Гидротехника как раздел гражданского строительства занимается потоком и транспортировкой жидкостей , в основном воды и сточных вод. Одной из особенностей этих систем является широкое использование гравитации в качестве движущей силы, вызывающей движение жидкостей. Эта область гражданского строительства тесно связана с проектированием мостов , плотин , каналов , каналов и дамб , а также с санитарной и экологической инженерией .
Гидротехника — это применение принципов механики жидкости к проблемам, связанным со сбором, хранением, контролем, транспортировкой, регулированием, измерением и использованием воды. [1] Прежде чем приступить к гидротехническому проекту, необходимо выяснить, сколько воды задействовано. Инженер-гидротехник занимается переносом наносов рекой, взаимодействием воды с ее аллювиальной границей, а также возникновением размывов и отложений. [1] «Инженер-гидротехник фактически разрабатывает концептуальные проекты для различных объектов, которые взаимодействуют с водой, таких как водосбросы и водовыпускные сооружения для плотин, водопропускные трубы для автомагистралей, каналы и соответствующие конструкции для ирригационных проектов, а также сооружения для охлаждающей воды для тепловых электростанций . " [2]
Несколько примеров фундаментальных принципов гидротехники включают механику жидкости , поток жидкости , поведение реальных жидкостей, гидрологию , трубопроводы, гидравлику открытых каналов, механику переноса наносов , физическое моделирование, гидравлические машины и дренажную гидравлику.
Основы гидротехники определяют гидростатику как исследование покоящихся жидкостей. [1] В жидкости, находящейся в состоянии покоя, существует сила, известная как давление, которая действует на окружающую жидкость. Это давление, измеряемое в Н/м 2 , не является постоянным во всей жидкости. Давление p в данном объеме жидкости увеличивается с увеличением глубины. При этом на основание действует направленная вверх сила, действующая на тело, и ее можно найти по уравнению:
где,
Перестановка этого уравнения дает вам напор . Четыре основных прибора для измерения давления — это пьезометр , манометр , дифференциальный манометр, манометр Бурдона , а также наклонный манометр. [1]
Как утверждает Прасун:
Основное различие между идеальной жидкостью и реальной жидкостью состоит в том, что для идеального потока p 1 = p 2 и для реального потока p 1 > p 2 . Идеальная жидкость несжимаема и не имеет вязкости. Реальная жидкость имеет вязкость. Идеальная жидкость — это всего лишь воображаемая жидкость, поскольку все существующие жидкости обладают некоторой вязкостью.
Вязкая жидкость будет непрерывно деформироваться под действием поперечной силы по закону Паскла, тогда как идеальная жидкость не деформируется.
Различные воздействия возмущения на вязкое течение бывают устойчивыми, переходными и неустойчивыми.
Для идеальной жидкости уравнение Бернулли справедливо вдоль линий тока.
Когда поток соприкасается с пластиной, слой жидкости фактически «прилипает» к твердой поверхности. При этом между слоем жидкости на поверхности пластины и вторым слоем жидкости возникает значительное сдвиговое действие. Поэтому второй слой вынужден замедляться (хотя он и не останавливается полностью), создавая сдвиговое действие с третьим слоем жидкости и так далее. По мере того, как жидкость проходит дальше вместе с пластиной, зона, в которой происходит сдвиговое действие, имеет тенденцию расширяться дальше наружу. Эта зона известна как «пограничный слой». Поток за пределами пограничного слоя свободен от сил сдвига и вязкости, поэтому предполагается, что он действует как идеальная жидкость. Силы межмолекулярного сцепления в жидкости недостаточно велики, чтобы удерживать жидкость вместе. Следовательно, жидкость будет течь под действием малейшего напряжения и течь будет продолжаться до тех пор, пока присутствует напряжение. [3] Течение внутри слоя может быть порочным или турбулентным, в зависимости от числа Рейнольдса. [1]
Общие темы проектирования для инженеров-гидротехников включают гидротехнические сооружения, такие как плотины , дамбы , сети распределения воды, включая как бытовое, так и противопожарное водоснабжение, распределительные и автоматические спринклерные системы, сети сбора воды, сети сбора сточных вод, управление ливневыми водами , транспортировку наносов и различные другие темы, связанные с транспортной инженерией и геотехнической инженерией . Уравнения, разработанные на основе принципов гидродинамики и гидромеханики, широко используются в других инженерных дисциплинах, таких как механика, авиация и даже инженеры-дорожники.
Связанные отрасли включают гидрологию и реологию , а связанные приложения включают гидравлическое моделирование, картографирование наводнений, планы управления паводками на водосборных бассейнах, планы управления береговой линией, стратегии эстуариев, защиту прибрежных зон и смягчение последствий наводнений.
Самое раннее использование гидротехники было для орошения сельскохозяйственных культур и восходит к Ближнему Востоку и Африке . Контроль движения и подачи воды для выращивания продуктов питания использовался на протяжении многих тысяч лет. Одна из самых ранних гидравлических машин, водяные часы, использовались еще в начале 2-го тысячелетия до нашей эры. [4] Другие ранние примеры использования гравитации для перемещения воды включают систему Канат в древней Персии и очень похожую водную систему Турфан в древнем Китае, а также ирригационные каналы в Перу. [5]
В древнем Китае гидротехника была высоко развита, и инженеры строили массивные каналы с дамбами и плотинами для направления потока воды на орошение, а также шлюзы для прохода кораблей. Суньшу Ао считается первым китайским инженером-гидротехником. Еще одному важному инженеру-гидротехнику в Китае, Симэнь Бао, приписывают начало практики крупномасштабного орошения каналов в период Воюющих царств (481–221 гг. До н.э.), даже сегодня инженеры-гидротехники остаются респектабельной должностью в Китае. Прежде чем стать генеральным секретарем Коммунистической партии Китая в 2002 году, Ху Цзиньтао был инженером-гидротехником и получил инженерное образование в Университете Цинхуа.
В архаическую эпоху на Филиппинах гидротехника также специально развивалась на острове Лусон , ифугао горного региона Кордильер построили ирригационные системы, плотины и гидротехнические сооружения, а также знаменитые рисовые террасы Банауэ , чтобы помочь в выращивании сельскохозяйственных культур вокруг. 1000 г. до н.э. [6] Эти рисовые террасы представляют собой террасы возрастом 2000 лет , которые были высечены в горах Ифугао на Филиппинах предками коренных жителей . Рисовые террасы часто называют « восьмым чудом света ». [7] [8] [9] Принято считать, что террасы были построены с минимальным оборудованием, в основном вручную. Террасы расположены примерно на высоте 1500 метров (5000 футов) над уровнем моря. Они питаются древней ирригационной системой из тропических лесов над террасами. Говорят, что если бы ступени поставить встык, то они опоясали бы половину земного шара. [10]
Эупалинос из Мегары — древнегреческий инженер , построивший Туннель Эупалинос на Самосе в VI веке до нашей эры, что стало важным достижением как гражданского, так и гидротехнического строительства. Гражданско-строительный аспект этого туннеля заключался в том, что он был вырыт с обоих концов, что требовало от экскаваторов поддерживать точную траекторию, чтобы два туннеля сходились, и чтобы все усилия сохраняли достаточный уклон, позволяющий воде течь.
Гидротехника получила широкое развитие в Европе под эгидой Римской империи , где она особенно применялась при строительстве и обслуживании акведуков для подачи воды в города и удаления сточных вод из них. [3] Помимо удовлетворения потребностей своих граждан, они использовали методы гидравлической добычи для разведки и добычи россыпных месторождений золота с помощью метода, известного как глушение , и применяли эти методы к другим рудам, таким как олово и свинец .
В 15 веке Сомалийская Аджурская империя была единственной гидравлической империей в Африке. Будучи гидравлической империей, Аджуранское государство монополизировало водные ресурсы рек Джубба и Шебелле . С помощью гидротехники он также построил множество известняковых колодцев и цистерн штата, которые до сих пор действуют и используются. Правители разработали новые системы сельского хозяйства и налогообложения , которые продолжали использоваться в некоторых частях Африканского Рога даже в 19 веке. [11]
Дальнейшие достижения в области гидротехники произошли в мусульманском мире между 8 и 16 веками, во время так называемого Золотого века ислама . Особое значение имел « технологический комплекс управления водными ресурсами », который был центральным элементом Исламской зеленой революции и, [12] в более широком смысле, предварительным условием для появления современных технологий. [13] Различные компоненты этого «инструментария» были разработаны в разных частях афро -евразийского континента, как внутри исламского мира, так и за его пределами. Однако именно в средневековых исламских странах технологический комплекс был собран и стандартизирован, а затем распространился на остальную часть Старого Света. [14] Под властью единого Исламского Халифата различные региональные гидравлические технологии были объединены в «идентифицируемый технологический комплекс управления водными ресурсами , который должен был иметь глобальное влияние». Различные компоненты этого комплекса включали каналы , плотины , систему канатов из Персии, региональные водоподъемные устройства, такие как нория , шадуф и винтовой насос из Египта , а также ветряную мельницу из исламского Афганистана . [14] Другие оригинальные исламские разработки включали сакию с эффектом маховика из исламской Испании, [15] возвратно -поступательный всасывающий насос [16] [17] [18] и коленчатый вал - шатунный механизм из Ирака , [19] [20 ] приводная и гидроприводная система водоснабжения из Сирии [21] и методы очистки воды исламских химиков . [22]
Во многом основы гидротехники не изменились с древнейших времен. Жидкости по-прежнему перемещаются по большей части под действием силы тяжести через системы каналов и акведуков, хотя резервуары теперь можно наполнять с помощью насосов. Потребность в воде неуклонно возрастала с древних времен, и роль инженера-гидротехника в ее обеспечении является решающей. Например, без усилий таких людей, как Уильям Малхолланд, район Лос-Анджелеса не смог бы развиваться так, как сейчас, потому что здесь просто не хватает местной воды для поддержания своего населения. То же самое справедливо и для многих крупнейших городов мира. Точно так же центральная долина Калифорнии не могла бы стать таким важным сельскохозяйственным регионом без эффективного управления водными ресурсами и их распределения для орошения. В некоторой степени параллельно тому, что произошло в Калифорнии, создание Управления долины Теннесси (TVA) принесло Югу работу и процветание за счет строительства плотин для производства дешевой электроэнергии и борьбы с наводнениями в регионе, сделав реки судоходными и в целом модернизировав жизнь в область.
Леонардо да Винчи (1452–1519) проводил эксперименты, исследовал и размышлял о волнах и струях, вихрях и обтекании. Исаак Ньютон (1642–1727), сформулировав законы движения и свой закон вязкости, помимо развития математического анализа, проложил путь ко многим великим достижениям в механике жидкости. Используя законы движения Ньютона, многие математики 18-го века решили множество задач о потоке без трения (нулевой вязкости). Однако в большинстве течений преобладают вязкие эффекты, поэтому инженеры 17 и 18 веков сочли решения невязкого течения непригодными и путем экспериментов разработали эмпирические уравнения, положив тем самым начало науке гидравлики. [3]
В конце XIX века была признана важность безразмерных чисел и их связи с турбулентностью, и родился анализ размерностей. В 1904 году Людвиг Прандтль опубликовал ключевую статью, в которой предложил разделить поля течения маловязких жидкостей на две зоны, а именно: тонкий пограничный слой с преобладающей вязкостью вблизи твердых поверхностей и эффективно невязкую внешнюю зону вдали от границ. Эта концепция объяснила многие прежние парадоксы и позволила последующим инженерам анализировать гораздо более сложные потоки. Однако у нас до сих пор нет полной теории природы турбулентности, и поэтому современная механика жидкости продолжает представлять собой комбинацию экспериментальных результатов и теории. [23]
Современный инженер-гидравлик использует те же инструменты компьютерного проектирования (САПР), что и многие другие инженерные дисциплины, а также использует такие технологии, как вычислительная гидродинамика, для выполнения расчетов для точного прогнозирования характеристик потока, GPS- картирование для помощи в определении местоположения. лучшие пути установки системы и лазерные геодезические инструменты, которые помогут в фактическом построении системы.
{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка )