Историческая справка о развитии гидравлики

К о н с п е к т л е к ц и й

по курсу

“Гидрогазодинамика”

Часть I. Гидравлика и газодинамика

для студентов, обучающихся по учебному плану бакалавров
специальности 6.092501, заочной формы обучения

Утверждено

Методсоветом ОНАПТ

протокол №3 от 25 ноября 2005 года

Одесса ОНАПТ 2005

Конспект лекций по курсу “Гидрогазодинамика” для бакалавров специальности 7.092501 заочной формы обучения. Часть I. Гидравлика и газодинамика / Составитель Н.Д. Захаров - Одесса: ОНАПТ, 2005. - 71 с.

Составитель: Н.Д. Захаров, д-р.техн.наук, профессор

Ответственный за выпуск заведующий кафедрой теплохладотехники

Н.Д. Захаров, д-р техн. наук, профессор

Подписано к печати __________ 200 __ г. Формат 1/16

Объём _______. Зак. № ________. Тираж ________. Экз. _______

ОПК Евротайс, Палубный пер. 9/4, тел. 714-91-70

ВВЕДЕНИЕ

Гидравлика – это наука о законах равновесия (гидростатика) и движения (гидродинамика) жидкости, а также вытекающих из них практических след-ствиях и инженерных приложениях.

Методологический подход к изучению гидравлических явлений базиру-ется на известном познавательном принципе – от живого созерцания к абстрактному мышлению и от него к практике. Этот подход обычно включает:

– выделение наиболее существенных особенностей явления;

– составление математической модели и получение аналитического или численного решения;

– экспериментальную проверку результатов.

В ряде случаев, когда строгий теоретический анализ явления наталки-вается на непреодолимые математические или вычислительные трудности, как, например, при рассмотрении турбулентного движения жидкости, прибегают к чисто экспериментальным методам исследования, а результаты представляют в виде эмпирических корреляций.

Гидравлику относят к числу дисциплин, формирующих широкий инженерный кругозор специалистов.

Выделившись из фундаментальных наук (физики и математики), она вместе с другими предметами составляет научную основу таких прикладных дисциплин, изучаемых студентами технологических вузов пищевого профиля, как теплотехника, процессы и аппараты, вентиляционные установки, пневмотранспорт, технологическое оборудование, автоматизация технологи-
ческих процессов и др.

Знание теоретических и прикладных разделов гидравлики необходимо выпускникам ОНАПТ в их практической деятельности – при проектировании и эксплуатации систем водоснабжения и отопления, насосов, гидроприводов, гидравлических прессов, моечных машин, дозаторов жидкости и другого технологического оборудования.

Историческая справка о развитии гидравлики

Потребность в осмыслении и практическом использовании гидравличе-ских явлений возникла в глубокой древности в связи с гидротехническими работами, проводившимися в Египте, Вавилоне, Месопотамии, Средней Азии, Китае и других регионах. Как система знаний, оперирующая определенными обобщениями и численными соотношениями, гидравлика зародилась в Греции более 2200 лет назад благодаря трудам Архимеда (287-212 г.г. до н.э.), оставившего потомкам десятки рукописей, в том числе фундаментальный трактат по гидростатике и теории плавания тел.

Обширное гидротехническое строительство в Древнем Риме (акведуки, каналы, фонтаны, термы) стимулировало появление кинематики жидкости.

У ее истоков стоял Фронтин (40-103 г.г. н.э.), первым осознавший свойство непрерывности потока.

Бурное развитие и окончательное оформление гидравлики в самосто-ятельное научное направление относится к эпохе Ренессанса. Неоценимый вклад в механику жидкости внес Леонардо да Винчи (1452-1519), обладавший гениальными способностями и обширными знаниями практически во всех областях человеческой деятельности. Его творческое наследие включает работы по теоретическому и экспериментальному исследованию гидравличе-ских машин, летательных и подводных аппаратов, процессов вихреобра-зования, отражения и интерференции волн, истечения через отверстия и водосливы и др.

Нидерландскому математику Симону Стивену (1548-1620) принадлежит решение задачи о гидростатическом давлении жидкости на плоские фигуры. Он же дал объяснение так называемому гидростатическому парадоксу.

Галилео Галилей (1564-1642) заложил основы гидродинамики жидкости. В частности, он установил, что гидравлическое сопротивление возрастает с увеличением скорости и плотности среды. Роль Галилея в развитии науки высоко оценена Эйнштейном, которому принадлежат слова: “Попытки про-читать великую повесть о тайнах природы так же стары, как и само чело-веческое мышление. Однако, лишь немногим более трех столетий назад ученые начали понимать язык этой повести. С этого времени, т.е. со времени Галилея и Ньютона, чтение продвигалось быстро”.

Семнадцатый век отмечен работами Торричелли (1608-1647) по исте-чению жидкости из отверстий, французского математика и физика Блеза Паскаля (1623-1662) по свойствам гидростатического давления и сообща-ющимся сосудам, великого англичанина Исаака Ньютона (1643-1727) по внутреннему трению в жидкости, сжатию струи при истечении и относи-тельному покою жидкости во вращающемся сосуде.

Из блестящей плеяды ученых восемнадцатого века следует особо выде-лить Даниила Бернулли (1700-1782) и Леонарда Эйлера (1707-1783), разра-ботавших теоретические основы и аналитический аппарат современной механики жидкости.

Бернулли, голландец по происхождению, с 1725 по 1733 г.г. жил в России и являлся почетным членом Петербургской Академии наук. Здесь он написал свой знаменитый труд “Гидродинамика”, в котором исследовал вопросы равновесия жидкости, неустановившегося движения, истечения из отверстий при постоянном напоре, сохранения энергии потока идеальной жидкости (уравнение Бернулли), поведения жидкости в движущихся сосудах, работы гидравлических машин. Главной заслугой Бернулли является научное обоснование законов движения жидкости.

Эйлер, близкий друг Бернулли, прибыл в 1727 г. из Базеля в Петербург, где провел более 30 лет. Он придал безупречную математическую форму
трудам предшественников, вывел фундаментальные дифференциальные уравнения равновесия и движения жидкости, получившие его имя, внес существенный вклад в теорию насосов и получил решения целого ряда других гидромеханических задач. Эйлера можно считать основоположником направления, называемого теоретической механикой жидкости. За научные заслуги он был избран членом Петербургской и Парижской академий наук и Лондонского Королевского общества.

Работы Эйлера продолжил Лагранж (1736-1813), занявший в 1766 г. пост президента Берлинской Академии наук. В изданных в 1781 г. “Научных записках по теории движения жидкостей” он подробно рассмотрел два аналитических метода исследования течения, которым впоследствии были присвоены имена Эйлера и Лагранжа, и ввёл в гидравлику понятия потенциала скорости и функции тока.

Параллельно с теоретической механикой жидкости продолжала разви-ваться техническая (прикладная) механика, базирующаяся на широком испо-льзовании экспериментальных данных. Особых успехов в этом направлении достигла французская школа, представленная Анри Пито (1695-1771), изо-бретателя трубки для измерения локальных скоростей потока, Антуаном Шези (1718-1798), который исследовал безнапорное течение жидкости, Жаном Борда (1733-1799), изучавшим истечение жидкостей из отверстий и потери напора на местных сопротивлениях.

В Италии исследованием насадок и вихревого движения активно зани-мался Джованни Вентури (1746-1822), в честь которого назван изобретенный американцем Гершелем струйный расходомер жидкости.

Глубокий след в истории технической механики жидкости оставил вели-кий русский ученый М.В. Ломоносов (1711-1765). В работе “Первые основы металлургии или рудных дел” (1754) изложены закономерности и рассмотрены оригинальные инженерные приложения гидравлики, в т.ч. применительно к расчету гидравлических лотков.

Девятнадцатый век отмечен быстрым прогрессом в дальнейшем накоп-лении, систематизации и обобщении экспериментальных данных и разработке наиболее сложных теоретических проблем гидравлики.

Готтхильф Хаген (1797-1884), немецкий инженер-гидротехник, первым обнаружил существование ламинарного и турбулентного режимов движения жидкости и опубликовал результаты качественного исследования их взаимных переходов. Эти работы были продолжены английским физиком, членом Лондонского Королевского общества Осборном Рейнольдсом (1842-1912), который установил критическое значение названного его именем критерия подобия, соответствующего указанным переходам, завершил разработку мо-дели турбулентного движения, начатую французским профессором Жозефом Буссинеском (1842-1929), и впервые продемонстрировал и объяснил явление кавитации.

Жан Пуазейль (1799-1869), французский врач, изучая движение крови в венах, в 1840 г экспериментально нашел носящую его имя зависимость для потерь напора при ламинарном движении жидкости в каналах (теоретически она выведена почти на двадцать лет позже независимо Нейманом и Гоген-бахом).

Французский инженер Анри Дарси (1805-1858) выполнил обширное исследование движения воды в гладких и шероховатых трубах и получил расчетное соотношение для потерь напора в первых из них (в физических переменных). Современную форму этому выражению придал саксонец Юлиус Вейсбах (1806-1871).

Профессор механики Парижской Политехнической школы Луи Навье (1785-1836) распространил уравнение Эйлера на случай движения вязкой жидкости. Джордж Стокс (1819-1903), профессор Кембриджского универси-тета, председатель Лондонского Королевского Общества, в честь которого была названа единица кинематической вязкости, представил это уравнение в современном виде.

Крупные достижения принадлежат российской гидравлической школе, возникшей в 30-х годах XIX столетия в стенах Петербургского института инженеров путей сообщения и длительное время возглавлявшейся почетным членом Петербургской Академии наук, проф. Мельниковым П.П. (1804-1880), автором первого в России труда “Основания практической гидравлики” (1836). Известный ученый и инженер Петров Н. П. (1836-1920) обосновал гипотезу Ньютона о пропорциональности напряжения трения в жидкости первой степени градиента скорости и впервые сформулировал законы трения в механизмах при наличии смазки. Ряд основополагающих работ по механике жидкости выполнил проф. Жуковский Н.Е. (1847-1921), член-корреспондент Петербургс-кой Академии наук. Среди них теория гидравлического удара в трубах, теоремы о подъемной силе и тяговом усилии, действующем на цилиндр в поле безвихревого течения. Крупный гидротехник Громека И.С. (1851-1889) за свою короткую жизнь успел создать теорию капиллярных процессов, дал общее доказательство теоремы о плавании твердых тел на границе двух жидкостей, предложил основы теории винтовых потоков и потоков с поперечной циркуляцией, внес существенный вклад в исследование неустановившегося движения жидкости.

Двадцатый век характеризуется резким увеличением объема исследова-ний в области механики жидкости и появлением целого ряда самостоятельных направлений в гидравлике, связанных с ирригацией, гидромашиностроением, гидротехническим строительством, судостроением и т.д. Из большой группы выдающихся ученых назовем лишь Людвига Прандтля (1875-1953), профессора Гетингенского университета, создавшего полуэмпирическую теорию турбулентности и теорию пограничного слоя, Пауля Блазиуса, решившего аналитически задачу о распределении скоростей в ламинарном пограничном слое и установившего, что для гладких труб коэффициент сопротивления зависит только от числа Рейнольдса, академика М.В. Кирпичева (1879-1955), активно работавшего в области моделирования гидравлических явлений, члена-корреспондента АН СССР М.А. Великанова (1879-1964), крупнейшего специалиста по насосам и русловым деформациям, Б.А. Бахметева (1880-1951), профессора ЛПИ, решившего в общем виде задачу неравномерного движения жидкости в призматических руслах, академика Н.Н.Павловского (1886-1937), создателя теории фильтрации воды в грунтах и метода электрического моделирования гидравлических процессов (ЭГДА), автора первого в стране справочника по гидравлике.

Таким образом, трудами блестящих физиков, математиков и инженеров к настоящему времени в основном завершено формирование важнейшей науки – технической механики жидкости. Особо нужно отметить, что значительный вклад в ее развитие внесла отечественная школа ученых-гидравликов.