Основы гидравлики, теплотехники и аэродинамики

Москва
ИНФРАМ
2020

ОСНОВЫ
ГИДРАВЛИКИ, ТЕПЛОТЕХНИКИ
И АЭРОДИНАМИКИ

УЧЕБНИК

О.Н. БРЮХАНОВ
В.И. КОРОБКО 
А.Т. МЕЛИКАРАКЕЛЯН

Допущено 
Государственным комитетом Российской Федерации
по строительству и жилищнокоммунальному комплексу
в качестве учебника для студентов средних специальных 
учебных заведений, обучающихся по специальности 
08.02.07 «Монтаж и эксплуатация внутренних сантехнических устройств, 
кондиционирования воздуха и вентиляции»

Брюханов О.Н.
Основы гидравлики, теплотехники и аэродинамики : учебник / О.Н. Брюханов, В.И. Коробко, А.Т. МеликАракелян. — 
Москва : ИНФРАМ, 2020. — 254 с. — (Среднее профессиональное образование).

ISBN 9785160053547 (print)
ISBN 978516102480-5 (online)

В книге даны основы гидравлики, аэродинамики, рассмотрены методы 
гидравлических и аэродинамических расчетов, виды и характеристики насосов и вентиляторов, основы термодинамики, теплопередачи и теплообмена.
Предназначена в качестве учебника для учащихся и преподавателей 
строительных специальностей среднего профессионального образования по специальности 08.02.07 «Монтаж и эксплуатация внутренних 
сантехнических устройств, кондиционирования воздуха и вентиляции».

УДК 532+621.1+533.6(075.32)
ББК [30.123:31.3:22.253.3]я723

УДК 532+621.1+533.6(075.32)
ББК [30.123:31.3:22.253.3]я723
 
Б87

© Брюханов О.Н., Коробко В.И.,
 
МеликАракелян А.Т., 2004
ISBN 9785160053547 (print)
ISBN 978516102480-5 (online)

Р е ц е н з е н т ы:
А.И. Плужников – профессор, генеральный директор ООО 
«ВНИИПРОМГАЗ»;
М.В. Миронова – преподаватель Калужского коммунальностроительного техникума 

Б87

Введение

Предмет гидравлики, теплотехники
и аэродинамики

Гидравликой называется наука, изучающая законы равновесия
и движения жидкостей и разрабатывающая методы их применения для решения практических задач.
Название «гидравлика» происходит от сочетания греческих
слов «хюдор» — вода и «аулос» — труба, желоб и первоначально
обозначало учение о движении воды по трубам. Такое трактование гидравлики имеет теперь лишь историческое значение, так
как с развитием производства и техники область применения
законов гидравлики существенно расширилась.
На законах гидравлики основан расчет разнообразных гидротехнических сооружений (например, плотин, каналов, водосливов), трубопроводов для подачи различных жидкостей, гидромашин (насосов, гидротурбин, гидропередач), а также других гидравлических устройств, применяемых во многих областях техники.
Теплотехникой называется наука, изучающая технические
средства превращения природных энергоресурсов (топлива, урана, тепла недр Земли, излучения Солнца) в непосредственно используемые формы энергии: теплоту, работу и электричество.
Теплотехника включает техническую термодинамику, теорию
тепломассообмена, рассматривает тепловые двигатели, холодильные машины и термопреобразователи, компрессы и вентиляторы, топливосжигающие устройства и котельные установки.
Аэродинамикой называется наука, изучающая движение газообразных тел, а также взаимодействие их с твердыми телами и
поверхностями.
Название «аэродинамика» происходит от сочетания греческих
слов «аэр» — воздух и «динамос» — сила и первоначально обозначало учение о силовом взаимодействии воздушной среды с
движущимся в ней телом.
На законах аэродинамики основаны расчет летательных аппаратов, трубопроводов, транспортирующих различные газы
(воздухопроводов, газопроводов, паропроводов), конструирование газовых машин (турбин, компрессоров, вентиляторов), проектирование котельных агрегатов, печных и сушильных установок, воздухо- и газоочистных аппаратов и пр.
Несмотря на различие физических свойств жидкостей и газов, связанное с большой сжимаемостью газов, многие законы

их движения и равновесия при определенных условиях можно
считать одинаковыми, поэтому гидравлику и аэродинамику в
настоящее время рассматривают в качестве единой науки — механики жидкости, которая, опираясь на основные законы физики и теоретической механики, широко использует математический аппарат.
Знание законов механики жидкости и теплотехники необходимо для решения многих технических вопросов в области санитарной техники, в частности в области водоснабжения, канализации, теплогазоснабжения и вентиляции. Кроме того, гидравлика, аэродинамика и теплотехника служат теоретической
базой при изучении ряда специальных дисциплин, входящих в
учебный план техникумов.

Краткий исторический обзор и современный
уровень развития гидравлики, теплотехники и
аэродинамики

Гидравлика зародилась в Древней Греции. Первым научным
трудом по гидравлике считается работа Архимеда (287—212 гг.
до н.э.) «О плавающих телах», содержащая его известный закон
о равновесии тела, погруженного в жидкость.
В период средневековья гидравлика как наука практически
не развивалась, так как эпоха феодализма с ее натуральным хозяйством и отсутствием развитой промышленности не ставила
перед гидравликой задач, требующих разрешения. Только с зарождением капитализма появилась необходимость в развитии
гидравлики быстрыми темпами.
В конце XV в. Леонардо да Винчи (1452—1519 гг.) написал
труд «О движении воды в речных сооружениях». Он первый установил понятие сопротивления движению твердых тел в жидкостях и газах и положил начало экспериментальной гидравлике, поставив лабораторные опыты. В 1586 г. Симон Стевин
(1548—1620 гг.) опубликовал книгу «Начала гидростатики», в
которой дал правила определения силы давления жидкости на
дно и стенки сосудов. В 1612 г. появился трактат Галилео Галилея (1564—1642 гг.) «Рассуждение о телах, пребывающих в воде,
и тех, которые в ней движутся». В 1643 г. ученик Г. Галилея
Эванджелиста Торричелли (1608—1647 гг.) установил закон вытекания жидкости из отверстия в сосуде. В 1663 г. был опубликован установленный Блезом Паскалем (1623—1662 гг.) закон о
передаче внешнего давления в жидкости. В 1687 г. Исаак Нью

тон (1643—1727 гг.) сформулировал законы внутреннего трения
в движущейся жидкости. Однако перечисленные работы представляли собой отдельные разрозненные труды по гидравлике.
Основоположниками гидравлики как науки были действительные члены Российской академии наук: М.В. Ломоносов
(1711—1765 гг.), Леонард Эйлер (1707—1783 гг.) и Даниил Бернулли (1700—1782 гг.), в результате исследований которых гидравлика получила теоретическую базу.
Великий русский ученый М.В. Ломоносов опубликовал ряд
работ по гидравлике, в том числе «Рассуждение о твердости и
жидкости тела», в которой изложил закон сохранения массы и
энергии, положенный в основу современной гидравлики.
Л. Эйлер первый дал ясное определение понятия движения
жидкости и вывел уравнения движения идеальной жидкости. Он
раскрыл природу взаимодействия тела с натекающей на него
жидкостью, ввел понятие давления в точке движущейся или покоящейся жидкости, вывел уравнение неразрывности жидкости
и так называемое «турбинное уравнение», которое находит широкое применение при расчете насосов, турбин и компрессоров.
В 1738 г. Д. Бернулли опубликовал капитальный труд по гидравлике «Гидродинамика», в котором дал метод изучения законов движения жидкости, ввел понятие «гидродинамика» и предложил теорему о запасе энергии движущейся жидкости. Эта теорема носит теперь имя Д. Бернулли и лежит в основе ряда
разделов гидравлики.
Д.И. Менделеев (1834—1907 гг.) в 1880 г. впервые указал на
существование в природе двух режимов движения жидкости,
что несколько позже было подтверждено английским ученым
О. Рейнольдсом (1842—1912 гг.). Тонкие экспериментальные исследования закона внутреннего трения в жидкостях при ламинарном режиме были поставлены Н.П. Петровым (1836—1920 гг.).
Эти работы позволили глубже проникнуть в физическую природу гидравлических сопротивлений и положили начало учению о
турбулентном движении.
Отец русской авиации Н.Е. Жуковский (1847—1921 гг.) внес
значительный вклад в развитие гидравлики и аэродинамики. Им
впервые была разработана теория гидравлического удара в трубах и дано классическое решение большого круга технических
вопросов в области авиации, водоснабжения и гидротехники.
Трудами советского ученого Н.Н. Павловского (1884—1937 гг.)
и его учеников развита новая отрасль гидравлики — гидравлика
сооружений.

В настоящее время гидравлика и аэродинамика бурно развиваются, основываясь на синтезе теоретических и экспериментальных методов.
Зарождение теплотехники связывают с именем Герона Александрийского (I в. до н.э.), который по принципу «движущейся силы
огня» построил множество различных паровых машин-игрушек,
вершиной которых был прообраз реактивно-турбинного двигателя
Эолопил (Эол — бог ветра; тогда считали, что вода при нагревании
превращается в воздух), и сделал попытку дать теоретическое
объяснение их рабочего процесса. Эолопил представлял собой полый металлический шар с впаянными в него на противоположных
полушариях открытыми трубками, загибавшимися в разные стороны. В шар наливалась вода и подогревалась до кипения. Образовавшийся пар выбрасывался из трубок, создавая реактивные силы,
под действием которых шар вращался в трубчатых опорах. Низкий
уровень науки и техники и отсутствие потребности в новом двигателе у общества остановили его разработку почти на 1700 лет.
В 1681 г. Д. Папен изобретает паровой котел, снабженный
предохранительным клапаном, позволяющим регулировать давление пара. Чуть позже Х. Гюйгенс, развивая идею Г. Галилея о
получении вакуума, предлагает взрывать для этого порох на
дней цилиндра под поршнем. Обратно поршень должен был падать под действием атмосферного давления. С этим устройством
родилось сразу два новых принципа — атмосферной паровой
машины и двигателя внутреннего сгорания.
Трудности работы с порохом заставили Папена заменить его
в 1690 г. водой, подогревавшейся на дне цилиндра до образования пара. Обратно поршень опускался после конденсации пара,
которую ускоряли обливанием цилиндра холодной водой или
впрыскиванием ее внутрь.
Д. Папен впервые дал правильное термодинамическое описание процессов в цилиндре своей машины, но ни ему, ни другим
изобретателям не пришло в голову разделить эти процессы по
разным агрегатам, что сразу повысило бы ее эффективность и
решило проблему создания универсального двигателя.
Наиболее острой была тогда проблема откачки воды из все углублявшихся шахт. И первое применение сила пара нашла в паровытеснительных насосах (англичанин Сэвери получил патент на
один из них в 1698 г.), не имевших ни одной движущей части. Однако из-за низкой экономичности эти насосы были вытеснены паропоршневыми, разработанными в 1705—1712 гг. англичанином
Т. Ньюкоменом. В них пар приготавливался в отдельном котле, а

поршневой двигатель был отделен от откачивающего воду поршневого насоса. Система клапанов регулировала поступление пара и
воды в цилиндры. Эти машины широко применялись, и последняя
из них была демонтирована в Англии в 1934 г.
Однако промышленность все более остро нуждалась в универсальном двигателе, не зависящем, как водяные колеса, от
места или, как ветряные, — от погоды. И в 1763 г. русский инженер И.И. Ползунов предложил, а к 1766 г. построил такую
машину. Она работала на угле, холостой ход исключался с помощью двух цилиндров, работавших на общий вал, парораспределение было автоматическим, правда, машина оставалась пароатмосферной. Изобретатель умер до пуска машины, которая
после небольшой неполадки была остановлена и забыта.
В результате слава создания первого универсального паропоршневого двигателя досталась англичанину Д. Уатту. В 1769 г.
он получил патент на усовершенствования ньюкоменовской водоподъемной машины: отделение конденсатора от цилиндра и
использование в качестве движущей силы вместо атмосферного
давления упругости пара, подаваемого сверху поршня. В 1782 г.
Уатт ввел двойное действие (пар поочередно поступал сверху и
снизу поршня), золотниковое парораспределение, преобразование поступательно-возвратного движения во вращательное, а в
1788 г. — и центробежный регулятор оборотов. Схема установки стала почти современной.
В 1801 г. француз Ф. Лебон патентует поршневой двигатель, работающий на горючих газах от сухой перегонки древесины с зажиганием их электрической искрой и сгоранием внутри цилиндра. В
1805 г. швейцарец И. Риваз предлагает двигатель на водороде.
В 1816 г. английский священник Р. Стирлинг получает патент на универсальную тепловую машину, состоящую из цилиндра с двумя по-разному движущимися поршнями и регенератора-теплообменника и способную работать на разных топливах
как двигатель внешнего сгорания, как холодильник и как тепловой насос (отопитель).
В 1824 г. французский инженер Сади Карно (1796—1832 гг.)
опубликовал первый фундаментальный труд по теории теплотехники «Размышления о движущей силе огня и машинах, способных развивать эту силу». Он предсказал, что тепловым машинам
«суждено совершить большой переворот в цивилизованном
мире», и задался целью определить причины их несовершенства.
В своем труде Карно заложил основы термодинамики, поскольку там содержались (хотя и полученные с помощью теории «теп

лорода») и оба начала термодинамики, и ее основные понятия, и
идеальный цикл тепловых машин, и другие важные положения.
Работа Карно прошла почти незамеченной. И лишь через 10
лет, после издания «Мемуара о движущей силе теплоты»
Б. Клайперона, она стала почти сенсацией. Клайперон «перевел» ее на математический язык, вскрыв великое содержание
этого труда, и первым применил графический метод исследования работы тепловых машин — метод циклов.
В 1845—1853 гг. трудами Р. Майера, Д. Джоуля, Г. Гельмгольца, В. Томсона (лорда Кельвина), Р. Клаузиуса, У. Ренкина и др. окончательно формулируется закон сохранения и превращения энергии.
В 1855—1865 гг. вводятся понятия обратимых и необратимых
процессов и энтропии (Клаузиусом) — величины, рост которой
в необратимых процессах характеризует ту часть энергии тел,
которая не может быть превращена в работу, а рассеивается в
виде теплоты. Поскольку все реальные процессы вследствие
трения, теплопроводности и конечности времени их протекания
необратимы, энтропия изолированных систем всегда возрастает.
Так был заложен фундамент одного из разделов теплотехники —
технической термодинамики. Другой раздел теплотехники — теория тепломассообмена — уходит своими корнями в труды
Г. Галилея и И. Ньютона. Последний еще в 1701 г. установил
закон конвективного теплообмена. В 1822 г. Ж.Б. Фурье издает
«Аналитическую теорию теплопроводности», считая, что он
привел теорию теплообмена в такое же состояние, в какое была
приведена механика трудами И. Ньютона... Однако для этого
потребовалось еще более 100 лет. И только современные ученые
развили теорию теплообмена до законченной системы.
Аэродинамика как наука возникла на основе гидравлики.
Толчком развития аэродинамики послужило возникновение в
начале XX столетия новой отрасли техники — авиации. Развитие авиации сформировало новые взгляды на движение жидкости и газов, основанные на исследовании структуры потока.
Основателем крупнейшей научной школы аэродинамики является Н.Е. Жуковский. Работы Н.П. Петрова и Л. Прандтля (1875—
1953 гг.) значительно продвинули вперед изучение турбулентных
потоков, которое завершилось созданием полуэмпирических теорий
турбулентности, получивших широкое практическое применение.
Гидравлика, теплотехника и аэродинамика позволяют комплексно решать важные технические проблемы в области теплогазоснабжения, вентиляции, водоснабжения и санитарной техники.

Раздел 1. ОСНОВЫ ГИДРАВЛИКИ
Глава 1. Основные физические свойства
жидкостей

1.1. Определение жидкостей.
Плотность и удельный вес жидкостей
Жидкость — агрегатное состояние вещества, промежуточное
между твердым и газообразным состояниями. Жидкость, сохраняя отдельные черты как твердого тела, так и газа, обладает рядом особенностей, из которых наиболее характерная — текучесть. Подобно твердому телу, жидкость сохраняет свой объем,
имеет свободную поверхность, обладает определенной прочностью на разрыв при всестороннем растяжении и т.д. С другой
стороны, взятая в достаточном количестве жидкость принимает
форму сосуда, в котором находится. Принципиальная возможность непрерывного перехода жидкости в газ также свидетельствует о близости жидкого и газообразного состояний.
Наличие в жидкостях сильного межмолекулярного взаимодействия обусловливает существование поверхностного натяжения
жидкости на ее границе с любой другой средой, что заставляет ее
принять такую форму, при которой ее поверхность минимальна.
Небольшие объемы жидкости обычно имеют форму капли. В
силу этого жидкости в гидравлике называют капельными. При
соприкосновении жидкости с твердыми телами или другими несмешивающимися жидкостями возникают капиллярные явления.
Основными физическими свойствами жидкости являются:
текучесть, испарение, кипение.
Текучесть — смещение жидкости в направлении действия
силы. Жидкости отличаются сильным межмолекулярным взаимодействием и малой сжимаемостью вследствие больших сил
межмолекулярного отталкивания.
Испарение — процесс парообразования, происходящий со свободной поверхности жидкости. Испарение происходит при любой
температуре и увеличивается при ее повышении. Испарение
объясняется вылетом из поверхностного слоя жидкости молекул,
обладающих наибольшей скоростью и кинетической энергией,
так что в результате испарения жидкость охлаждается.
Кипение — процесс интенсивного испарения жидкости по всему объему жидкости внутрь образующихся пузырьков пара. Температура, при которой давление ее насыщенного пара равно внешнему давлению, называется температурой, или точкой кипения.

Основной механической характеристикой жидкости является
плотность ρ, кг/м3, определяемая для однородной жидкости отношением ее массы М к ее объему W:
ρ = М/W.
Плотность пресной воды при температуре 4 оС:
ρ4о = 1000 кг/м3.
Удельным весом однородной жидкости γ, Н/м3, называется
вес G единицы объема этой жидкости:
γ = G/W.
Удельный вес пресной воды при температуре 4 оС:
γ4о = 9810 Н/м3.
Относительным удельным весом жидкости δ называется отношение ее удельного веса к удельному весу пресной воды при
температуре 4 оС:
δ = γ/γ4о.
Между плотностью и удельным весом существует связь:
γ = ρg,
где g — ускорение свободного падения, м/с2.
Удельным объемом жидкости называется объем, занимаемый
единицей массы жидкости, м3/кг:
w = W/M = 1/ρ.
В табл. 1.1. приведены значения плотности воды при разных
температурах.
Т а б л и ц а  1.1
Плотность воды при разных температурах

t, оC

Плотность
ρ, кг/м3

t, оС

Плотность
ρ, кг/м3

t, оС

Плотность
ρ, кг/м3

t, оС

Плотность
ρ, кг/м3

t, оС

Плотность
ρ, кг/м3

t, оС

Плотность
ρ, кг/м3

t,  оС

Плотность
ρ, кг/м3

0

4

10

20

30

999,87

1000

999,73

998,23

995,67

40
41
42
43
44
45
46
47
48
49

992,24
991,86
991,47
991,07
990,66
990,25
989,82
989,4
988,96
988,52

50
51
52
53
54
55
56
57
58
59

988,07
987,62
987,15
986,69
986,21
985,73
985,25
984,75
984,25
983,75

60
61
62
63
64
65
66
67
68
69

983,24
982,72
982,2
981,67
981,13
980,59
980,05
979,5
978,94
978,38

70
71
72
73
74
75
76
77
78
79

977,81
977,23
976,66
976,07
975,48
974,89
974,29
973,68
973,07
972,45

80
81
82
83
84
85
86
87
88
89

971,83
971,23
970,57
969,94
969,3
968,65
968
967,24
966,68
966,01

90
91
92
93
94
95
96
97
98
99

965,34
964,67
963,99
963,3
962,61
961,92
961,22
960,51
959,81
959,09

1.2. Сжимаемость и температурное расширение
жидкостей

Сопротивление жидкостей изменению своего объема характеризуется коэффициентами объемного сжатия и температурного
расширения.
Коэффициент объемного сжатия βW, Па–1, — относительное
изменение объема жидкости на единицу изменения давления:

,
W
W
W p
Δ
β
=
Δ

где ΔW — изменение объема W, соответствующее изменению
давления на величину Δp.
Величина, обратная коэффициенту объемного сжатия, представляет собой объемный модуль упругости жидкости Е, Па:

Е = 1/βW.

Для воды при нормальных условиях можно принимать:

1
9

9

1
Па
;
2 10

2 10 Па.

W

E

−
β
≈
⋅

≈
⋅

Коэффициент температурного расширения βt, оС–1, выражает
относительное изменение объема жидкости при изменении температуры на 1 градус:

,
t
W
W
t
Δ
β =
Δ

где ΔW — изменение объема, соответствующее изменению температуры на величину Δt.
Для воды при нормальных условиях можно принимать:

o
1
1
C
.
10 000
t
−
β ≈

Значения коэффициента объемного сжатия воды βW в функции от давления и температуры приведены в табл. 1.2; значения
модуля упругости Е — в табл. 1.3; значения коэффициента температурного расширения βt — в табл. 1.4.