Основы гидравлики, водоснабжения и водоотведения


А. В. Морозов, В. А. Морозов, Т. В. Поливанова







ОСНОВЫ ГИДРАВЛИКИ, ВОДОСНАБЖЕНИЯ И ВОДООТВЕДЕНИЯ


Учебное пособие




Утверждено учебно-методическим советом Юго-Западного государственного университета









Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 532:628.1
ББК 30.123+38.761
     М80







Рецензенты:
доктор технических наук, профессор Курской сельскохозяйственной академии
В. И.Серебровский;
доктор сельскохозяйственных наук, профессор Курского государственного университета
М. В. Ку манн





     Морозов, А. В.
М80 Основы гидравлики, водоснабжения и водотведения : учебное пособие / А. В. Морозов, В. А. Морозов, Т. В. Поливанова. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. - 192 с. : ил., табл.
          ISBN 978-5-9729-1052-6

           Даны основные положения гидравлики, систем водоснабжения и водоотведения. Особое внимание уделено расчету совместной работы насосных станций и сетей. Приведены основы расчета водопроводной сети, элементы систем внутренней канализации.
           Для студентов и аспирантов строительных специальностей. Может быть полезно инженерно-техническим работникам, занимающимся вопросами расчета и эксплуатацией гидравлических систем в строительстве.

                                                                 УДК 532:628.1
                                                                 ББК 30.123+38.761














ISBN 978-5-9729-1052-6

          © Морозов А. В., Морозов В. А., Поливанова Т. В., 2022
          © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                                   © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

        ОГЛАВЛЕНИЕ


Предисловие..................................................................5

Список принятых обозначений..................................................6

Введение.....................................................................7

1.  Основные физические свойства жидкостей...................................8

2.  Гидростатика............................................................15
2.1. Гидростатическое давление..............................................15
2.2. Свойства гидростатического давления....................................16
2.3. Дифференциальные уравнения покоящейся жидкости. Уравнения Эйлера.......18
2.4. Основное уравнение гидростатики........................................20
2.5. Закон Паскаля. Гидростатические машины.................................22
2.6. Эпюры гидростатического давления.......................................25
2.7. Относительное равновесие жидкостей.....................................27
2.8. Сила давления жидкости на плоские поверхности..........................30
2.9. Центр давления.........................................................32
2.10. Сила давления жидкости на криволинейные поверхности...................35
2.11. Частные случаи определения полной силы давления.......................36
2.12. Расчёт трубопроводов, подверженных внутреннему гидростатическому давлению...................................................................37
2.13. Закон Архимеда. Плавание тел..........................................38

3.  Гидродинамика...........................................................40
3.1. Задачи и методы гидродинамики..........................................40
3.2. Гидравлические элементы потока.........................................43
3.3. Средняя скорость потока и уравнение неразрывности......................45
3.4. Основные уравнения динамики жидкости (уравнения Л. Эйлера).............46
3.5. Уравнение неразрывности идеальной жидкости.............................46
3.6. Уравнение Д. Бернулли для элементарной струйки идеальной жидкости......48
3.7. Уравнение Д. Бернулли для потока реальной жидкости. Уклоны.............51
3.8. Режимы течения вязкой жидкости.........................................53
3.9. Расчет пограничного слоя вязкопластичной жидкости......................55

4.  Гидравлические потери...................................................59
4.1. Потери при ламинарном течении жидкости.................................59
4.2. Потери напора при турбулентном течении жидкости........................61
4.3. Местные гидравлические сопротивления...................................64

5.  Гидравлический расчет напорных трубопроводов............................66
5.1. Основные расчётные зависимости.........................................66
5.2. Расчёт простого трубопровода...........................................67
5.3. Расчёт сифонного трубопровода..........................................69
5.4. Расчёт сложных трубопроводов с использованием расходной характеристики.70
5.5. Гидравлический удар....................................................73


3

6.  Истечение жидкости через отверстия и насадки...........................76
6.1. Истечение жидкости в газовую среду при постоянном напоре..............77
6.2. Истечение жидкости под уровень........................................79
6.3. Истечение жидкости при переменном напоре..............................80
6.4. Истечение через насадки...............................................82

7.  Взаимодействие струи и преграды........................................86

8.  Водоснабжение..........................................................88
8.1. Основные схемы и состав сооружений водоснабжения......................88
8.2. Источники водоснабжения и водоприемные сооружения.....................90
8.3. Нормы водопотребления и определение расчетных расходов воды...........93
8.4. Основы расчета водопроводной сети.....................................96
8.5. Арматура водопроводной сети..........................................105
8.6. Эксплуатация систем водоснабжения....................................108
8.7. Насосы, применяемые в системах водоснабжения.........................109
8.8. Станции очистки водопровода для хозяйственно-питьевых нужд...........124

9.  Водоотведение.........................................................132
9.1. Системы водоотведения................................................132
9.2. Особенности проектирования систем водоотведения......................134
9.3. Водоотводящая сеть...................................................137
9.4. Расчет и проектирование сетей для отвода атмосферных вод.............139
9.5. Сооружения на водоотводящих сетях и системах.........................141
9.6. Очистка сточных вод..................................................147
9.7. Обработка осадков сточных вод........................................152
....
10.  Внутреннее холодное водоснабжение....................................154
10.1. Системы и схемы внутреннего водоснабжения...........................154
10.2. Элементы и схемы систем внутреннего водоснабжения...................154
10.3. Расчет системы внутреннего хозяйственно-питьевого водоснабжения.....157
10.4. Устройство внутреннего хозяйственно-питьевого водопровода...........167
10.5. Системы и схемы горячего водоснабжения..............................169
10.6. Сети горячего водоснабжения.........................................172
10.7. Устройство внутреннего горячего водопровода.........................174

11.  Внутренняя канализация...............................................176
11.1. Системы внутренней канализации......................................176
11.2. Элементы систем внутренней канализации..............................176
11.3. Канализационная сеть................................................179
11.4. Устройство системы канализации......................................180
...
12.  Водостоки здании.....................................................185
12.1. Конструирование внутренних водостоков...............................185

Библиографический список..................................................188

        ПРЕДИСЛОВИЕ


      Цель данного учебного пособия - дать студентам, магистрантам, аспирантам кроме основных сведений по разделу «Гидравлика», практическое применение в инженерных расчетах систем водоснабжения и водоотведения. Даны основные материалы по системам и сооружениям водоснабжения и водоотведения. Пособие может быть полезно инженерно-техническим работникам, занимающимся вопросами расчёта и эксплуатацией гидравлических систем в строительстве. Особое внимание уделено расчету совместной работы насосных станций и сетей, расчёту сетей.
      Методической особенностью данного издания является то, что материал, изложенный в нём, может быть использован в практической инженерной практике и научных исследованиях. Учебное пособие адресовано студентам, магистрантам, аспирантам и инженерно-техническим работникам строительных специальностей.
      Отзывы направлять по электронному адресу: vamorozov46@list.ru.

5

        СПИСОК ПРИНЯТЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

                                    Буквенные    Размерность   
       Наименование величин        обозначения единиц измерения
                                                     (СИ)      
Длина, ширина, глубина                l,b,h           м        
Толщина стенок трубы                                           
Толщина ламинарного слоя                5             м        
Величина зазора                                                
Диаметр                                d,D            м        
Площадь                                 S             м2       
Объём                                   V             м3       
Скорость линейная, окружная            V,u           м/с       
                                               об              
Число оборотов, угловая скорость      n, to    ----,1/с        
                                               мин             
Линейное ускорение                      a            м/с2      
Ускорение свободного падения            g            м/с2      
Сила, сила тяжести                     F,G            Н        
Работа, энергия                        А,Э        Н ■ м (Дж)   
Мощность                                N         Н ■ м (Вт)   
                                                      с        
                                               Н               
Давление, напряжение в материале      P, ст    .. (Па)         
                                               м               
Плотность среды                         P           кг/м3      
Удельный вес                            Y            Н/м3      
Коэффициент объёмного расширения       P t          1/град     
Коэффициент объёмного сжатия           Pp            м2/Н      
Модуль упругости материала              E            Н/м2      
Коэффициент динамической                                       
(абсолютной) вязкости                                          
Коэффициент кинематической              Ц          Н ■ с/м2    
(относительной) вязкости                V            м2/с      
Коэффициент гидравлического трения X                 ---       
Коэффициент местного сопротивления s                 ---       
Коэффициент Шези                        C           м1/2/с     
Число Рейнольдса                       RE            ---       
Число Фруда                            NE            ---       
Число Эйлера                           Fr            ---       
Число Сен-Венана                       Se            ---       

6

                             Всякийраз, когда имеешь дело с водой, прежде обратись к опыту, а потомужерассуждай.
Леонардо да Винчи



        ВВЕДЕНИЕ

     Гидравлика - раздел механики, в котором изучают равновесие и движение жидкостей, силовое взаимодействие между жидкостью и обтекаемыми её телами или поверхностями, её ограничивающими.
     Гидравлика - это прикладная наука, практическое значение её весьма велико, так как она представляет собой основу для инженерных расчётов во многих областях техники.
     Человечество с древних времён использовало силу воды и ветра для приведения в движение простейших механизмов. Строились оросительные системы, гидротехнические сооружения, водоподъёмные машины. Сохранились фрагменты черпаковой водоподъёмной машины, построенной в Индии за 4000 лет до нашей эры. В Риме за 6 столетий до н. э. был построен водопровод, что свидетельствует о высокой технологической культуре того времени.
     Хронологически первым трудом в области гидравлики следует считать трактат Архимеда «О плавании тел». Им же была изобретена машина для подъёма воды, названная «архимедовым винтом».
     В эпоху Возрождения, в XV-XVII веках, в трудах Леонардо да Винчи, Стевина, Галилея, Паскаля, Ньютона были сформулированы отдельные законы равновесия и движения жидкостей.
     Действительными членами Петербуржской Академии наук Л. Эйлером и Д. Бернулли были установлены основные законы и получены исходные уравнения гидромеханики. С развитием гидравлики развивалось водоснабжение и водоотведение, начало которых берется с древнейших времен. Знания, которые передавались из поколения в поколение, и накопленные за много веков позволяли принимать важные решения в этой отрасли.
     В XIX и XX веках в связи с бурным развитием науки и техники развивались прикладные инженерные науки, созданные трудами зарубежных и отечественных ученых и инженеров.
     Большой вклад в развитие водоснабжения и водоотведения внесли российские учёные и инженеры. Это Жуковский Н. Е., Карелин Я. А., Най-денко В. В., Павловский Н. Н., Шевелев Ф. А., Шифрин С. М., Шухов В. Г., Яковлев С. В.

7

        1. ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЖИДКОСТЕЙ


     Жидкость - упругая, непрерывная среда, обладающая свойством текучести, т. е. способностью изменять свою форму под действием сил, сколь угодно малых по своей величине. В отличие от твёрдых тел, жидкость характеризуется большой подвижностью своих частиц и способна принимать любую форму, а в отличие от газа - мало изменять свою плотность при изменении давления.
     В связи с этим все физические тела можно разделить на две группы: твёрдые и жидкие (включая и газы). При этом различают жидкости капельные, именуемые «несжимаемые» и газообразные - «сжимаемые».
     К физическим свойствам жидкости относятся следующие:
     1. Плотность
     Плотность - это масса жидкости, содержащаяся в единице объёма:


m р =V ’

(1.1)


где m - масса жидкости, заключённая в объеме V.
     Термин «относительная плотность» означает отношение плотности жидкости к плотности воды при температуре 4 °C:

8= Рж.                           (1.2)
рв
      2. Удельный вес
      Удельный вес - это вес жидкости, заключенный в единице объёма:
у=G,                             (1.3)

где G - вес жидкости.
      Удельный вес и плотность жидкости связаны между собой зависимостью, которая широко используется в гидростатических расчётах.
      Поскольку вес G = mg, то у = р • g.
      В таблице 1.1 приведены значения плотности, удельного веса и относительной плотности при давлении 0,1 МПа.


     3.  Сжимаемость жидкостей
     Сжимаемость жидкостей характеризуется коэффициентом объёмного сжатия Рр, представляющим собой относительное изменение объёма, приходящегося на единицу давления при постоянной температуре:

8

P =



            1 dV


V dP

(1-4)

где dV - изменение объёма при повышении давления на величину dP.
     В инженерных расчётах можно пользоваться приближённой зависимостью для определения объёма жидкости, подверженной сжатию:
V « Vₒ (1 -р р-AP),                   (1.5)
где V₀ - начальный объём жидкости.
     Плотность при сжатии жидкости увеличивается и находится по формуле


1-рP-AP’

(1-6)

где р₀ - начальная плотность при фиксированной температуре.
     Величина, обратная коэффициенту объёмного сжатия, называется объёмным модулем упругости жидкости:


E = —
Р p

(1-7)


     В таблице 1.2 приведены значения изотермического модуля упругости воды при различных давлениях и температурах.


Таблица 1.1
Удельный вес, плотность и относительная плотность жидкостей при давлении 0,1 МПа

Жидкость               Температура Плотность Удельный вес Относительная
                          t, °С    р, кг/м3    Y ,Н/ м3    плотность 8 
Автол 10                   20         920        9025         0,92     
Алкоголь (безводный)       20         795        7799         0,795    
Аммиак                     34         684        6710         0,684    
Анилин                     15        1004        9849         1,004    
Ацетон                     20         792        7770         0,792    
Бензин:                    20       739-780   7250-7652    0,739-0,780 
авиационный                20       712-761   6980-7470    0,712-0,761 
автомобильный                                                          
Вода:                      20        998,1       9790         0,998    
дистиллированная           20      1020-1030 10006-10104    1,02-1,03  
морская                                                                
Глицерин (безводный)       20        1260       12360         1,26     
Дизельное топливо          20       831-861   8150-8450    0,831-0,861 
Керосин (ГОСТ 4753-68)     20       790-860   7770-8240     0,79-0,86  
Мазут                      15       890-940   8731-9221     0,89-0,94  

9

Таблица 1.2

Изотермический модуль упругости воды Е, МПа

Температура   Давление р, МПа        
   t, °C    0,5  1,0  2,0  4,0  8,0 
     0      1890 1900 1920 1950 1980
     5      1930 1950 1970 2010 2070
    10      1950 1970 2010 2050 2120
    15      1970 2000 2030 2090 2170
    20      1980 2020 2060 2120 2217

     4.  Температурное расширение
     Температурное расширение жидкостей количественно характеризуется коэффициентом температурного расширения рₜ, представляющим относительное расширение объёма при изменении температуры на 1 °C и при постоянном давлении:


Рз= - -V dt

(1-8)

     При изменении температуры и давления в небольших пределах можно принять рₜ = const, тогда объем и плотность можно подсчитать по следующим формулам:

V * Vₒ (1+ Р t -A t);


(1-9)

~    1
Р' 1 + р t-A t

(1-Ю)


     Коэффициенты температурного расширения воды приведены в таблице 1.3.


Таблица 1.3

Коэффициенты температурного расширения воды

Давление            Температура t, °C                 
 P, МПа    1-10    10-20    40-50    60-70    90-100 
  0,1    0,000014 0,000150 0,000422 0,000556 0,000719
   10    0,000043 0,000165 0,000422 0,000548 0,000704
   20    0,000072 0,000180 0,000426 0,000539 0,000691
   50    0,000149 0,000236 0,000429 0,000523 0,000661
   90    0,000229 0,000289 0,000437 0,000514 0,000621

     5.  Поверхностное натяжение (капиллярность)
     Свободная поверхность жидкости, то есть поверхность на разделе двух сред - жидкой и газообразной, находится в состоянии равномерного поверхностного натяжения- Силы поверхностного натяжения вызывают в жидкости

10

дополнительное повышение давления, которое сказывается в малых объёмах, стараясь придать им сферическую форму.
     Дополнительное повышение давления (Па) может быть определенно по формуле Лапласа:


Р = ст| — + — I, IR1               R 2 J

(1.11)

где о - коэффициент поверхностного натяжения;
    R1 и R₂ - главные радиусы кривизны рассматриваемого элемента жидкости, м.
     В большинстве гидравлических процессов поверхностным натяжением пренебрегают ввиду его малости. Учитывают поверхностное натяжение жидкости при капиллярном поднятии жидкости (если жидкость смачиваемая) или опускании (если жидкость не смачиваемая в трубках малого диаметра - капиллярах), рис. 1.1.

Рис. 1.1. Кявлению капиллярности

      Для подобных капиллярных трубок формула (1.10) принимает вид
P = 47 ■                          (1.1²)
d
      Высота подъёма или опускания жидкости в стеклянном капилляре определяется по формуле

                                 h = —■                             (1.13)
Рgd
      Для воды при t = 20 °C высота капиллярного поднятия (мм) в стеклянной трубке
.'О'


где d - внутренний диаметр капилляра.

11

     6.  Вязкость
     Вязкость - свойство жидкости оказывать сопротивление относительному сдвигу частиц жидкости.
     Вязкость - свойство, противоположенное текучести.
     Ещё Ньютон высказал предположение, что силы сопротивления, возникающие при скольжении слоёв, пропорциональны площади соприкосновения слоёв и скорости скольжения. Гипотеза Ньютона математически и эмпирически была подтверждена российским академиком Петровым - создателем теории гидродинамической смазки.
     Закон Ньютона - Петрова гласит:
     Касательные напряжения, в жидкости при её движении зависят от её рода и характера течения и при слоистом течении прямо пропорциональны поперечному градиенту скорости.
     Рассмотрим движение жидкости относительно неподвижной поверхности (рис. 1.2).

Рис. 1.2.Движение жидкости относительно неподвижной поверхности

     Скорости движения двух соседних слоёв V и V + dV. Расстояние между ними dy.
     На границе соприкасающихся соседних слоёв возникают касательные напряжения (Па)

dV г ⁼ ^~Г, dy


определяющие величину силы трения
T = т- 5,

(1.14)

(1.15)

12