Гидравлика

Гидра́влика (др.-греч. ὑδραυλικός — водяной; от др.-греч. ὕδωρ — вода + др.-греч. αὐλός — трубка) — прикладная наука о законах движения (см. гидродинамика капельных жидкостей и газов), равновесии жидкостей (см. гидростатика) и способах приложения этих законов к решению задач инженерной практики[2].

Гидравлика и другие науки[1]
Открытый канал с постоянной глубиной. Открытая гидравлика работает с однородными и неравномерными потоками.
Иллюстрация гидравлики и гидростатики.

В отличие от гидромеханики, гидравлика характеризуется особым подходом к изучению явлений течения жидкостей: она устанавливает приближённые зависимости, ограничиваясь во многих случаях рассмотрением одноразмерного движения, широко используя при этом эксперимент, как в лабораторных, так и в натурных условиях.

Наряду с этим намечается всё большее сближение между гидромеханикой и гидравликой: с одной стороны, гидромеханика всё чаще обращается к эксперименту, с другой — методы гидравлического анализа становятся более строгими[3].

История
Акведук в Сеговии, шедевр I в. н. э.
Водяные колеса

Некоторые принципы гидростатики были установлены ещё Архимедом, возникновение гидродинамики также относится к античному периоду, однако формирование гидравлики как науки начинается с середины XV века, когда Леонардо да Винчи лабораторными опытами положил начало экспериментальному методу в гидравлике. В XVI—XVII веках С. Стевин, Г. Галилей и Б. Паскаль разработали основы гидростатики как науки, а Э. Торричелли дал известную формулу для скорости жидкости, вытекающей из отверстия.

В дальнейшем И. Ньютон высказал основные положения о внутреннем трении в жидкостях. В XVIII веке Д. Бернулли и Л. Эйлер разработали общие уравнения движения идеальной жидкости, послужившие основой для дальнейшего развития гидромеханики и гидравлики.

Однако применение этих уравнений (так же как и предложенных несколько позже уравнений движения вязкой жидкости) для решения практических задач привело к удовлетворительным результатам лишь в немногих случаях, в связи с этим с конца XVIII века многие учёные и инженеры (А. Шези, А. Дарси, А. Базен, Ю. Вейсбах и др.) опытным путём изучали движение воды в различных частных случаях, в результате чего наука обогатилась значительным числом эмпирических формул. Практическая гидравлика всё более отдалялась от теоретической гидродинамики. Сближение между ними наметилось лишь к концу XIX века в результате формирования новых взглядов на движение жидкости, основанных на исследовании структуры потока.

Особо заслуживают упоминания работы О. Рейнольдса, позволившие глубже проникнуть в сложный процесс течения реальной жидкости и в физическую природу гидравлических сопротивлений и положившие начало учению о турбулентном движении. Впоследствии это учение, благодаря исследованиям Л. Прандтля и Т. Кармана, завершилось созданием полуэмпирических теорий турбулентности, получивших широкое практическое применение.

К этому же периоду относятся исследования Н. Е. Жуковского, из которых для гидравлики наибольшее значение имели работы о гидравлическом ударе и о движении грунтовых вод.

В XX веке быстрый рост гидротехники, теплоэнергетики, гидромашиностроения, а также авиационной техники привёл к интенсивному развитию гидравлики, которое характеризуется синтезом теоретических и экспериментальных методов. Большой вклад в развитие науки сделали советские учёные — Н. Н. Павловский, Л. С. Лейбензон, М. А. Великанова и др.

Практическое значение гидравлики возросло в связи с потребностями современной техники в решении вопросов транспортирования жидкостей и газов различного назначения и использования их для разнообразных целей. Если ранее в гидравлике изучалась лишь одна жидкость — вода, то в современных условиях всё большее внимание уделяется изучению закономерностей движения вязких жидкостей (нефти и её продуктов), газов, неоднородных и т. н. неньютоновских жидкостей. Меняются и методы исследования и решения гидравлических задач. Сравнительно недавно в гидравлике основное место отводилось чисто эмпирическим зависимостям, справедливым только для воды и часто лишь в узких пределах изменения скоростей, температур, геометрических параметров потока; теперь всё большее значение приобретают закономерности общего порядка, действительные для всех жидкостей, отвечающие требованиям теории подобия и пр. При этом отдельные случаи могут рассматриваться как следствие обобщённых закономерностей. Постепенно гидравлика превращается в один из прикладных разделов общей науки о движении жидкостей — механики жидкости.

Предмет изучения
Фонтан Герона

Гидравлика, как прикладная наука, применяется для решения различных инженерных задач в области:

Основные направления

Гидравлика обычно подразделяется на две части:

  • теоретические основы гидравлики, где излагаются важнейшие положения учения о равновесии и движении жидкостей,
  • практическая гидравлика, применяющую эти положения к решению частных вопросов инженерной практики.

Основные разделы практической гидравлики:

  • гидравлика трубопроводов — течение по трубам;
  • гидравлика открытых русел (динамика русловых потоков) — течение в каналах и реках;
  • истечение жидкости из отверстия и через водосливы;
  • гидравлическая теория фильтрации даёт методы расчёта дебита и скорости течения воды в различных условиях безнапорного и напорного потоков (фильтрация воды через плотины, фильтрация нефти, газа и воды в пластовых условиях, фильтрация из каналов, приток к грунтовым колодцам и пр.) ;
  • гидравлика сооружений — поток и твёрдого преграждения.

Во всех указанных разделах движение жидкости рассматривается как установившееся, так и неустановившееся (нестационарное).

Основные разделы теоретической гидравлики:

Прикладное значение

Гидравлика широко использует теоретические положения механики и данные экспериментов. В прошлом гидравлика носила чисто экспериментальный и прикладной характер, в последнее время её теоретические основы получили значительное развитие, это способствовало сближению её с гидромеханикой. Гидравлика решает многочисленные инженерные задачи, рассматривает многие вопросы гидрологии, в частности, законы движения речных потоков, перемещения ими наносов, льда и шуги, процессы формирования русла и т. д. Этот комплекс вопросов объединяется речной гидравликой (динамикой русловых потоков), которую можно рассматривать как самостоятельный раздел гидравлики.

По отношению к гидромеханике гидравлика выступает как инженерное направление, получающее решение многих задач о движении жидкости на основе сочетания эмпирических зависимостей, установленных опытным путём, с теоретическими выводами гидромеханики.

В гидравлике рассматриваются также движение наносов в открытых потоках и пульпы в трубах, методы гидравлических измерений, моделирование гидравлических явлений и некоторые др. вопросы. Существенно важные для расчёта гидротехнических сооружений вопросы гидравлики — неравномерное и неустановившееся движение в открытых руслах и трубах, течение с переменным расходом, фильтрация и др. — иногда объединяют под общим названием «инженерная гидравлика», или «гидравлика сооружений».

Таким образом, круг вопросов, охватываемых гидравликой, весьма обширен, и её законы в той или иной мере находят применение почти во всех областях инженерной деятельности, особенно в гидротехнике, мелиорации, водоснабжении, канализации, теплогазоснабжении, гидромеханизации, гидроэнергетике, водном транспорте и др.

Известные учёные-гидравлики и гидротехники

Исследования в области гидравлики координируются Международной ассоциацией гидравлических исследований (МАГИ). Её орган — «Journal of the International Association for Hydraulic Research» (Delft, с. 1937).

Развитие гидравлики связано с именами учёных:

См. также

Примечания
  1. NEZU Iehisa (1995), Suirigaku, Ryutai-rikigaku, Asakura Shoten, с. 17, ISBN 978-4-254-26135-6
  2. Гидравлика. Статья в Физической энциклопедии.
  3. Гидравлика — статья из Большой советской энциклопедии. 

Литература
  • Альтшуль А. Д., Киселев П. Г. Гидравлика и аэродинамика. — М., 1965.
  • Богомолов А. И., Михайлов К. А. Гидравлика. — М.: Стройиздат, 1972.
  • Богомолов А. И., Михайлов К. А. Гидравлика. — М., 1965.
  • Идельчик И. Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. — М. — Л., 1960.
  • Киселев П, Г. Справочник по гидравлическим расчетам. 3-е изд. — М. — Л., 1961.
  • Чугаев Р. Р. Гидравлика. — М. — Л., 1970.
  • Чугаев Р. С. Гидравлика. — М.: Госэнергоиздат, 1970.
  • Пашков Н. Н., Долгачев Ф. М. Гидравлика. Основы гидрологии. — М., 1977.

Периодические издания в области гидравлики
  • Журнал «Гидротехническое строительство» (с 1930);
  • Журнал «Гидротехника и мелиорация» (с 1949);
  • Журнал «Известия Всесоюзного научно-исследовательского института гидротехники им. Б. Е. Веденеева» (с 1931);
  • «Труды координационных совещаний по гидротехнике» (с 1961),
  • Сборники «Гидравлика и гидротехника» (с 1961);
  • «Houille Blanche» (Grenoble, с 1946);
  • «Journal of the Hydraulics Division. American Society of Civil Engineers» (N. Y., с 1956);
  • «L’energia elettrica» (Mil., с 1924).

Ссылки
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.