Гидравлика

Определение "Гидравлика" в Большой Советской Энциклопедии

Гидравлика (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, 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 Гидравлика: с одной стороны, гидромеханика всё чаще обращается к эксперименту, с другой - методы гидравлического анализа становятся более строгими.

Гидравлика изучает капельные жидкости, считая их обычно несжимаемыми. Однако выводы Гидравлика 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. Рассматривая главным образом т. н. внутреннюю задачу, т. е. движение жидкости в твёрдых границах, Гидравлика почти не касается вопроса о распределении силового воздействия на поверхность обтекаемых тел, которому уделяется много внимания в аэродинамике, Гидравлика обычно подразделяется на две части: теоретические основы Гидравлика, где излагаются важнейшие положения учения о равновесии и движении жидкостей, и практическую Гидравлика, применяющую эти положения к решению частных вопросов инженерной практики. Основные разделы практической Гидравлика: течение по трубам (Гидравлика трубопроводов), течение в каналах и реках (Гидравлика открытых русел), истечение жидкости из отверстия и через водосливы, движение в пористых средах (фильтрация), взаимодействие потока и твёрдого преграждения (Гидравлика сооружений). Во всех указанных разделах движение жидкости рассматривается как установившееся, так и неустановившееся (нестационарное).

Изучая равновесие жидкостей, Гидравлика исследует общие законы гидростатики, 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, Гидравлика пользуется основными уравнениями гидродинамики, 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. Гидравлика 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). Гидравлика 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, устройств пневматического и гидравлического транспорта, при измерении расходов и т. д. Теория неустановившегося движения в трубах исследует явление гидравлического удара.

Гидравлика 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 на реках и пр. Гидравлика 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 Гидравлика 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 Гидравлика - 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». Т. о., круг вопросов, охватываемых Гидравлика, весьма обширен и законы Гидравлика 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 Гидравлика как науки начинается с середины 15 в., когда Леонардо да Винчи лабораторными опытами положил начало экспериментальному методу в Гидравлика В 16-17 вв. С. Стевин, Гидравлика 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 Гидравлика 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 Гидравлика обогатилась значительным числом эмпирических формул. Создававшаяся т. о. практическая Гидравлика 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 Гидравлика 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 Гидравлика, которое характеризуется синтезом теоретических и экспериментальных методов. Большой вклад в развитие Гидравлика сделан сов. учёными (работы Н. Н. Павловского, Л. С. Лейбензона, М. А. Великанова и др.).

Практическое значение Гидравлика 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 Гидравлика 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 Гидравлика 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. Гидравлика постепенно превращается в один из прикладных разделов общей науки о движении жидкостей - механики жидкости.

Исследования в области Гидравлика координируются Международной ассоциацией гидравлических исследований (МАГИ). Её орган - «Journal of the International Association for Hydraulic Research» (Delft, с 1937). Периодические издания в области Гидравлика: 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, Гидравлика, Справочник по гидравлическим расчетам, 3 изд., М. - Л., 1961; Богомолов А. И., Михайлов К. А. Гидравлика М., 1965; Альтшуль А. Д., Киселев П. Гидравлика, 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.