Гидравлика

Гидра́влика

(греч. hydraulikós — водяной, от hydor — вода и aulos — трубка)

наука о законах движения и равновесия жидкостей и способах приложения этих законов к решению задач инженерной практики. В отличие от гидромеханики (См. Гидромеханика), Г. 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 Г.: с одной стороны, гидромеханика всё чаще обращается к эксперименту, с другой — методы гидравлического анализа становятся более строгими.

Г. изучает капельные жидкости, считая их обычно несжимаемыми. Однако выводы Г. применимы и к газам в тех случаях, когда давление в них, а вместе с тем и плотность, почти постоянны. Течения газов с большими скоростями исследуются в газовой динамике (См. Газовая динамика). Рассматривая главным образом т. н. внутреннюю задачу, т. е. движение жидкости в твёрдых границах, Г. почти не касается вопроса о распределении силового воздействия на поверхность обтекаемых тел, которому уделяется много внимания в аэродинамике (См. Аэродинамика), Г. обычно подразделяется на две части: теоретические основы Г., где излагаются важнейшие положения учения о равновесии и движении жидкостей, и практическую Г., применяющую эти положения к решению частных вопросов инженерной практики. Основные разделы практической Г.: течение по трубам (Г. трубопроводов), течение в каналах и реках (Г. открытых русел), истечение жидкости из отверстия и через Водосливы, движение в пористых средах (фильтрация), взаимодействие потока и твёрдого преграждения (Г. сооружений). Во всех указанных разделах движение жидкости рассматривается как установившееся, так и неустановившееся (нестационарное).

Изучая равновесие жидкостей, Г. исследует общие законы гидростатики (См. Гидростатика), а также частные вопросы: давление жидкости на стенки различных сосудов, труб, на плотины, быки и устои мостов и пр., давление на погруженные в жидкость тела (см. Архимеда закон), условия равновесия плавающих тел (см. Плавание тел). Рассматривая движения жидкости, Г. пользуется основными уравнениями гидродинамики (См. Гидродинамика), при этом главнейшими соотношениями являются: уравнение Бернулли для реальной жидкости (см. Бернулли уравнение), определяющее общую связь между давлением, высотой, скоростью течения жидкости и потерями напора, и уравнение неразрывности (см. Неразрывности уравнение) в гидравлической форме. Г. подробно рассматривает вопрос о гидравлических сопротивлениях, возникающих при различных режимах течения жидкости (см. Ламинарное течение, Турбулентное течение), а также условия перехода из одного режима в другой (см. Рейнольдса число). Г. трубопроводов указывает способы определения размеров труб, необходимых для пропуска заданного расхода жидкости при заданных условиях и для решения ряда вопросов, возникающих при проектировании и строительстве трубопроводов различного назначения (водопроводные сети, напорные трубопроводы гидроэлектростанций, нефтепроводы и пр.). Здесь же рассматривается вопрос о распределении скоростей в трубах, что имеет большое значение для расчётов теплопередачи (См. Теплопередача), устройств пневматического и гидравлического транспорта, при измерении расходов и т. д. Теория неустановившегося движения в трубах исследует явление гидравлического удара (См. Гидравлический удар).

Г. открытых русел изучает течение воды в каналах и реках. Здесь даются способы определения глубины воды в каналах при заданном расходе и уклоне дна, широко применяемые при проектировании судоходных, оросительных, осушительных и гидроэнергетических каналов, канализационных труб, при выправительных работах (См. Выправительные работы) на реках и пр. Г. открытых русел исследует также вопрос о распределении скоростей по сечению потока, что весьма существенно для гидрометрии, расчёта движения наносов и пр. Теория неравномерного движения в открытых руслах даёт возможность определять кривые свободной поверхности воды. а теория неустановившегося движения важна при учёте явлений, связанных с маневрированием затворами плотин, суточным регулированием гидроэлектростанций, попуском воды из водохранилищ и пр. В разделах гидравлики, посвященных истечению жидкости из отверстий и через водосливы, приводятся расчётные зависимости для определения необходимых размеров отверстий в различных резервуарах, шлюзах, плотинах, водопропускных трубах и т. д., а также для выявления скоростей истечения жидкостей и времени опорожнения резервуаров. 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.).

В Г. 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 Г. — неравномерное и неустановившееся движение в открытых руслах и трубах, течение с переменным расходом, фильтрация и др. — иногда объединяют под общим названием «инженерная Г.» или «Г. сооружений». Т. о., круг вопросов, охватываемых Г., весьма обширен и законы Г. в той или иной мере находят применение практически во всех областях инженерной деятельности, а особенно в гидротехнике, мелиорации, водоснабжении, канализации, теплогазоснабжении, гидромеханизации, гидроэнергетике, водном транспорте и др.

Некоторые принципы гидростатики были установлены ещё Архимедом, возникновение гидродинамики также относится к античному периоду, однако формирование Г. как науки начинается с середины 15 в., когда Леонардо да Винчи лабораторными опытами положил начало экспериментальному методу в Г. В 16—17 вв. 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 18 в. Д. Бернулли и Л. Эйлер разработали общие уравнения движения идеальной жидкости, послужившие основой для дальнейшего развития гидромеханики и Г. 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 18 в. 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 Г. обогатилась значительным числом эмпирических формул. Создававшаяся т. о. практическая Г. всё более отдалялась от теоретической гидродинамики. Сближение между ними наметалось лишь к концу 19 в. 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 Г. наибольшее значение имели работы о гидравлическом ударе и о движении грунтовых вод. В 20 в. быстрый рост гидротехники, теплоэнергетики, гидромашиностроения, а также авиационной техники привёл к интенсивному развитию Г., которое характеризуется синтезом теоретических и экспериментальных методов. Большой вклад в развитие Г. сделан сов. учёными (работы Н. Н. Павловского, Л. С. Лейбензона, М. А. Великанова и др.).

Практическое значение Г. 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 Г. 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 Г. 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 обобщенных закономерностей. Г. постепенно превращается в один из прикладных разделов общей науки о движении жидкостей — механики жидкости.

Исследования в области Г. координируются Международной ассоциацией гидравлических исследований (МАГИ). Её орган — «Journal of the International Association for Hydraulic Research» (Delft, с 1937). Периодические издания в области Г.: журналы»Гидротехническое строительство» (с 1930) и «Гидротехника и мелиорация» (с 1949), «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).

Лит.: Идельчик И. Е., Справочник по гидравлическим сопротивлениям, М. — Л., 1960; Киселев П, Г., Справочник по гидравлическим расчетам, 3 изд., М. — Л., 1961; Богомолов А. И., Михайлов К. А. Гидравлика М., 1965; Альтшуль А. Д., Киселев П. Г., Гидравлика и аэродинамика, М., 1965; Чугаев Р. Р., Гидравлика, М. — Л., 1970; Rouse Н., Howe J., Basic mechanics of fluids, N. Y. — L., 1953; King H. W., Brater E. F., Handbook of hydraulics, 5 ed., N. Y., 1963; Levin L., L'hydrodynamique et ses applications, P., 1963; Еск В, Technische Strömungslehre. 7 Aufl., B., 1966.

А. Д. Альтшуль.