Основні поняття гідравліки

 

 

Вступ.

Гідротехнічна споруда – інженерна споруда, що допомагає здійснювати певні водогосподарські заходи як щодо використання водних ресурсів, так і для захисту від шкідливої дії води. До гідротехнічних  споруд відносять: греблі й дамби різного призначення та їхні конструктивні елементи; водоскиди, водоспуски, споруди водовідведення; канали, труби, лотки та інші елементи водопровідної мережі; регуляційні споруди (наприклад, шлюзи-регулятори), ставки, відкриті водозабори, гідромеханічне та механічне обладнання призначене для нормального функціонування гідротехнічних споруд.

Для вивчення гідротехнічних споруд спочатку необхідно ознайомитись з основами теоретичних законів гідравліки та гідрології.

 

Тема 1. Основні поняття гідравліки.

 

Гідравліка – наука, яка вивчає закони рівноваги і руху рідин. Вона складається із двох основних частин – гідростатики і гідродинаміки. Гідростатика вивчає закони рівноваги рідин, а гідродинаміка – закони руху рідин.

На законах гідравліки базуються розрахунки осушувальних і зрошувальних систем, гідротехнічних споруд, водогонів, водосховищ та інших гідротехнічних об’єктів.

Перший закон по гідравліці, що визначає величину виштовхувальної сили, яка діє на занурений у воду предмет, був встановлений Архімедом (287-212 р. до н.е.). цей закон використовується при перевірці виробів з дорогоцінних металів та визначенні вантажопідйомності кораблів.

Рідина, як фізичне тіло характеризується 2-а властивостями:

1. практично не стискається (молекулярний тиск 2,2 гПа, тобто 2,2х104 кг•см-2) і теоретично мало розтяжима (може витримувати розтягуючи зусилля без розрізу 28 мПа, тобто 280 кг•см-2) – чим уподібнюється твердій речовині.
2. їй властива текучість, завдяки чому не має власної форми і приймає форму тієї посудини, в якій знаходиться – чим уподібнюється газам.

Гідростатика займається вивченням питань, пов’язаних із тиском всередині рідини. Рідина, яка знаходиться у стані рівноваги (спокою), чинить певний тиск на дно і стінки посудини, що її містить. Цей тиск називається гідростатичним. Повний гідростатичний тиск у будь-якій точці рідини складається із суми тиску стовпа рідини і зовнішнього (атмосферного) тиску на вільну поверхню рідини та визначається за формулою 1.1. Це є основне рівняння гідростатичного тиску:

РА =РО+δ•g•h,      (1.1)

де РА – повний (абсолютний) гідростатичний тиск, Па (кг•м-1•с-2);

РО – зовнішній тиск, Па (кг•м-1•с-2);

h – глибина занурення точки, м;

δ – густина рідини, кг•м3;

g – прискорення вільного падіння (9,81 м•с-2).

Оскільки зовнішній тиск діє з усіх сторін і цим урівноважується, то у розрахунках його, як правило, не враховують.

Тиск води на плоску стінку визначають за формулою:

F=h2/2•δ•g,     (1.2)

де F – величина сили тиску на одиницю ширини стінки, Н (кг•м•с-2);

h – глибина занурення точки, м;

δ – густина води (103 кг•м-3);

g – прискорення вільного падіння (9,81 м•с-2).

Величина сили тиску на всю стінку шириною b визначається за формулою:

F=b•h2/2•δ•g,     (1.3)

де F – величина сили тиску на всю стінку, Н (кг•м•с-2);

b – ширина стінки, м;

h – глибина занурення точки, м;

δ – густина води (103 кг•м-3);

g – прискорення вільного падіння (9,81 м•с-2).

Якщо вода знаходиться з обох сторін стінки і має різні глибини, тоді сила тиску знаходиться за формулою:

F=b•(h12–h22)•δ•g/2,    (1.4)

де F – величина сили тиску на стінку з обох сторін, Н (кг•м•с-2);

b – ширина стінки, м;

h1 – глибина води з однієї сторони стінки, м;

h2 – глибина води з протилежної сторони стінки, м;

δ – густина води (103 кг•м-3);

g – прискорення вільного падіння (9,81 м•с-2).

Закони гідродинаміки використовують під час розрахунку руху води у відкритих каналах і руслах, водопровідних і дренажних трубах, через водозливи і водоспуски тощо.

Режими руху води поділяються на два види: ламінарний і турбулентний.

Ламінарний режим характеризується переміщенням води без перемішування струмків (переважно у вертикальному напрямку). Такий режим найчастіше спостерігається під час руху ґрунтових вод або в потоках дуже малого розміру з незначною швидкістю течії.

Турбулентний режим характеризується змішуванням частинок води, які окрім поступового руху з великими швидкостями мають і круговий рух. Такий режим руху води спостерігається у річках, каналах, трубах.

Рух води характеризується швидкістю течії та витратою За характером швидкості і витрати рух води поділяється на такі види:

сталий – такий рух, за якого швидкість і витрата води є сталими протягом певного проміжку часу;

несталий – такий рух, за якого швидкість і витрата води змінюються в межах певного проміжку часу (під час танення снігу, зливових дощів тощо);

рівномірний – такий рух, за якого форма і площа живого поперечного перерізу русла, а також швидкість у всіх точках потоку по довжині є однаковими (у штучних каналах);

нерівномірний – такий рух, за якого площа живого перерізу і швидкість течії змінюються по довжині потоку (під час звуження і розширення, а також зміни ухилу дна русла річки, тобто в природних об’єктах з рухомою водою).

Рух води також може бути напірним – коли вода рухається під впливом тиску, що створюється, наприклад, насосною установкою (у закритих трубопроводах), або безнапірним – коли вода рухається під дією сили тяжіння по ухилу русла (у річках, каналах тощо).

Потік води і його поперечний переріз визначаються: живим перерізом, змоченим периметром і гідравлічним радіусом.

Живий переріз – поперечне січення потоку, розташоване перпендикулярно до його руху.

Змочений периметр являє собою лінію, по якій потік доторкається з поверхнями русла (стінками і дном).

Гідравлічний радіус являє собою відношення площі живого перерізу до змоченого периметру:

R=S/l,       (1.5)

де R – гідравлічний радіус, м;

S – площа живого перерізу каналу, м2;

l – змочений периметр, м.

Середню швидкість руху води визначають за формулою Шезі:

V=C•√R•i,     (1.6)

де V – середня швидкість потоку, м•с-1;

С – швидкісний коефіцієнт, що залежить від умов руху води в руслі;

R – гідравлічний радіус, м;

i – геодезичний ухил дна русла.

Формула Шезі має велике практичне значення. її використання надає можливість проводити гідравлічні розрахунки провідних каналів, розраховувати ухил потоку, визначати гідравлічний радіус.

Гравітаційна вода у ґрунті переміщується під дією власної ваги. Це переміщення відбувається за умови повної вологоємкості, коли всі пори ґрунту заповнені водою: після дощів, поливів, танення снігу. Гравітаційна вода доступна рослинам, але використовується в обмежених кількостях, внаслідок великої рухомості.

Швидкість фільтрації гравітаційної води підлягає закону Дарсі і визначається за формулою 1.7:

q=KФ•h/l=KФ•і,    (1.7)

де q – кількість води, що проходить через 1 см2 поперечного перерізу ґрунту за 1 с, см3;

h – різниця рівнів води на початку і в кінці шляху фільтрації, см;

l – довжина шляху фільтрації см;

і – гідравлічний ухил потоку води, і = h/l;

KФ – коефіцієнт фільтрації, см•с-1.

Як видно з формули 1.7, швидкість фільтрації ґрунтової води залежить від коефіцієнту фільтрації, який являє собою відношення витрати води до площі змоченої поверхні.

Коефіцієнт фільтрації залежить від шпаруватості ґрунту, діаметра ґрунтових частинок та температури води. Із збільшенням температури води зменшується її в’язкість та збільшується коефіцієнт фільтрації.