Приведены физические свойства жидкости, основы кинематики и динамики, гидравлические сопротивления. <...> Шези (движение воды в каналах и трубах), П. <...> Уравнение Бернулли широко используется в гидравлике систем водоснабжения и водоотведения для практических расчетов гидравлических машин, трубопроводов и их элементов. <...> Аномальные жидкости Трение в некоторых жидкостях не подчиняется закону вязкости Ньютона. <...> Движение неньютоновских жидкостей начинается только после того, как касательные напряжения в них достигнут некоторого предельного значения (так называемого начального напряжения сдвига): при меньших касательных напряжениях эти жидкости не текут, а испытывают только упругие деформации, как твердые тела. <...> Вязкость аномальных жидкостей (так называемая структурная вязкость) при заданных температуре и давлении непостоянна и изменяется в зависимости от градиента скорости du/dy по мере разрушения структуры жидкости, а следовательно, не является физической константой, как вязкость нормальных жидкостей. <...> Плотность и удельный вес жидкости Плотность ρ — отношение массы тела М к объему V: ρ= M . <...> Удельный вес жидкости γ — отношение веса жидкости G к ее объему V: Рис. <...> На дно резервуара площадью abсd оказывает воздействие вес содержащейся в нем жидкости, т.е. P = ρgV, где ρ — плотность жидкости; V — ее объем. <...> Воздействие силы Р на площадь дна ωabcd гидростатическое давление рср представляет собой среднее давления на нее обозначим через Δр. <...> Если теперь Δω уменьшать до нуля, то Δр будет также стремиться к нулю, а отношение Δр/Δω в пределе будет представлять собой гидростатическое давление (обозначим его буквой р) в точке, а именно: Выделим на боковой поверхности небольшую площадку Δωmnkz, силу = P/ωabcd P → = Δω 0 li Δm .Δω p В качестве единицы давления применяют паскаль (Па). <...> Основное уравнение гидростатики в дифференциальной форме Получение этого уравнения возможно путем небольших алгебраических преобразований уравнения <...>
Гидравлика_систем_водоснабжения_и_водоотведения.pdf
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
П.Д. Викулин, В.Б. Викулина
ГИДРАВЛИКА СИСТЕМ
ВОДОСНАБЖЕНИЯ И ВОДООТВЕДЕНИЯ
Рекомендовано Учебно-методическим объединением вузов РФ
по образованию в области строительства
в качестве учебника для студентов высших учебных заведений,
обучающихся по программе бакалавриата
по направлению 270800 «Строительство»
(профиль «Водоснабжение и водоотведение»)
(03.07.2013 г., №102-15/788)
2-е издание
Москва 2015
Стр.1
УДК 628.2+532.5
ББК 39.71-022
В43
Р е ц е н з е н т ы:
доктор технических наук, академик РАЕН Л.С. Скворцов,
председатель регионального отделения «Проблемы внедрения
современных технологий» Российской академии естественных наук;
доктор технических наук, профессор О.Г. Примин, заместитель
генерального директора ОАО «МосводоканалНИИпроект»;
доктор технических наук, профессор В.И. Баженов,
исполнительный директор ЗАО «Водоснабжение и водоотведение»
В43
Викулин, П.Д.
Гидравлика систем водоснабжения и водоотведения : учебник /
П.Д. Викулин, В.Б. Викулина ; М-во образования и науки Рос. Федерации,
Моск. гос. строит. ун-т. 2-е изд. Москва : МГСУ, 2015. 248 с.
ISBN 978-5-7264-0986-3
Изложены основные вопросы гидравлики систем водоснабжения
и водоотведения. Приведены физические свойства жидкости, основы
кинематики и динамики, гидравлические сопротивления. Рассмотрено
движение жидкости по трубопроводам в системах водоснабжения
и водоотведения. Описано обтекание потоком жидкости твердых тел.
Детализированы механизмы перемешивания затопленных струй с окружающей
средой и смешения сточных вод с водой водоемов. Приведены
основные элементы гидравлических машин. В каждом разделе есть примеры
гидравлических расчетов.
Для студентов бакалавриата, обучающихся по направлению 270800
«Строительство», по профилю «Водоснабжение и водоотведение», очной
и очно-заочной форм обучения.
УДК 628.2+532.5
ББК 39.71-022
ISBN 978-5-7264-0986-3
© ФГБОУ ВПО «МГСУ», 2014
Стр.2
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
Раздел 1. ГИДРОСТАТИКА . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
Глава 1. Основные физические свойства жидкости . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1. Капельные и газообразные жидкости . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1.1. Невязкая жидкость . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.1.2. Аномальные жидкости . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2. Плотность и удельный вес жидкости . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.3. Вязкость жидкости . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.4. Единицы измерений основных физических
показателей жидкости. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.5. Примеры. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
Вопросы для самопроверки. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
Глава 2. Равновесие жидкости . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.1. Гидростатическое давление и его свойства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.1.1. Понятие о гидростатике . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.1.2. Дифференциальные уравнения равновесия жидкостей
(уравнения Эйлера) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.1.3. Основное уравнение гидростатики
в дифференциальной форме . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.1.4. Поверхности равного давления. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.1.5. Основное уравнение гидростатики в интегральной форме . . . . . . . . . . 25
2.2. Приборы для измерения давления воды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.3. Закон Паскаля. Гидромеханизмы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.4. Сила давления жидкости на плоскую стенку . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.5. Центр давления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.6. Закон Архимеда . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.7. Условия равновесия плавающих тел . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.8. Схема затворов и регуляторов гидравлического действия . . . . . . . . . . . . . . 43
2.9. Примеры. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
Вопросы для самопроверки. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
Раздел 2. ГИДРОДИНАМИКА. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
Глава 3. Основы кинематики и динамики жидкости . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.1. Понятие о гидродинамике . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.2. Основы кинематики движения жидкости.
Основные понятия и виды движения жидкости. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.3. Гидравлические элементы потока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.3.1. Основные понятия элементов потока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.3.2. Дифференциальные уравнения движения
идеальной жидкости . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
Стр.244
3.3.3. Дифференциальные уравнения неразрывности
для идеальной жидкости. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.4. Уравнение Бернулли . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.4.1. Вывод уравнения Бернулли . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.4.2. Уравнение Бернулли для потока. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.4.3. Уравнение Бернулли в гидравлических расчетах. . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.5. Примеры. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
Вопросы для самопроверки. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
Глава 4. Гидравлические сопротивления
и потери напора при движении жидкости . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.1. Понятие о гидравлических сопротивлениях и потерях напора . . . . . . . . . . 73
4.2. Ламинарный и турбулентный режимы движения жидкости. . . . . . . . . . . . . 74
4.2.1. Понятия о ламинарном и турбулентном движениях . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.2.2. Критерий Рейнольдса и его критическое значение . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.2.3. Распределение скоростей потока в трубе
при ламинарном режиме. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.2.4. Определение расхода при ламинарном течении
жидкости в трубе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.2.5. Потери напора в трубе при ламинарном режиме . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.2.6. Распределение скоростей потока в трубе
при турбулентном режиме . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.2.7. Потери напора при турбулентном режиме движения жидкости
в трубах. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.3. Местные сопротивления. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.3.1. Понятие о местных сопротивлениях в трубопроводах . . . . . . . . . . . . . 87
4.3.2. Экспериментальное определение коэффициентов местных
сопротивлений и коэффициента Дарси . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.3.3. Определение общих потерь напора при движении жидкости. . . . . . . . 92
4.4. Примеры. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
Вопросы для самопроверки. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
Раздел 3. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СИСТЕМ
ВОДОСНАБЖЕНИЯ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
Глава 5. Цели и задачи систем водоснабжения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
5.1. Основные понятия системы водоснабжения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
5.2. Трассирование сетей водоснабжения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
5.3. Движение жидкости в напорных трубопроводах. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
5.4. Основы расчета трубопроводов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
5.4.1. Принципы расчета напорных трубопроводов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
5.4.2. Расчет последовательно соединенных трубопроводов . . . . . . . . . . . . 105
5.4.3. Расчет параллельно соединенных трубопроводов . . . . . . . . . . . . . . . . 106
5.4.4. Расчет разветвленного и кольцевого трубопроводов . . . . . . . . . . . . . . 107
Стр.245
5.5. Зависимость гидравлического расчета
от материалов трубопроводов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
5.6. Примеры. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
Вопросы для самопроверки. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
Глава 6. Неустановившееся движение в напорных трубопроводах . . . . . . . . . . . 120
6.1. Общие сведения о неустановившемся режиме
движения жидкости в трубопроводах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
6.2. Истечение жидкости при переменном напоре . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
6.3. Гидравлический удар . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
6.3.1.Этапы развития гидравлического удара . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
6.3.2. Определение ударного давления и скорости
распространения ударной волны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
6.3.3. Способы гашения и примеры использования
гидравлического удара . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
6.4. Примеры. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
Вопросы для самопроверки. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
Раздел 4. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СИСТЕМ
ВОДООТВЕДЕНИЯ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
Глава 7. Системы водоотведения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
7.1. Основные понятия и общие представления
о системе водоотведения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
7.1.1. Понятие о схемах водоотведения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
7.1.2. Условия равномерного движения жидкости
в открытых каналах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
7.1.3. Основные расчетные формулы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
7.1.4. Гидравлические характеристики канала . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
7.1.5. Гидравлически наивыгоднейшее сечение канала. . . . . . . . . . . . . . . . . 145
7.1.6. Допустимые скорости в каналах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
7.2. Основные типы задач при расчете каналов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
7.3. Гидравлический расчет каналов замкнутого сечения . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
7.4. Особенности гидравлического расчета русел рек . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
7.5. Общие сведения о наносах в трубопроводах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
7.6. Примеры. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
Вопросы для самопроверки. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
Раздел 5. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ СИСТЕМ
ВОДОСНАБЖЕНИЯ И ВОДООТВЕДЕНИЯ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
Глава 8. Гидравлика процессов механической очистки воды . . . . . . . . . . . . . . . . 164
8.1. Динамическое воздействие потока на элементы сооружений . . . . . . . . . . 164
8.1.1. Основные виды динамического воздействия потока . . . . . . . . . . . . . . 164
8.1.2. Взаимодействие струи жидкости
с ограждающей поверхностью. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
Стр.246
8.1.3. Расчет давления на повороте потока (трубопровода) . . . . . . . . . . . . . 170
8.2. Местные сопротивления в открытых руслах. Виды сопротивлений . . . . . 174
8.3. Решетки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
8.4. Водосливы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
8.5. Водомерные лотки. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
8.6. Фильтрация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
8.6.1. Коэффициент фильтрации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
8.6.2. Ламинарная и турбулентная фильтрации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
8.7. Взаимодействие потока и твердого тела . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
8.7.1. Определение мощности воздействия струи потока на преграду . . . . 184
8.7.2. Сопротивление тел в жидкости . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
8.7.3. Обтекание шара. Гидравлическая крупность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
8.8. Примеры. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
Вопросы для самопроверки. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
Глава 9. Смешение водных масс с водой водоемов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
9.1. Разбавление водных масс водой водоемов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
9.2. Перенос вещества в потоке . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
9.3. Определение коэффициента турбулентной диффузии
для зоны смешения водных масс . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
9.4. Самоочищение воды в водоеме . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
9.5. Сброс сточных вод в непроточные водоемы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
9.6. Примеры. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
Вопросы для самопроверки. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
Раздел 6. ПРИНУДИТЕЛЬНОЕ ДВИЖЕНИЕ ВОДЫ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
Глава 10. Гидромашины. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
10.1. Общие сведения о гидравлических машинах. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
10.2. Движение жидкости в рабочем колесе насоса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
10.3. Теоретический напор и подача насоса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
10.4. Высота всасывания и кавитация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
10.5. Работа центробежных насосов на сеть . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
10.6. Регулирование подачи центробежных насосов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
10.7. Основные правила эксплуатации центробежных насосов . . . . . . . . . . . . 240
10.8. Примеры. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
Вопросы для самопроверки. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
Библиографический список . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
Стр.247