Гидравлика, гидрология и метеорология (стр. 2 )

Получила развитие инженерная гидрометрия. Ее задачи: гидрометрические работы в период строительства и ввода в эксплуатацию гидротехнических сооружений и мостов; наблюдения за влиянием возводимых сооружений на гидравлические элементы потока и воздействием потока на сооружения (их состояние и сохранность подводных частей); наблюдения за деформациями естественного русла, в особенности вблизи сооружений, пропуском паводка и воздействием ледохода на сооружения; гидрометрические исследования при перекрытии русл рек и переводе потока на водосбросные сооружения. Развивается гидрометрия двухфазных потоков (пульпы, аэрированных, нестационарных потоков и др.).

Гидрометрия совершенствуется на основе гидромеханики и достижений физики. Одно из современных направлений гидрометрии – дистанционная регистрация элементов потока без нарушения его структуры.

Гидрометрические работы дают тот или иной объем характеристик потока, их особенности и степень изменчивости. Последующие гидрологические расчеты позволяют на их основе установить расчетные расходы, уровни, характеристики зимнего режима и другие элементы потока для проектируемого сооружения.

Метеорология – наука об атмосфере и протекающих в ней физических и химических процессах.

Все жизненно важные интересы человека заключены в пределах слоя атмосферы от поверхности земли до высоты 30 км. Сочетание основных физико-химических характеристик атмосферы в этом слое  в конкретное время и конкретном регионе принято называть п о г о д о й.

Исследования показали, что обобщенные характеристики погоды за многолетний период имеют свои специфические особенности для любого региона и любого временного отрезка года. Сочетание атмосферных условий за многолетний период, свойственных конкретной территории, называется к л и м а т о м. Соответственно к л и м а т о л о-  г и я – это та часть метеорологии, которая изучает закономерности формирования климатов Земли.

Р а з д е л  1. ГИДРАВЛИКА

1. ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЖИДКОСТЕЙ

1.1. Общие сведения о жидкостях

В природе различают 4 агрегатных состояния вещества: твердое, жидкое, газообразное, плазменное. По молекулярному строению жидкости занимают промежуточное положение между твердыми телами и газами. При низкой температуре и высоком давлении свойства жидкостей ближе к свойствам твердых тел, а при высокой температуре и низком давлении – к свойствам газов.

Жидкость – это физическое тело, обладающее легкой подвижностью частиц, текучестью и способное изменять свою форму под воздействием внешней силы. Различают жидкости капельные и газообразные.

Капельные жидкости характеризуются большим сопротивлением сжатию (очень незначительной сжимаемостью), малым сопротивлением растягивающим и касательным усилием и незначительной температурной расширяемостью. К ним относятся вода, бензин, керосин, минеральное масло, нефть, ртуть и др.

Газообразные жидкости (все газы при обычных условиях) характеризуются большой сжимаемостью и полным отсутствием сопротивления растягивающим усилиям. Это объясняется тем, что расстояния между смежными молекулами в газах во много раз больше, чем в жидкостях.

В гидравлике изучаются макроскопические движения жидкостей и газов, а также силовое взаимодействие этих сред с твердыми телами. Как правило, размеры рассматриваемых сред оказываются несопоставимо большими по сравнению с размерами молекул и межмолекулярными расстояниями. Поэтому жидкость или газ представляется как сплошная материальная среда (континуум – лат.), масса которой непрерывно распределена по объему. Это деформируемая система материальных («жидких») частиц, непрерывно заполняющих пространство, в котором она движется или находится в состоянии покоя. Такая идеализация упрощает реальную систему и позволяет достоверно описывать ее математически.

Термином «жидкая частица» обозначается бесконечно малый объем сплошной среды, обладающий всеми физическими свойствами этой среды, однако содержащий большое количество молекул. При изучении равновесия и движения жидкостей и газов жидкую частицу представляют как материальный объект, к которому применимы все законы механики. При этом вся масса жидкости или газа рассматривается как совокупность непрерывно распределенных по объему жидких частиц. Таким образом, сплошная среда представляет собой модель, которая успешно используется при изучении закономерностей покоя и движения жидкости или газа. Правомерность применения ее в широком диапазоне изменения параметров полностью подтверждена практикой. Как исключение можно назвать исследование состояния газов при сильном разрежении, которое проводится на уровне молекулярного строения их.

Математическое описание движения жидкой среды с учетом всех ее физических свойств является весьма сложной задачей. Поэтому в гидравлике широко используются различные упрощенные модели среды и отдельных явлений, исключающие в исследуемых условиях малозначительные свойства и факторы.

В аналитических исследованиях часто пользуются моделью  и д е а л ь н о й  ж и д к о с т и, под которой подразумевают жидкость, обладающую абсолютной подвижностью частиц (полным отсутствием сил внутреннего трения – вязкости) и абсолютной несжимаемостью. Она позволяет существенно упростить математические выкладки и получить многие базовые решения в конечном и удобном для применения виде. В дальнейшем остается лишь получить опытным путем необходимые поправки, учитывающие более полно свойства реальной среды. В ряде случаев эта модель дает возможность напрямую получить удовлетворительные результаты, подтверждаемые опытным путем и полезные для практического применения.

Капельные жидкости, как уже отмечалось, представляют собой малосжимаемые среды. Поэтому допустимо при решении широкого круга задач пренебрегать сжимаемостью. Это допущение мало влияет на вид получаемых решений и степень точности результатов расчетов. Применяемая в этом случае модель жидкой среды – несжимаемая вязкая жидкость. Однако существуют случаи движения жидкостей (например, при гидравлическом ударе в трубопроводе, при больших давлениях в гидроприводах), которые нельзя достоверно описать, не учитывая сжимаемость.

1.2. Силы и напряжения в жидкости

Вследствие текучести (подвижности частиц) в жидкости действуют силы не сосредоточенные, а непрерывно распределенные по ее объему (массе) или поверхности. В связи с этим силы, действующие на рассматриваемый объем жидкости и являющиеся по отношению к нему внешними, разделяются на массовые (объемные) и поверхностные.

Массовые силы в соответствии со вторым законом Ньютона пропорциональны массе жидкости или, если жидкость однородна, – ее объему. К ним относятся силы тяжести и силы инерции переносного движения, действующие на жидкость при относительном покое ее в сосудах, движущихся с ускорением.

Поверхностные силы непрерывно распределены по поверхности жидкости и при равномерном их распределении пропорциональны площади этой поверхности. Эти силы обусловлены непосредственным воздействием соседних объемов жидкости на данный объем или же воздействием других тел (твердых или газообразных), соприкасающихся с этой жидкостью. По третьему закону Ньютона с такими же силами, но в противоположном направлении, жидкость действует на соседние с ней тела.

Пусть в общем случае (рис. 1.1) поверхностная сила F, действующая на площади щ, направлена под некоторым углом к ней. Ее можно разложить на две составляющие: нормальную Fσ и касательную Fτ. Первая называется  с и л о й  д а в л е н и я,  а вторая – с и л о й  т р е н и я.

Рис. 1.1. Схема действия

поверхностных сил в жидкости

Массовые и поверхностные силы могут быть внешними и внутренними. Внешние силы действуют на рассматриваемую массу и поверхность жидкости извне и приложены соответственно к каждой частице жидкости, составляющей массу, и к каждому элементу поверхности, ограничивающей жидкость. Внутренние силы представляют собой силы взаимодействия частиц жидкости. Они являются парными, сумма их в данном объеме жидкости всегда равна нулю.

Ввиду непрерывности и неограниченности жидкой среды в гидравлике удобно применять единичные силы как массовые, так и поверхностные. Массовые силы относят к единице массы, поверхностные – к единице площади.

Так как массовая сила равна произведению массы на ускорение, то единичная массовая сила численно равна соответствующему ускорению и направлена в сторону, противоположную направлению его действия.

Единичная поверхностная сила, называемая напряжением, может быть разложена согласно рис. 1.1 на нормальное и касательное напряжения. Нормальное напряжение называется давлением и обозначается буквой р. Среднее давление на площади щ (см. рис. 1.1)

рср = Fσ / щ.                                (1.1)

Если представить себе, что площадка щ уменьшается до нуля, т. е. стягивается в точку, то получим давление р в точке.

Давление называется абсолютным рабс, если оно отсчитывается от абсолютного нуля, и избыточным ри, если оно отсчитывается от атмосферного давления ра. Следовательно, абсолютное давление

рабс = ра + ри.                        (1.2)

В Международной системе единиц (СИ) за единицу давления принят паскаль (Па) – давление, создаваемое силой 1 Н, равномерно распределенной по нормальной к ней поверхности площадью 1 м2. Поскольку это сравнительно малая величина, то наряду с ней применяют укрупненные кратные единицы: килопаскаль (кПа) и мегапаскаль (МПа):

1 Па = 1 Н/м2 = 10 –3 кПа = 10 –6 МПа.

В некоторых случаях в настоящее время еще применяются приборы, которыми давление измеряется в системе единиц МКГСС (метр, килограмм-сила, секунда) – в кгс / см2 или технических атмосферах:

1 атм = 1 кгс/см2 = 10 4 кгс/м2 = 9,81·104 Па.

Касательное напряжение в жидкости, т. е. напряжение трения, обозначается буквой τ. Среднее касательное напряжение на площадке щ

τср = Fτ / щ.                                (1.3)