Основы гидравлики гидрометрии гидрологии и климатологии Гидравлика

Основы гидравлики, гидрометрии, гидрологии и климатологии

Гидравлика, гидрометрия гидрология и климатология и краткие сведения об из развитии Гидравлика – наука изучающая законы равновесия и движения капельных жидкостей, широко использующая теоретические положения механики и данные эксперимента для решения различных задач Гидрология – наука, изучающая природные воды, законы их распространения и взаимодействия с земной поверхностью и толщей почво-грунтов во взаимосвязи с атмосферными процессами гидросферы Гидрометрия – наука о методах и средствах определения величин, характеризующих различные элементы режима водных объектов Климатология – наука изучающая закономерности формирования климатов, их распространение по земному шару и изменение в прошлом и будуюшем Все перечисленные науки изучают воду и тесно связаны с Гидрогеологией – наукой о происхождении, движении и распространении подземных вод в земной коре

История развития наук За 25 лет до нашей эры – трактат «о плавании тел» (Архимед) 1452 -1512 г. г. - Леонардо де Винчи изучал движение жидкости в каналах и реках; 1564 -1585 г. г. – трактат «О законах плавания» (Галилей); 1643 г. – Торичелли вывел формулу скорости истечения идеальной жидкости из отверстия; 1650 г. – «Закон о передаче жидкостью внешнего давления» (Паскаль); 1686 г. - Ньютон ввел понятие о вязкости жидкости 1856 г. – Дарси вывел линейный закон фильтрации В РОССИИ 1382 г. – В Москве сделан первый водопровод; 1631 г. – проведено напорное водоснабжение Кремля; 1738 г. – академик Бернулли опубликовал основную теорему гидравлики «О запасе энергии движущейся частицы жидкости» 1755 г. - Эйлер вывел основные уравнения равновесия жидкости; 1771 -1776 г. г. – Ломоносов создал труд «Рассуждения о твердости и жидкости тела» ; 1791 г. – первое печатное издание по гидравлике (А. Колмаков)

1888 г. – Жуковский разработал теории о гидравлическом ударе, таране и фильтрации; После Октябрьской революции в СССР по строены Днепропетровская, Волховская, Саяно-Шушенская и др. ГЭС, прорыты каналы Беломоро. Балтийский, Москва-Волга. В 30 -е годы прошлого века был открыт Государственный гидрологический институт. Ведущие Советские ученые: Воейков, Глушаков, Куделин, Железняков и др.

Методы применяемые при изучении гидравлике, гидрометрии, гидрологии и климатологии 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Метод бесконечно малых величин Метод конечных объемов Статистический метод Экспериментальный метод Метод аналогий Метод водного баланса Экспедиционный метод

Жидкость и ее физические свойства Жидкость – это тело обладающее свойством текучести, легкой подвижностью, способной изменять форму под воздействие внешний сил Жидкость как физическое тело состоит из отдельных молекул, но молекулы очень малы при изучении жидкости и поэтому при ее изучении (в выше перечисленных дисциплинах) ее рассматривают как сплошную непрерывную среду. Виды жидкостей 1. Капельные – малосжимаемые (вода, нефть, керосин и т. д. ) Капельные жидкости всегда заполняют предоставленный им объем образуя ограниченную (свободную) поверхность (грунтовые и напорные воды, воды в русле реки), капельные жидкости обладают капиллярными свойствами.

2. Газообразные жидкости Занимают все предоставленное им пространство, не имеют свободной поверхности и значительно изменяют свой объем и форму, сжимаясь и расширяясь под действием внешних сил. Газообразные жидкости в гидравлики и гидрометрии не рассматриваются. Для возможности применения математических решений при изучении жидкости вводится понятие идеальные и реальные жидкости Идеальные – невязкие жидкости обладающие абсолютной подвижностью, абсолютной неизменностью в объеме под действием внешних сил. В природе таких жидкостей не существует, они являются моделями реальных жидкостей Реальные - вязкие жидкости обладающие сжимаемостью, вязкостью и т. д.

Свойства жидкостей 1. Плотность (р) – количество массы, содержащееся в единице объема, г/ дм 3 р = m/w 2. Сжимаемость. Под влиянием давления объем жидкости уменьшается. Сжимаемость характеризуется коэффициентом объемного сжатия BW BW = - 1/W x d. W/d. P Знак минус показывает, что приращению давления соответствует уменьшение объема жидкости. В гидравлике BW в расчетах принимают равным 4. 9 х 10 -10 кв. м/Н Модуль упругости воды – величина, обратная коэффициенту объемного сжатия Е = 1/ВW 3. Температурное расширение. Жидкие тела при колебании температуры изменяют свой объем и плотность. Характеризуется коэффициентов температурного расширения Вt BW = 1/W x d. W/dt

4. Вязкость жидкости – это свойство воды оказывающее сопротивление передвижению ее частиц и характеризующее степень ее текучести и подвижности. Характеризуется 1) Силой внутреннего трения Т = -м. F dv/dу Знак минус показывает, что трение задерживает движение Т – сила внутреннего трения м - динамический коэффициент вязкости м = Т dу/ F dv [ Н с/ см 2, Па с] F – площадь трения, м 2 dv/dу – градиент скорости (изменение скорости) 2) Кинематическим коэффициентом вязкости v = м/p [ м 2/с] р – плотность [ г/см 3]

5. Капиллярность – это свойство жидкости изменять положение ее поверхности, вызванное натяжением и силой взаимодействия между нею и стенками трубок или мелкими порами грунта. В гидрогеологии выделяют капиллярные воды: • Капиллярно-подвешенные • Стыковые • Воды капиллярной каймы

Капиллярно-подвешенные воды Формирование этих вод происходит в тех случаях, когда радиусы кривизны верхнего и нижнего менисков у столбиков воды неравны другу Схематически это можно представить следующим образом На столбик воды находящимся в капилляре действуют следующие силы: 1. Поверхностное натяжение верхнего мениска (направлено вниз) Р 1= Р 0 – 2 (а / R 1) (1) 2. Поверхностное натяжение нижнего мениска (направлено вверх) Р 2= Р 0 – 2 (а / R 2) (2) 3. Гидростатическое давление столбика в капилляре Q=h. F P 0 – величина поверхностного натяжения при плоской ее поверхности Р 1 – величина поверхностного давления жидкости при существующей кривизне верхнего мениска Р 2 - величина поверхностного давления жидкости при существующей кривизне нижнего мениска а – величина поверхностного натяжения воды ( 72, 8 дн/см)

радиусы кривизны нижнего и верхнего менисков h - высота столбика в капилляре F - объемный вес воды R 1 и R 2 – Уравнения 1 и 2 показывают, что поверхностные давления вогнутых менисков меньше поверхностного давления жидкости, имеющей плоскую поверхность, на величину 2 (а / R 1) и 2 (а / R 2), эти величины называется капиллярным давлением, у верхнего мениска оно направлено вверх, а у нижнего – вниз. Так как столбик подвешенной воды в капилляре находится в равновесии, то силы, действующие на него, взаимно уравновешиваются Р 1 + Q = Р 2 Подставляя значения Р 1, Р 2, Q H = 2 a/F (1/R 1 – 1/R 2) R 1 менее R 2 столбик воды находится в равновесии R 1 = R 2 капиллярно-подвешенной воды не образуется

Стыковые воды (водные манжеты) Образуются в углах пор под действием менисковых сил Воды капиллярной каймы Образуются в водоносном горизонте непосредственно над зеркалом грунтовых вод. Их образование происходит в результате отрицательного капиллярного давления вогнутых менисков, возникающих в порах грунта на границе раздела грунтовая вода – воздух. Высота капиллярного поднятия Hk = 30/d d – диаметр частиц грунта, мм Высота капиллярного поднятия зависит от размеров капиллярных пор: чем меньше поры, тем выше высота капиллярного поднятия

Зависимость высота капиллярного поднятия различных типов грунтов Наименование грунтов Песок Супесь Суглинок Глина Высота капиллярного поднятия, см 2 -70 70 -120 20 -150 150 -300

Ламинарное и турбулентное движение 1. Ламинарное (параллельноструйчатое) 2. Турбулентное (более 1000 м 3/сут или 1. 15 см/с)

Число Рейнольца Re = u d / v u – средняя скорость движения воды d – диаметр трубки по которой движется вода v – кинематический коэффициент вязкости v=m/p m- вязкость воды p- плотность воды

Re >2300 - турбулентное движение Re< 2300 - ламинарное движение Формула академика Павловского Re= (1/ 0. 75 n+0. 23) (Vкр de/ v) Vкр = (0, 75 n+0. 23) (Re m / dep) для пресных вод при t = 100 C v = 1 Vкр = 0, 002(0, 75 n+0. 23) (Re / de)

Критическая скорость фильтрации обратно пропорциональна действующему диаметру зерен. Опытными работами установлена зависимость критической скорости от диаметра зерен de = 0. 57 мм de = 0. 90 мм de = 1. 35 мм Vкр = 890 м/сут Vкр = 527 м/сут Vкр = 302 м/сут