Гидротехника как поддисциплина гражданского строительства занимается потоком и транспортировкой жидкостей , в основном воды и сточных вод. Одной из особенностей этих систем является широкое использование силы тяжести 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] Перед началом проекта по гидротехнике необходимо выяснить, сколько воды задействовано. Инженер-гидравлик занимается транспортировкой осадка рекой, взаимодействием воды с ее аллювиальной границей и возникновением размыва и осаждения. [1] «Инженер-гидравлик фактически разрабатывает концептуальные проекты для различных объектов, которые взаимодействуют с водой, таких как водосбросы и водовыпуски для плотин, водопропускные трубы для автомагистралей, каналы и связанные с ними сооружения 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 гидравлику дренажа.
Основы гидравлической инженерии определяют гидростатику как изучение жидкостей в состоянии покоя. [1] В жидкости в состоянии покоя существует сила, известная как давление, которая действует на окружающую среду жидкости. Это давление, измеряемое в Н/м 2 , не является постоянным во всем объеме жидкости. Давление, p, в данном объеме жидкости увеличивается с увеличением глубины. Где направленная вверх сила на тело действует на основание и может быть найдена с помощью уравнения:
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:
Главное различие между идеальной и реальной жидкостью заключается в том, что для идеального потока p 1 = p 2 , а 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 имеют некоторую вязкость.
Вязкая жидкость будет непрерывно деформироваться под действием сдвигающей силы по закону Паскуэля, тогда как идеальная жидкость не деформируется.
Различные эффекты возмущения вязкого течения — устойчивое, переходное и неустойчивое.
Для идеальной жидкости уравнение Бернулли справедливо вдоль линий тока.
Когда поток вступает в контакт с пластиной, слой жидкости фактически «прилипает» к твердой поверхности. Затем возникает значительное сдвиговое действие между слоем жидкости на поверхности пластины и вторым слоем жидкости. Поэтому второй слой вынужден замедляться (хотя он не совсем останавливается), создавая сдвиговое действие с третьим слоем жидкости и т. д. По мере того, как жидкость проходит дальше вдоль пластины, зона, в которой происходит сдвиговое действие, имеет тенденцию распространяться дальше наружу. Эта зона известна как «пограничный слой». Поток за пределами пограничного слоя свободен от сдвиговых и вязких сил, поэтому предполагается, что он действует как идеальная жидкость. Межмолекулярные силы сцепления в жидкости недостаточно велики, чтобы удерживать жидкость вместе. Следовательно, жидкость будет течь под действием малейшего напряжения, и поток будет продолжаться до тех пор, пока присутствует напряжение. [3] Поток внутри слоя может быть либо порочным, либо турбулентным, в зависимости от числа Рейнольдса. [1]
Общие темы проектирования для инженеров-гидравликов включают в себя гидравлические 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 , транспортировка осадков и различные другие темы, связанные с транспортной инженерией и геотехнической инженерией . Уравнения, разработанные на основе принципов гидродинамики и механики жидкости, широко используются другими инженерными дисциплинами, такими как инженеры-механики, авиационные и даже транспортные инженеры.
Смежные отрасли включают гидрологию и реологию, а смежные приложения включают гидравлическое моделирование, картирование наводнений, планы управления наводнениями на водосборных территориях, планы управления береговой линией, стратегии управления устьями рек, защиту побережья и ликвидацию последствий наводнений.
Самые ранние применения гидротехники были для орошения сельскохозяйственных культур и восходят к Ближнему Востоку и Африке . Управление движением и подачей воды для выращивания продуктов питания использовалось на протяжении многих тысяч лет. Одна из самых ранних гидравлических машин, водяные часы , использовалась в начале 2-го тысячелетия до нашей эры. [4] Другие ранние примеры использования гравитации для перемещения воды включают систему Qanat в древней Персии и очень похожую систему Turpan water system в древнем Китае, а также оросительные каналы в Перу. [5]
В Древнем Китае гидротехника была высокоразвита, и инженеры построили огромные каналы с дамбами и плотинами, чтобы направлять поток воды для орошения, а также шлюзы, чтобы пропускать корабли. Суньшу Ао считается первым китайским инженером-гидротехником. Другому важному инженеру-гидротехнику в Китае, Симэнь Бао, приписывают начало практики крупномасштабного орошения с помощью каналов в период Воюющих царств (481 г. до н.э.–221 г. до н.э.), даже сегодня инженеры-гидротехники остаются уважаемой должностью в Китае.
В архаическую эпоху Филиппин , гидротехника также развивалась особенно на острове Лусон , ифугао горного региона Кордильер построили ирригационные сооружения, плотины и гидротехнические сооружения и знаменитые рисовые террасы Банауэ как способ помочь в выращивании урожая около 1000 г. до н.э. [6] Эти рисовые террасы - это 2000-летние террасы , которые были вырезаны в горах Ифугао на Филиппинах предками коренных народов . Рисовые террасы обычно называют « Восьмым чудом света ». [7] [8] [9] Обычно считается, что террасы были построены с минимальным оборудованием, в основном вручную. Террасы расположены примерно в 1500 метрах (5000 футов) над уровнем моря. Они питаются древней ирригационной системой из тропических лесов над террасами. Говорят, что если бы ступени были поставлены в ряд, они бы опоясали половину земного шара. [10]
Эвпалинос Мегарский был древнегреческим инженером , который построил Эвпалиносский туннель на Самосе в VI веке до н. э., важный подвиг как гражданского, так и гидравлического строительства. Гражданский аспект этого туннеля заключался в том, что он был вырыт с обоих концов, что требовало от землекопов поддержания точного пути, чтобы два туннеля встретились, и чтобы все усилия поддерживали достаточный уклон, позволяющий воде течь.
Гидротехника была высоко развита в Европе под эгидой Римской империи , где она особенно применялась для строительства и обслуживания акведуков для подачи воды в города и удаления сточных вод из них. [3] Помимо удовлетворения потребностей своих граждан, они использовали гидравлические методы добычи для разведки и добычи россыпных месторождений золота с помощью техники, известной как шухинг , и применяли эти методы к другим рудам, таким как оловянная и свинцовая .
В 15 веке Сомалийская Аджурская империя была единственной гидравлической империей в Африке. Будучи гидравлической империей, Аджурское государство монополизировало водные ресурсы рек Джубба и Шебелле . С помощью гидротехники оно также построило множество известняковых колодцев и цистерн государства, которые все еще действуют и используются сегодня. Правители разработали новые системы для сельского хозяйства и налогообложения , которые продолжали использоваться в некоторых частях Африканского Рога вплоть до 19 века. [11]
Дальнейшие достижения в области гидротехники произошли в мусульманском мире между VIII и XVI веками, во время так называемого исламского золотого века . Особое значение имел « технологический комплекс управления водными ресурсами », который был центральным для исламской зеленой революции . [12] Различные компоненты этого «инструментария» были разработаны в разных частях афро -евразийского континента, как внутри, так и за пределами исламского мира. Однако именно в средневековых исламских землях технологический комплекс был собран и стандартизирован, а затем распространен на остальную часть Старого Света. [13] Под властью единого исламского халифата различные региональные гидравлические технологии были собраны в «идентифицируемый технологический комплекс управления водными ресурсами , который должен был иметь глобальное влияние». Различные компоненты этого комплекса включали каналы , плотины , систему кяризов из Персии, региональные водоподъемные устройства, такие как нория , шадуф и винтовой насос из Египта , и ветряную мельницу из исламского Афганистана . [13] Другие оригинальные исламские разработки включали сакию с маховиковым эффектом из исламской Испании, [14] возвратно-поступательный всасывающий насос [ 15 ] [16] [17] и кривошипно - шатунный механизм из Ирака , [18] [19] а также зубчатую и гидроприводную систему водоснабжения из Сирии . [20]
Во многих отношениях основы гидротехники не изменились с древних времен. Жидкости по-прежнему перемещаются в основном под действием силы тяжести через системы каналов и акведуков, хотя резервуары для хранения теперь могут заполняться с помощью насосов. Потребность в воде неуклонно росла с древних времен, и роль инженера-гидравлика является критической в ее поставках. Например, без усилий таких людей, как Уильям Малхолланд, район Лос-Анджелеса не смог бы расти так, как он растет, потому что у него просто нет достаточного количества местной воды для обеспечения населения. То же самое относится ко многим крупнейшим городам нашего мира. Во многом таким же образом 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 работу и процветание на Юг, построив плотины для выработки дешевой электроэнергии и контроля наводнений в регионе, сделав реки судоходными и в целом модернизировав жизнь в регионе.
Леонардо да Винчи (1452–1519) проводил эксперименты, исследовал и размышлял о волнах и струях, водоворотах и обтекании. Исаак Ньютон (1642–1727), сформулировав законы движения и свой закон вязкости, в дополнение к разработке исчисления, проложил путь для многих великих достижений в механике жидкостей. Используя законы движения Ньютона, многочисленные математики 18-го века решили множество проблем с потоками без трения (с нулевой вязкостью). Однако большинство потоков определяются вязкими эффектами, поэтому инженеры 17-го и 18-го веков обнаружили, что решения для невязкого потока непригодны, и путем экспериментов разработали эмпирические уравнения, тем самым создав науку гидравлики. [3]
В конце 19 века была признана важность безразмерных чисел и их связь с турбулентностью, и родился размерный анализ. В 1904 году Людвиг Прандтль опубликовал ключевую работу, в которой предложил разделить поля течения жидкостей с низкой вязкостью на две зоны, а именно тонкий пограничный слой с преобладанием вязкости вблизи твердых поверхностей и фактически 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 оставаться комбинацией экспериментальных результатов и теории. [21]
Современный инженер-гидравлик использует те же виды инструментов автоматизированного проектирования (САПР), что и многие другие инженерные дисциплины, а также использует такие технологии, как вычислительная гидродинамика, для выполнения расчетов с целью точного прогнозирования характеристик потока, GPS -картографирование для помощи в определении наилучших путей установки системы и лазерные геодезические инструменты для содействия фактическому строительству системы.
{{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title (link)