трубопроводный транспорт, гидротехника, гидрология, гидрооборудование, гидропривод, пневматика, гидропневмоавтоматика и др.
   В то же время гидравлика и газовая динамика сами относятся к Числу фундаментальных технических наук, основополагающие принципы и методы которых используются при решении многообразных практических задач в любой сфере жизнедеятельности и производства. Известно, что более 50% учебных планов втузов имеют самостоятельные курсы гидравлики или комплексные, в которых гидравлика ЯЕляется главенствующей теорией. Механика жидкости и газа является основой технического прогресса многих отраслей техники: гидротехнических и теплоэнергетических, машиностроительной, судостроительной, авиационной промышленности, транспортной (водной, авто, железнодорожной и др.) и гидромелиоративных отраслей, метеорологии, нефтяной, нефтехимической промыш-TnvK^C™ И Т Д’ ГидРавлика и её сопутствующие курсы широко применяются в стон          И ка“алопРов°Дном транспорте при перекачке воды, пульпы,
  Шиное-ГПА#^⁰?™’ НеФти’ неФтепР°Дуктов, сжиженных газов и газов; в гидрома-гидпопневм^¹ ^гидРавлические машины: турбины, насосы), гидропневмоприводе, ХИМИЧеСК⁰Й " неФт“"МИЧе-нокХи uZXZoucS'жадХи" “ “ П'РВУЮ O'":PeД,■ |ид₽омеханика НЬЮ™‘ ве общена/чной и спе,“ настоящее время должна лежать в осно-Механика жидкости (гидм Н° подгоговки инженеров самого разного профиля екая механикТХ^^ХМЛГИКа⁾’ “ МеХаНИКа ¹ВеРдого тела (^еоретиче-и научной вооруженности современного инженера.

Поэтому обучающемуся по всем техническим специальностям, приступая к изучению профилирующих дисциплин, необходимо иметь хорошую подготовку в этой области, а также владеть гидромеханическим, физико-химическим, реологическим, термодинамическим аппаратом. Пока же в курсах гидромеханики ограничиваются чтением гидравлики ньютоновских жидкостей. Последнее проистекает от того, что как обучаемые, так и обучающие слабо владеют или недооценивают именно физико-химический, реологический, тепломассообменный, термодинамический подходы.
Настоящее учебное пособие написано для студентов гидротехников направления подготовки 653300 «Эксплуатация транспорта и транспортного оборудования», специальности 150900 «Эксплуатация перегрузочного оборудования портов и транспортных терминалов», а также для специальности 2101 «Автоматизация технологических процессов и производств» и может быть использовано для обучающихся впервые по дисциплине «Гидравлика».
   В пособии изложены основы гидравлики, гидропривода и пневматики, необходимые для получения студентами знаний в этих областях для производственной, проектно-конструкторской и исследовательской деятельности, а также для формирования основ знаний по направлению автоматизации технологических процессов и производств. Эти гидравлические знания помогут в дальнейшем изучению специальных дисциплин.

I. ВВЕДЕНИЕ. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ГИДРАВЛИКИ. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА





    1.1. ИСТОРИЧЕСКИЙ ПУТЬ РАЗВИТИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ НАУК И ИХ ПРИЛОЖЕНИЙ





    Надо лт напоминать, что жизнь как таковая пришла к нам с водой, с мировым океаном, а затем через моря, озера, реки, ручьи. С древнейших времен наличие источников воды было непременным условием первобытных поселений человека. По мере развития человечества расширялась и сфера использования воды. Пассивные формы использования водных потоков сменялись активными деяниями пробуждавшегося человека: строительством оросительных, осушительных, транспортных, коммунальных (водоснабжение и водоотведение) и других систем; мостов, плотин, водяных мельниц, прудов, каналов, водопроводов и других гидротехнических сооружений. С первых периодов жизнедеятельности человека он был связан с водой: реками, морями, озерами. Воистину, вода - колыбель цивилизации!
   Зарождение отдельных представлений о жидкостях, об их примейении, об операциях с ними следует также отнести к глубокой древности. Это было связано с гидротехническими и ирригационными работами, в первую очередь, на территории древних государств: Египта, Вавилона, Месопотамии, Индии, Китая и других.
   Период Древней Греции считается началом теоретических работ по механике жидкости. В Греции еще за 250 лет до н.э. появились трактаты, в которых предпринимались попытки дать некоторое обобщение и развитие механики жидкости. Архимед (ок 287-212гг до н.э.) изучал гидростатику, теорию плавания тел. Ктези-бий ( 2 - 1 век до н.э.) изобрел пожарный насос, водяные часы и другие гидравлические устройства. Герону Александрийскому (вероятно, 1 век до н.э.) принадлежит описание сифона, водяного органа, автомата для отпуска жидкости.
    Период Древнего Рима. Здесь строили сложные гидротехнические сооружения: акведуки, мосты, системы водоснабжения и канализации и т.д. Помните у Маяковского: «...как в наши дни вошел водопровод, сработанный ещё рабами Рима...». Римский инженер-строитель Фронтин (40-103гг н.э.) указывает, что в Риме имеется 9 водопроводов и общая длина водопроводных линий 436 км. В этот период в теории уже обращалось внимание на связь между площадью живого сечения и уклоном дна русла, на сопротивление движению воды в трубах, на неразрывность движения жидкости, что составляет основу будущей науки о жидкостях.
     Древнему Риму принадлежит пальма первенства по благоустройству городов, особенно столицы Рима. Именно тогда появились понятия и сооружения по сис

   темам водоснабжения и водоотведения. Благоустройство определяло степень цивилизации. А о значении коммунального хозяйство говорило хотя бы то. что его глава носил титул фельдмаршала и занимал в иерархии власти третье место после императора, консула. Можете себе представить главу нашего разваленного коммунального хозяйства третьим после Путина и Касьянова?!..
  Период Средневековья. Этот период, длившийся после падения Римской империи около тысячи лет, принято считать регрессивным. Но надо отметить, что и в периоды войн, разрухи, эпидемий и других напастей ученые, монахи, затворники, схимники, удалившиеся от мирских дел, творили научное и изобретательское добро. Вспомним хотя бы алхимиков - этих фанатиков химических превращений. Как много они попутно узнали, открыли, записали! А всевозможные отшельники, старцы, чародеи, маги, волшебники, волхвы, колдуны?! Ведь это были, по существу, держатели народной мудрости и знаний. И не их вина, что не только их записи и рукописи сгорели «в гиене огненной», но погибли и сами носители, творцы, держатели драгоценных знаний и секретов. Рукописи не горят.... Увы, иначе нам не пришлось бы вычеркивать целое тысячелетие из истории прогресса и нау

ки...
  Эпоха Возрождения. Леонардо да Винчи (1452-1519гг) вел свои научные исследования в самых различных областях, в том числе и механики. Принцип работы гидравлического пресса, аэродинамика летательных аппаратов, теория водоворотных областей, отражение и интерференция волн, истечение через отверстия и водосливы. Он же изобрел центробежный насос, парашют, анемометр. Поэтому этого титана мысли по справедливости можно было бы назвать основоположником гидравлической науки.
  Великий итальянский физик, механик и астроном Галилео Галилей (1564-1642) показал, что гидравлические сопротивления возрастают с увеличением скорости и плотности жидкости, разъяснил вопрос о вакууме.
Период ХУП век и начало ХУШ века.
Кастелли (1577-1644) - преподаватель математики в Пизе и Риме - в ясной форме изложил принцип неразрывности. Торичетли (1608-1647) - математик и физик -осветивший принцип истечения жидкости из отверстия и изобретший ртутный барометр. Паскаль (1623-1662) - французский математик и физик - установивший, что значение гидростатического давления не зависит от ориентировки площадки действия; окончательно решил и обосновал вопрос и вакууме. Ньютон (1643-1727) - гениальный английский физик, механик, математик, астроном - дат приближенное описание законов внутреннего трения жидкости (вязкости) н ряд других гидравлических вопросов.
Середина и конец ХУШ века.
В это время формируются теоретические основы современной гидромеханики (теоретической ее ветви). Эти основы были таложены. в основном, трудами трех ученых: Даниила Бернулли, Эйлера. ДАламбера.
  ■1 Бс-онулти (1700-1782). Родилса а Голландии. С 172Дг но 1738г жил в Нетер-бурте, аалалса профессором и почетным членом Петербургской Академии Наук. Здесь им написан мтамеинтый труд «Гидродинамика.. (1738г). где освещены рад

основополг гающих гидравлических вопросов и дана теоретическая основа известного уравнения Бернулли.
Л.Эйлер (1707-1783). Родился в Базеле (Швейцария). Жил в Петербурге с 1727 по 1741г и с 1766г до конца жизни, действительный член Петербургской АН. Подытожил и обобщил в безупречной математической форме работы предшествующих авторов, составил известные дифференциальные уравнения движения и относительного равновесия жидкости, носящие его имя, опубликовал другие гидравлические работы.
  Ж.Д’Аламбер (1717-1783). Член Парижской, французской, Петербургской академий наук. Написал ряд трактатов по равновесию и движению жидкости, указал на явление кавитации жидкости.
  Французские математики: Лагранж (1736-1813) ввел понятие потенциала скорости, Лаш ас (1749-1827) создал особую теорию волн на поверхности жидкости и теорию капиллярности.
  В то же тремя наряду с вышеперечисленными представителями теоретического математического направления в механике жидкости образовалась особая школа -школа ученых-инженеров, которые формировали гидромеханику как техническую инженерную прикладную науку ГИДРАВЛИКУ. Они рассматривали гидравлик)', как отрасль техники, а не математики, о чем не мешало бы помнить и нынче.... К концу ХУШ века эта французская школа стала основной гидравлической школой в области технических наук.
  Представители этой школы. Пито (1695-1771) - инженер-гидротехник, член Парижской АН, изобретатель «прибора Пито», «трубки Пито». Шези (1718-1798) - директор французской школы мостов и дорог, сформировавший метод моделирования потоков и обосновавший формулу Шези. Борда (1733-1799) - военный инженер, занимающийся истечением жидкости из отверстий и определивший потери напора при резком расширении потока. Дюбуа (1734-1809) - инженер-гидротехних, составивший обобщающий труд «Принципы гидравлики».
  Свой вклад в практическую гидравлику внесли итальянский профессор Вентури (1746-1822), немецкий ученый-инженер Вольтман (1757-1837) и др.
  Российский вклад.
Начало практического развития гидравлики в России относится ко времени Петра 1 и связано со строительством гидротехнических сооружений, российского флота, судоходных каналов и систем. Тогда, например, были построены Вышневолоцкая и Березинская водные системы. Стали производиться систематические наблюдения за режимом рек и озер. Решению многих практических задач гидравлики посвятил свои работы М.В.Ломоносов (1711-1765), кстати давший миру гениальное научное предвидение в виде закона сохранения материи и энергии.
    XIX век-Золотой век науки и искусства.
    За рубежом. В связи с бурным развитием промышленности процветает техническое гидравлическое направление механики жидкости. Основы теории плавно изменяющегося неравномерного движения воды в открытых руслах - Беланже.
    ориолис, Сен-Бенан, Дюпюи, Буден, Буссинеск. Гидравлический прыжок - Бидон, ланже, Бресс, Буссинеск. Составление эмпирических и полуэм лирических

формул для определения гидравлических сопротивлений - Кулон, Хаген, Сен-Венан, Пуазейль, Дарси, Вейсбах, Буссинеск. Открытие двух режимов движения жидкости - Хаген, Рейнольдс. Вывод фундаментальных уравнений Навье - Стокса. Основы учения о движении грунтовых вод - Дарси, Дюпюи, Буссинеск. Истечение через водосливы и отверстия - Беланже, Кирхгоф, Базен, Буссинеск, Борда, Вейсбах.
  В России. Прикладное, инженерное направление механики и гидравлики в 19-ом веке продолжало развиваться в Петербургском институте инженеров путей сообщения. Здесь работали проф. Мельников П.П. (1804-1880), его преемники проф. Глухов В.С., Соколов Н.М., Котляревский П.Н., Максименко Ф.Е., Мерчинг Г.К. Большой вклад в гидравлику внесли: Петров Н.П. (1836-1920), впервые сформулировавший законы трения в машинах при наличии смазки; Жуковский Н.Е. (1847-1921) - великий русский ученый, профессор Московского университета, член-корр. Петербургской АН, создавший теорию гидравлического удара; Громека И.С. (1851-1889) - проф. Казанского университета, разработавший теории капиллярных явлений, винтовых потоков.
  XX век.
  С начала века в гидравлике наметилось много разных направлений. Они классифицировались по разным признакам.
   1.  По виду текучей среды: вода, воздух, нефть, сточные жидкости, двухфазные жидкости, неньютоновские жидкости (с 30-х годов) и др. Позднее - магнитные жидкости, многофазные и многокомпонентные потоки, коллоидные растворы, полимерные растворы и расплавы полимеров, сжиженные газы, расплавленные металлы, плазма и т.д.
   2.  В зависимости от отрасли техники, промышленности или отрасли знаний: аэронавтика и космонавтика, судостроение, гидромашиностроение; строительное дело, в т.ч. гидротехника и гидрология, водоснабжение и водоотведение, теплогазоснабжение и вентиляция, автодороги и т.д.; гидропривод и гидропневмоавтоматика; нефтяная и газовая промышленность (нефтегазопроводы и др. трубопроводы); химическая и нефтехимическая технологии, пищевая промышленность и т.д. Легче назвать отрасли, сферы, объекты, где гидравлика не присутствует. В человеческом теле целая сеть трубопроводов и капилляров в виде артерий и вен и т.д., пишевые и др. тракты. Да что там: само сердце - гидравлическая .машина-насос диафрагменного типа!...
  3.  Иногда различают отдельные гидромеханические теории, подходы. Теория турбулентности, теория смазки и ламинарное течение, подземная гидравлика и течение жидкостей (вода, нефть, газ) в пористых средах и т.д.
  В этот период блестели имена ученых.
Форхгеймер (1852-1933) - немецкий профессор. Изучал гидравлические сопротивления, волны перемещения, колебания горизонтов воды в уравнительных резервуарах ГЭС, фильтрацию.
  Прандтль (1875-1953) - немецкий профессор и инженер - разраоотал (наряду с Тейлором и Карманом) полуэмпирическую теорию турбулентности, исследовал гидравлические сопротивления в трубах, дал теорию пограничного слоя.

  Великанов М.А. (1879-1904) - советский ученый. Разрабатывал теорию турбулентности, исследовал движение наносов и русловые деформации.
  Бахметев Б.А. (1880-1951)-русский ученый, инженер путей сообщения. Решил в общей форме задачу об интегрировании дифференциального уравнения неравномерного движения в призматических руслах.
  Блазиус (р. 1883) - немецкий ученый, показал, что для «гладких труб» коэффициент сопротивления зависит только от одного параметра - числа Рейнольдса.
  Павловский Н.Н. (1886-1937) - советский ученый, академик, инженер - опубликовал основы математической теории фильтрации, предложил метод электро-моделирования фильтрационных потоков, издал справочники и монографии по гидравлике.
   В строительной гидравлике признание получили работы Вернадского Н.М., Великанова А.М., Павловского Н.Н., Чугаева Р.Р., Богомолова, Юфина А.П., Альтшуля А.Д., Шевелева и др.
   В нефтяной гидравлике фундаментальное значение имеют исследования Шухова В.Г. по гидравлическому и тепловому расчету магистральных нефтепроводов, академика Лейбензона Л.С., положившего начало подземной гидравлике. Много сделал для развития подземной гидравлики проф. Парный И.А., для промысловой трубопроводной гидравлики проф. Есьман И.Г., Яблонский В.С., Шищенко Р.И., для нефтепроводной гидравлики - проф. Яблонский В.С., Черникин В.И., Бобровский С.А. и др.


         1.2. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ГИДРАВЛИКИ. ПРОБЛЕМЫ, ЗАДАЧИ

    ЮНЕСКО, Международная ассоциация по гидравлическим исследованиям (МАГИ) и др. уделяют большое внимание гидравлическим наукам. Существуют высшие международные курсы по гидравлике, школы по гидравлике и её приложениям, проводятся семинары, съезды, симпозиумы, выставки и т.д. по гидравлическим наукам и их приложениям.
    Ныне идет расширенное развитие математического моделирования задач гидравлики, интенсивное применение вычислительной техники, применение компьютерных наук для решения гидравлических задач.
    О специфике системы преподавания в развитых зарубежных странах. Там курс излагается как один из общих разделов механики наряду с теоретической механикой и сопротивлением материалов, как общеинженерная дисциплина для всех специальное гей. В курсе «Механика жидкости» рассматриваются жидкости в целом (капельные и газообразные) без какой-либо конкретизации. При этом широко используется векторный анализ, тензорное исчисление, матричная алгебра, более углубленно излагаются вопросы турбулентности. Широко известная книга Г.Рауза «Механика жидкости», используется как типовая.


  Далее «I идранлнка» как курс излагается уже применительно к конкретной специализации. когда максимум внимания уделяется физической сущности явлений и решению конкретных задач практики.
  Что касается обучения гидравлики в наших вузах, то здесь наблюдается явный застой в изложении материала, и отдельные вкрапления, даже параграфы и главы, пытающиеся подновить материал добавлением новых фактов, сведений, открытий в области гидравлики, таких как аномальные жидкости, неньютоновские жидкости, двух и более фазные потоки и т.п., не дают исчерпывающего ответа. Настало время совершенно перестроить курс гидравлики и переориентировать последнюю с классической ньютоновской гидравлики на альтернативные гидравлики, такие как неньютоновская, двух и много фазных и многокомпонентных систем, физико-химическая гидромеханика, магнитная гидродинамика, реология и другие.
  Новейшие технологии, рыночные отношения требуют подготовки новых кадров инженеров, вооруженных новейшими исследованиями, науками, курсами, дисциплинами и направлениями. Необходимо, чтобы новейшие достижения и открытия науки сразу же становились доступными практике и включались в учебную литературу. Никаких кастовых и цеховых секретов перед обучаемыми! Нынешние же учебники гидравлики (как, впрочем, и учебные программы) невыносимо консервативны. Это видно хотя бы по отношению к гидравлике неньютоновских жидкостей, которой в учебниках уделяется по полстраницы текста.
  Достижения гидравлики лежат в основе важнейших направлений технического прогресса в самых разных технологиях, отраслях, сферах развития. Поэтому уровень учебной литературы по данной дисциплине необходимо неустанно повышать, пополняя её новыми разделами и новыми подходами, включая и дискуссионные, гипотезные, что несомненно стимулирует обучение, повышает его исследовательский потенциал.
  Наше общество, государство, наша демократия должны быть восприимчивы к научно-техническому прогрессу, новым для нас рыночным отношениям и готовы к социальным при том потрясениям. Иначе мы просто погибнем, вымрем, как динозавры, рухнем, как рабовладельческий Рим!..

2.  ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЖИДКОСТЕЙ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В ГИДРАВЛИКЕ


  Свойства жидкостей подробно изучаются в различных науках, физике, химии, физической химии, коллоидной химии и др. спецкурсах химии, в физико-химической гидродинамике, термодинамике, реологии и т.д. Однако проигнорировать этот раздел в гидравлике мы не имеем права. В конце концов, жидкость основной ссбъект и объект гилравликопользоваиия. Поэтому остановимся хот» бы на основных физических свойства.» жидкостей, которые используются или учитываются в классической гидравлике ньютоновских жидкостей
Предварительно напомним основные размерности в Между народной системе


единиц (СИ. SI).


Таблица 2.1

Величина    Обозначение     Единица         Сокращение
Да и на     L               Метр            м, пт     
Масса       М               Килограмм       кг, kg    
Время       Т               секунда         С, S      
Температура t               градус Кельвина К         
Сила____    F______________ Ньютон__        Н= кг.м\с2

Y = Pg

(2.3).

2.1. УДЕЛЬНЫЙ ВЕС. ПЛОТНОСТЬ

где g - ускорение силы тяжести, м\с².

  Численные значения у, р для различных жидкостей в зависимости от давления и температуры приводятся в справочниках по гидравлическим расчетам, справочникам по физике и химии.
  Для нормальных условий (температура + 4°С, давление 10⁵Па) плотность воды - 1000 кг\м³, а удельный вес воды 9810 Н\.м³.


   Как известно из физики, между твердыми и жидкими телами существует общность по атомно-молекулярному взаимодействию, которое определяется одновременным влиянием двух противоположных сил - притяжения и отталкивания. Колебание частиц около фиксированных центров, например, в кристаллической решетке, обеспечивает упорядочность расположения атомов не только внутри кристалла, но и относительно значительной части твердого тела. Такая особенность строения определяет характерную особенность твердого тела сохранять свой объем и форму в широком диапазоне изменения внешних условий (давление, температура) и соответственно сохранять постоянство отношения массы и силы тяжести к объему, т.е. плотности и удельного веса.
   Существуют исследования и теории, которые показывают, что молекулы в жидкости располагаются на примерно таком же расстоянии 1₀, что и в твердых телах. Косвенным подтверждением этого является сохранение того же значения плотности многих твердых веществ при переходе в расплавленное жидкое состояние. Отсюда вытекает близость некоторых физических свойств твердого тела и жидкости.
   В принципе жидкость занимает промежуточное значение между твердым телом и газом.
   В отличие от отмеченных выше особенностей твердых и жидких тел газы стремятся заполнить весь предоставленный им объем. Поэтому удельный вес и плотность газов имеют различное значение при изменении давления и температуры.
   Итак, УДЕЛЬНЫЙ ВЕС - вес единицы объема жидкости, т.е. отношение веса G к объему V:

Y = G/V,h\m³                               (2.1)

ПЛОТНОСТЬ - отношение массы «М» к объему «V»:

р = MW , кг\м’                             (2.2)

2.2. СЖИМАЕМОСТЬ ЖИДКОСТИ. ТЕМПЕРАТУРНОЕ РАСШИРЕНИЕ ЖИДКОСТИ



СЖИМАЕМОСТЬ.
Жидкость, как и многие твердые тела, подчиняется закону Гука, известному из курса физики. Этот закон связывает отндсительное изменение объема жидкости с интенсивностью равномерного всестороннего сжатия данного объема. При этом пользуются понятием модуля объемной упругости «Е» или его обратной величиной - коэффициентом объемного сжатия жидкости Д.
  Итак, сжимаемость жидкости - изменение объема жидкости под воздействием давления - характеризуется коэффициентом объемного сжатия .

               Истинный Pc = - 1W • dV.'dP                   (2.4)

               Средний Pq> = -l\V,.(V₂-Vₗy(P₂-P,)ₜ           (2/5).


Или истинный коэффициент объемного сжатия можно записать через «р» в виде: - dV / V = dp/p и тогда Д-= - hp dp/dP                             (2.6).
Знак минус в формулах означает, что положительному приращению (т.е. увеличению давления «Р» соответсгвчет отрицательное приращение (уменьшение) объема «V».
  Модуль объемной упругости и коэффициент сжимаемости непостоянны и из-меняются в тависнмости от давления и температуры. Дм воды при давлениях до 50 МПа и температуры 0-20°С Е =2.10’ - 2.15 . 10 Па, что примерно в сто раз меньше чем у стали, и практически такой же. как > кирпичнои кладки. I редисе значение ₽ , некоторых жидкостей при давлениях до 50 Мпв приведены в таблице

   Сравнивая (2.1) и (2.2), можем написать

Таблица 2.2.

Жидкость 0„10'“, Па'1
Вода     4,75        
Нефть    7,40        
Эфир         11,0    
Бензин   9,20        
Глицерин     2,5     
Ртуть    0,30        

                                Жидкость состоит из молекул, которые при определенных условиях с некоторой силой притягиваются друг к другу. Если представить молекулы в виде ряда шариков (рис 2.1). притягивающихся друг к другу с силой F, то ясно, что все они. за исключением крайних (А и В), находятся в безразличном состоянии. Две силы I . приложенных к каждому внутреннему шарику (со стороны соседних), взаимно уравновешиваются. На каждый же из крайних шариков А и В будет действовать только одна внешняя сила F , так что весь «столбик», образованный взаимно притягивающимися шариками должен быть сжат силой F.

Исследования [24 - 26] показывают, что 0ср сжиженных углеводородных газов представляют значительную величину по сравнению с водой. Так 0ср сжиженного пропана при Р = 2 . 10⁶ Па и Т = 40°С больше соответствующего коэффициента сжимаемости воды в 17 раз.

  ТЕМПЕРАТУРНОЕ РАСШИРЕНИЕ.
Это изменение объема жидкости с изменением температуры. Оно характеризуется температурным коэффициентом объемного расширения В,, выражаю щим относи -тельное изменение объема жидкости (AV) при повышении ее температуры (At) на 1°С.
                        Р, = 1\V.AV/At,                           (2.7)

где V - первоначальный объем жидкости.
  Или в дифференциальной форме:

0, = 1/V. dV/dt                         (2.8)

   К’¹ или ⁽С' для несжимаемых жидкостей ничтожно мал. Так для воды при разных давлениях и температурах он изменяется в пределах 0,000014 - 0,00072 °C¹ , для нефтепродуктов - 0,0006 - 0,0008 °C'¹ .
   При решении многих инженерных задач можно считать с достаточной для практики степенью точности, что жидкость практически не сжимается при изменении давления и не меняет свой объем при колебаниях температуры. Эти свойства жидкости позволяют рассматривать жидкость как однородную сплошную среду. Такая идеализированная модель дает возможность использовать в гидравлике методы механики сплошных сред и упрощать решение многих инженерных задач.



   2.3. МОЛЕКУЛЯРНОЕ ДАВЛЕНИЕ. КАПИЛЛЯРНОЕ ПОДНЯТИЕ ЖИДКОСТИ. ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ


  Имея в виду схему на рис.2.1 можно утверждать, что жидкость, находящаяся в сосуде (рис.2.2), должна быть сжата своим поверхностным слоем С,, толщина которого равна радиусу « г » молекулярного действия. Величина г весьма мала. А вот давление, развиваемое тонким поверхностаым слоем С, (которое действует подобно поршню, приложенному к поверхности жидкости), как показали опыты и расчеты, оказывается весьма большим. Например, .тля воды оно достигает II 10s Па (11000 ат) Ото давление называется МОЛЕКУЛЯРНЫМ ДАВЛЕНИЕМ У'читывая его легко понять, почему, например, стальная иголка может плавать на поверхности воды (проделайте сами такой опыт). Малая сжимаемость жидкости, о чем говорилось выше, и объясняется тем. что в большинстве случаев внешние силы сравнительно с мощным молекулярным делением, яв-тяюте. иезиачитель
ными.

ih изложенного вытекаю! два важных вывода.
1 Считая что поверхностный слой С, жидкости (рис.2.2) является совокупно--’ стью притягивающихся молекул «А» (Рис.2.1), можно доказать (основываясь на самых простых соображениях механики), что молекулярное давление ПП₁ . развиваемое плоской поверхностной пленкой С" (равное для воды 11" 1 С⁸ Па, рис.2.3б), всегда должно быть меньше молекулярного давления ПВЫ₁₁ , развиваемого выпуклой поверхностной пленкой С’” (рис.З.Зв), и болыие молекулярного давления , развиваемого вогнутой поверхностной г ленкой С’ (рис.2.3а). Т.е.

П₈ОГ < Ппд < Пвып •


Это положение доказывается в курсах общей физики.

2. Молекулы жидкости, покоящиеся в сосуде А (рис.2.2), следует рассматри
     вать п
  совокупности с частицами (атомами) того материала, из которого выполнены стенки сосуда А. При этом понятно, что система «жидкость - стенки сосуда» будет равномерно сжата поверхностными слоями со всех сторон.
  Отсюда сажный вывод: молекулярное давление, как бы оно ни было велико, не может разрушить сосуд, в котором находится жидкость. Это давление внешне не проявляется и не может быть измерено каким-либо простым прибором. Поэтому мы далее не будем учитывать молекулярное давление, считая, что оно как бы совсем не существует (раз уравновешивается!). Исключением будет лишь явление капиллярности.
  Замечание. Известно, что в жидкости иногда могут возникать растягивающие усилия. Подчеркнем, что такое растяжение следует понимать только как снижение молекулярного сжимающего давления, обусловленного плоской поверхностной пленкой.


Вопросы капиллярности - весьма существенны в инженерной геологии, гидрологии, гидротехнике, фильтрации в грунте, в подземных породах, в подземной гидравлике и т.д.
  Покажем на рис.2.4 сосуд А, наполненный жидкостью, и капиллярную трубку «К», один конец которой опущен в жидкость. Жидкость в сосуде находится под давлением П^ . Рассмотрим поведение жидкости в капиллярной трубке. Как видно на рис.2.5, в районе примыкания поверхности жидкости к стенке трубки можем получить одну из следующих картин: если взаимное притяжение двух молекул жидкости велико сравнительно с притяжением молекул жидкости к частице твердой стенки, то получим схему 2.5а - случай «не смачиваемой стенки»; если же взаимное притяжение двух молекул жидкости мало сравнительно с притяжением молекул жидкости к твердой частице стенки, то получаем схему на рис.2.5б - случай «смачиваемой стенки».


  Если диаметр гребки уменьшается, противоположные стенки трубки сближаются и схема рис.2.5а приводит нас к выпуклому мениску (рис 2 6а), а схема на рис ¹ 66 - к ВОГНУТОМУ мениску в трубке (рис.2.6б). Под действием рат-ности давлений Ц.. и П„, происходит поднятие жидкости в «смачиваемой» трубке на высоту h„ (рис.2.4); под действием же разности давлений П.,„ и Ц„ происходит опускание жидкости в «не смачиваемой» трубке.


2.4. КАПИЛЛЯРНОСТЬ

            a) b)


Рис 2.6


Жидкость, находящаяся в трубке (рис.2.4) и расположенная выше уровня жидкости в сосуде (а для не смачиваемой жидкости ниже уровня жидкости в сосуде), называется КАПИЛЛЯРНОЙ, а само это явление КАПИЛЛЯРНОСТЬЮ. Остальную жидкость в сосуде иногда называют гравитационной. Надо сразу подчеркнуть, что никакого различия между капиллярной й гравитационной жидкостями в отношении их физических свойств нет. Единственно, что капиллярная жидкость сжимается несколько меньше поверхностным молекулярным давлением.
   Величина hKₙ на рис.2.4 называется максимальной (для данного диаметра трубки) высотой капиллярного поднятия жидкости в трубке. Чем меньше диаметр капилляра, тем сильнее искривляется мениск и тем значительнее молекулярное давление в капилляре (ПвоГ или П₈ЫП ) отличается от молекулярного давления в сосуде П^ .
   Изложим и иную точку зрения (иную гипотезу) на объяснение причин капиллярности. В основу второй точки зрения кладется представление о гипотетической (условной) силе так называемого ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ. Заметим, что введение этого условного понятия дает возможность легче решать многие практические задачи гидравлики.
   Пре дг слагается, что молекулярное давление обуславливается не взаимным притяжением молекул, а натяжением («поверхностным») некоторой воображаемой упругой пленки, обтягивающей рассматриваемый объем жидкости. При этом сила натяжения этой пленки принимается такой, чтобы она вызывала реально существующие силы поверхностного молекулярного давления, т.е. гипотетическое (модельное) поверхностное натяжение имитирует силы взаимно

го притяжения молекул, которые в отличие от «поверхностного натяжения» реально существуют.
  Сторонники первой точки зрения (молекулярного давления) считают, что исходя из сил молекулярного давления, вполне можно решать (не используя условное понятие «поверхностного натяжения») все практические задачи на основании обычных правил механики.
  При второй точке зрения поверхностное натяжение о представляет собой дополнительную энергию, которой обладают молекулы поверхностного слоя, отнесенную к единице площади, как силу поверхностного натяжения, отнесенную к единице длины на свободной поверхности. Размерность а МТ² , т.е. кг\сек².
  Величина а зависит от природы соприкасающихся сред и температуры. С увеличением температуры значение а уменьшается; при 20°С и контакте с воздухом (т.е. при атмосферном давлении) а равно: для воды ) 0,0726, для ртути 0,486, для сырой нефти 0,0235-0,038, смазочного масла 0,035-0,038 Н\м.
  Добавка в жидкость поверхностно-активных веществ (ПАВ) может заметно уменьшить поверхностное натяжение.
  В трубках малого диаметра (капиллярах) под действием напряжений происходит капиллярное поднятие (при смачивании) жидкости на высоту:

Ьмап = 4о • cos0 / gpd,                      (2.9)

где 0 - острый угол между касательной к свободной поверхности в точке пересечения со стенкой и самой стенкой капилляра; d - диаметр капилляра.
  Поднятие воды в капиллярах в почве и в грунтах является важным фактором распространения воды. Высота капиллярного поднятия в грунтах измеряется от нуля у галечника до 5м у глины.
  Влияние поверхностного натяжения учитывается при изучении потоков с малой глубиной, при аэрации жидкости, при двухфазных водовоздушных и жидкостно-газовых потоках, при капиллярных яазениях и т.д. Поверхностное натяжение и капиллярные эффекты определяют закономерности движения жидкости в условиях невесомости.


19