Гидравлика в пожарной безопасности

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации

Департамент научно-технологической политики и образования

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение 

высшего образования 

«Волгоградский государственный аграрный университет» 

Кафедра: «Прикладная геодезия, природообустройство 

и водопользование»

А. С. Овчинников 

А. А. Пахомов 

Е. В. Пустовалов 

ГИДРАВЛИКА  В  ПОЖАРНОЙ  БЕЗОПАСНОСТИ

Учебно-методическое пособие 

для изучения дисциплины «Гидравлика» для студентов

эколого-мелиоративного факультета, обучающихся
по специальности 20.05.01 «Пожарная безопасность»
и направлению 20.03.01 «Техносферная безопасность»

Волгоград

Волгоградский ГАУ

2016

УДК 621.22
ББК 30.123
О-35

Рецензенты: 

доцент кафедры «Прикладная геодезия, природообустройство и водопользование» М. П. Мещеряков; профессор кафедры «Мелиорация земель и комплексное использование водных ресурсов» С. М. Григоров

Овчинников, Алексей Семенович

О-35
Гидравлика в пожарной безопасности: учебно-методическое по
собие для изучения дисциплины «Гидравлика» для студентов экологомелиоративного факультета, обучающихся по специальности 20.05.01 
«Пожарная безопасность» и направлению 20.03.01 «Техносферная безопасность» / А. С. Овчинников, А. А. Пахомов, Е. В. Пустовалов – Волгоград: ФГБОУ ВО Волгоградский ГАУ. 2016. – 64 с.

Излагается содержание основных разделов гидравлики. Даны 

необходимые формулы, таблицы и рисунки для решения гидравлических задач в системах пожаротушения.

Для студентов эколого-мелиоративного факультета, обучаю
щихся по специальности 20.05.01 «Пожарная безопасность» и направлению 20.03.01 «Техносферная безопасность».

Рекомендовано к изданию методической комиссией эколого
мелиоративного факультета ФГБОУ ВО Волгоградского ГАУ (протокол № 2 от 21 сентября 2015 г.).

УДК 621.22
ББК 30.123

© ФГБОУ ВО Волгоградского государственный аграрный университет, 2016
© Овчинников А. С., Пахомов А. А., 
Пустовалов Е. В., 2016

ВВЕДЕНИЕ 

Гидравлика - наука, изучающая законы равновесия и движения 

жидкостей и разрабатывающая способы приложения этих законов к
решению практических инженерных задач.

Знание законов гидравлики необходимо при экспертизе проек
тов и обследовании систем противопожарного водоснабжения, автоматических установок пожаротушения, систем аварийного слива легковоспламеняющихся и горючих жидкостей, при определении радиуса действия струй, применяемых в пожарном деле, и их реакции, для 
правильной эксплуатации и выбора типа пожарных насосов и т.д. 
Гидравлика является одной из фундаментальных дисциплин, знание 
которой необходимо специалисту противопожарной безопасности.

1 ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ЖИДКОСТЕЙ 

Жидкость - агрегатное состояние вещества, сочетающее в себе 

черты как твердого, так и газообразного состояния.

Подобно веществам, находящимся в твердом состоянии, жид
кость сохраняет свой объем и обладает определенной прочностью на 
разрыв, однако при этом обладает изменчивостью формы, что роднит 
ее с газами.

Когда жидкости и газы можно рассматривать как сплошную 

легкоподвижную среду, их объединяют единым понятием «жидкости», подразделяя на капельные, такие как вода, органические масла, 
нефть, ртуть, образующие капли, и газообразные - воздух и другие газы, в обычном состоянии капель не образующие.

1.1 ПЛОТНОСТЬ И УДЕЛЬНЫЙ ВЕС

Одна из важнейших физических характеристик жидкости - ее 

плотность ρ, то есть масса единичного объема жидкости.

Плотность однородной жидкости:

ρ =

т

(1.1)

где: т - масса рассматриваемой жидкости, кг; W - объем этой массы м3.

Плотность - это характеристика среды, определяющая распреде
ление масс. В единицах СИ плотность выражается в килограммах на 
кубический метр (кг/м3).

Вес единицы объема жидкости называется удельным весом.

Удельный вес выражается в ньютонах на кубический метр (Н/м3).

Удельный вес однородной жидкости:

γ =

(1.2)

где: G - вес рассматриваемого объема жидкости, Н.

Поскольку вес тела:

G = Mg
(1.3)

где: g - ускорение свободного падения, м/с2.

Подставляя выражение в уравнение (1.2), найдем связь между 

удельным весом и плотностью:

γ= ρg
(1.4)

Строго говоря, удельный вес, в отличие от плотности, не явля
ется физикохимической характеристикой вещества, в том числе и 
жидкости, так как зависит от места измерения географической широты и высоты над уровнем моря. 

Однако при этом следует учитывать то обстоятельство, что ве
личина g, входящая в приведенное выше и многие другие зависимости 
гидравлики, изменяется по земной поверхности в пределах 0,5 %, а 
точность гидравлических расчетов составляет обычно 3...5 %. Это позволяет во всех случаях принимать осредненное значение ускорения 
свободного падения (9,81 м/с2) и, следовательно, не считаться с фактической переменностью этой величины при определении удельного 
веса.

Знание удельного веса жидкости необходимо для решения мно
гих практических задач гидравлики; различие в плотности жидкостей, 
жидкостей и твердых тел играет существенную роль при решении вопросов, связанных с плаванием тел.

1.2 СЖИМАЕМОСТЬ И ТЕМПЕРАТУРНОЕ РАСШИРЕНИЕ

ЖИДКОСТЕЙ

Способность жидкости изменять свой объем под действием 

внешних сил называется сжимаемостью. Она характеризуется коэффициентом сжатия β, Па-1, выражающим относительное изменение 
объема при изменении давления:

β =

(1.5)

где: W – величина изменения объема, м3; р – величина изменения давления.

Так как W = т/ρ, а т = const, то

β = 

/=

(1.6)

Величина, обратная коэффициенту сжатия, называется модулем 

объемной упругости К, Па:

К=1/ β
(1.7)

Коэффициент β для всех тел имеет положительное значение. 

Для жидкостей сжимаемость весьма мала, хотя по абсолютной величине β для разных жидкостей различно. Таким образом, для капельных жидкостей сжимаемость настолько мала, что ею в большинстве 
случаев можно пренебречь.

Коэффициент температурного расширения α выражает относи
тельное увеличение объема жидкости при повышении температуры:

α = 

(1.8)

где: W – изменение объема жидкости при увеличении или уменьшении ее температуры, м3; W0 – объем жидкости при начальной температуре, м3; Т – изменение температуры, 0С.

1.3 ВЯЗКОСТЬ ЖИДКОСТИ

Между частицами или слоями жидкости, движущимися с раз
личными скоростями, всегда возникает сила внутреннего трения, противодействующая движению. Свойство жидкости оказывать сопротивление скольжению слоев жидкости относительно друг друга называется вязкостью.

Сила внутреннего трения, отнесенная к единице поверхности

соприкасающихся слоев жидкости, называется касательным напряжением. Для большинства жидкостей касательные напряжения τ, 
Н/м2, пропорциональны градиенту скорости:

τ = μ

(1.9)

Этот закон называется законом трения Ньютона. Градиент ско
рости

выражает производную от скорости по направлению нормали 

к поверхности соприкасающихся слоев жидкости. С геометрической 

точки зрения 

= tgα. Из рисунка 1.1 видно, что величина угла α убы
вает к оси трубы, где α = 0, и наибольшего значения достигает у ее 
стенок. Следовательно, касательное напряжение имеет наибольшее 
значение у стенок канала.

Коэффициент μ = Н∙с/м2 = кг/м с называется динамическим ко
эффициентом вязкости, является физической характеристикой жидкости и зависит от рода жидкости и ее температуры.

Рисунок 1.1 – Эпюра скорости движения жидкости в круглом канале

В уравнения гидродинамики часто входит отношение вязкости 

к плотности ρ, называемое коэффициентом кинематической вязкости и обозначаемое буквой ν:

ν =

(1.10)

Кинематическая вязкость у капельных жидкостей уменьшается 

при увеличении температуры почти в такой же степени, как и , так 
как плотность ρ слабо зависит от температуры. 

Наличие внутреннего трения, обусловленное вязкостью жидко
сти, приводит к процессу диссипации (рассеяния) энергии. Существо 
процесса диссипации состоит в том, что часть механической энергии 
движущейся жидкости переходит в тепловую и вызывает ее нагревание. Если вязкость жидкости или скорость течения невелики, то нагревание будет незначительным.

2 ГИДРОСТАТИКА

Гидростатикой называется раздел гидравлики, в котором рассмат
риваются законы равновесия жидкости и их практическое применение.

2.1 АБСОЛЮТНОЕ, ИЗБЫТОЧНОЕ И ВАКУУМЕТРИЧЕСКОЕ 

ДАВЛЕНИЕ

Превышение давления в точке над атмосферным давлением на
зывается избыточным или манометрическим давлением (рм,ризб). Введение такого понятия необходимо, так как манометры реагируют 
только на отклонения измеряемого давления от атмосферного. Абсолютное (или полное) давление pабс - это сумма избыточного и атмосферного давлений. Вакуумом (РВАК) называется недостаток абсолютного давления до атмосферного.

Для наглядности покажем диаграмму давлений (рисунок 2.1). В 

технике, если измеряемое давление выше атмосферного, пользуются 
понятием манометрического давления, а если ниже атмосферного - то 
понятием вакуума.

Рисунок 2.1 – Диаграмма давлений

2.2 ГИДРОСТАТИЧЕСКОЕ ДАВЛЕНИЕ

В покоящейся жидкости всегда присутствует сила давления, ко
торая называется гидростатическим давлением. Жидкость оказывает 
силовое воздействие на дно и стенки сосуда. Частицы жидкости, расположенные в верхних слоях водоема, испытывают меньшие силы 
сжатия, чем частицы жидкости, находящиеся у дна.

Рассмотрим резервуар с плоскими вертикальными стенками, на
полненный жидкостью (рисунок 2.2, а). На дно резервуара действует 
сила P равная весу налитой жидкости G = γ V, т.е. P = G.

Если эту силу P разделить на площадь дна ω, то мы получим 

среднее гидростатическое давление, действующее на дно резервуара.

Рср = 

Р

(2.1)

Гидростатическое давление обладает свойствами.

Рисунок 2.2 – Схема, иллюстрирующая свойства гидростатического 

давления: а - первое свойство; б - второе свойство

Свойство 1

В любой точке жидкости гидростатическое давление перпен
дикулярно площадке касательной к выделенному объему и действует 
внутрь рассматриваемого объема жидкости.

Для доказательства этого утверждения вернемся к рисунку 

2.2, а. 
Выделим 
на 
боковой 
стенке 
резервуара 
площад
ку Sбок (заштриховано). Гидростатическое давление действует на эту 
площадку в виде распределенной силы, которую можно заменить одной равнодействующей, которую обозначим P. Предположим, что 
равнодействующая гидростатического давления P, действующая на 
эту площадку, приложена в точке А и направлена к ней под углом φ 

(на рисунке 2.2 обозначена штриховым отрезком со стрелкой). Тогда 
сила реакции стенки R на жидкость будет иметь ту же самую величину, но противоположное направление (сплошной отрезок со стрелкой). Указанный вектор R можно разложить на два составляющих вектора: нормальный Rn (перпендикулярный к заштрихованной площадке) и касательный Rτ к стенке.

Сила нормального давления Rn вызывает в жидкости напряжения 

сжатия. Этим напряжениям жидкость легко противостоит. Сила Rτ действующая на жидкость вдоль стенки, должна была бы вызвать 
в жидкости касательные напряжения вдоль стенки и частицы должны 
были бы перемещаться вниз. Но так как жидкость в резервуаре находится в состоянии покоя, то составляющая Rτ отсутствует. Отсюда 
можно сделать вывод первого свойства гидростатического давления.

Свойство 2

Гидростатическое давление неизменно во всех направлениях.
В жидкости, заполняющей какой-то резервуар, выделим элемен
тарный кубик с очень малыми сторонами Δx, Δy, Δz (рисунок 2.2, б). 
На каждую из боковых поверхностей будет давить сила гидростатического давления, равная произведению соответствующего давления Px, Py , Pz на элементарные площади. Обозначим вектора давлений, действующие в положительном направлении (согласно указанным координатам) как P'x, P'y, P'z, а вектора давлений, действующие в 
обратном направлении соответственно P''x, P''y, P''z. Поскольку кубик 
находится в равновесии, то можно записать равенства:

P'xΔyΔz=P''xΔyΔz
P'yΔxΔz = P''yΔxΔz
(2.2)

P'zΔxΔy + γΔx, Δy, Δz = P''zΔxΔy

где: γ - удельный вес жидкости; Δx, Δy, Δz - объем кубика.

Сократив полученные равенства, найдем, что

P'x = P''x; P'y = P''y; P'z + γΔz = P''z
(2.3)

Членом третьего уравнения γΔz, как бесконечно малым по срав
нению с P'z и P''z, можно пренебречь и тогда окончательно

P'x = P''x; P'y = P''y; P'z=P''z
(2.4)