Введение

Гидравлика (техническая механика жидкости) – наука, изучающая закономерности статического равновесия и движения жидких сред. В широком понимании под термином «жидкость» подразумевают как обычные капельные жидкости (воду, пиво, сжиженные газы), так и газы. Первые считаются несжимаемыми, вторые − сжимаемыми. Надо отметить, что при некоторых условиях газы, так же как и капельные жидкости, можно считать несжимаемыми.

Прежде чем приступить к изучению того или иного предмета или явления, мы должны представить себе его модель. Предметом нашего изучения будет служить модель сплошной текучей среды, под которой будем понимать непрерывное множество бесконечно малых объемов (материальных точек), способных заполнять собой окружающее пространство под действием приложенных к ним сил. Следует обратить внимание на одно важное обстоятельство: когда мы говорим «бесконечно малый объем» или «материальная точка», то должны помнить, что в этой точке сосредоточено определенное количество молекул и в ней отражены все физические свойства данной среды (плотность, вязкость и т. п.).

Исторически сложилось так, что наука, изучающая движение и состояние покоя жидких сред, разделилась на две ветви − теоретическую гидромеханику и инженерную (прикладную) гидравлику.

Основы теоретической гидромеханики были заложены Исааком Ньютоном. В России пальма первенства принадлежит академикам Санкт-Петербургской академии наук Даниилу Бернулли и Леонарду Эйлеру. Уравнение сохранения энергии в движущейся жидкости названо именем Бернулли, а дифференциальные уравнения статического равновесия и движения идеальной жидкости − именем Эйлера. В последующем развитие теоретической гидромеханики связано с именами известных российских ученых: В. Л. Кирпичева, одного из основоположников теории подобия; Н. П. Петрова, разработавшего теорию смазки; Н. Е. Жуковского − автора теории о подъемной силе крыла и гидравлического удара; А. Н. Колмогорова, которому принад­лежит теория изотропной турбулентности; Л. Д. Ландау; Л. Г. Лойцянского; М. А. Великанова и других, внесших большой вклад в развитие теоретической гидроаэромеханики реальной жидкости, осно-

ванной на дифференциальном уравнении Навье–Стокса, а также общей теории турбулентности.

Однако использование дифференциальных уравнений движения реальной жидкости в инженерных расчетах в большинстве случаях было невозможно из-за трудностей, связанных с их решением, особенно при турбулентных режимах течения.

Именно сложности с использованием в инженерных расчетах уравнений теоретической гидромеханики стали причиной развития второй ветви. Оно диктовалось требованиями инженеров-практиков, занимающихся расчетами и проектированием гидротехнических сооружений, городских водопроводных сетей, трубопроводов для транс-портировки нефтепродуктов и т. п. Для этих целей требовались простые и надежные уравнения, которые позволили бы оперативно решать вполне конкретные задачи. Такие уравнения были получены на основе экспериментальных исследований. Роль эксперимента в развитии науки о движении жидкостей резко возросла. Эта наука, основанная на эмпирических данных, получила название «Гидравлика».

В России инженерно-прикладная гидравлика создана трудами известных ученых и педагогов высшей школы: Н. П. Павловского, Н. З. Френкеля, И. И. Агроскина, Б. Б. Некрасова, И. Г. Есьмана, А. Д. Альтшуля, Р. Р. Чугаева, М. И. Маковозова и многих других.

В середине прошлого столетия с развитием новых производств и технологий стали возникать специальные курсы механики жидкостей и газов: «Гидравлика газожидкостных потоков» − С. С. Кутателадзе, Н. А. Стырикович; «Гидравлика неньютоновских сред» − А. В. Горбатов, А. М. Маслов, В. О. Косой; «Физико-химическая гидродинамика» − В. Г. Левич, А. М. Кутепов и др.

Этот краткий экскурс в историю позволил нам, пусть не так глубоко, как хотелось бы, оценить тот выдающийся вклад, который внесли в развитие науки о движении жидкостей российские ученые.

В последние десятилетия в связи с появлением мощной вычислительной техники появилась возможность решения сложных дифференциальных уравнений в частных производных. В силу чего разрыв между теоретической гидромеханикой и прикладной гидравликой стал сокращаться. Теоретические методы решения имеют перед экспериментальными то преимущество, что они охватывают более широкий круг задач, в то время как эмпирические уравнения являются лишь их частными случаями. Наличие вычислительной техники позволяет очень быстро выбрать наиболее оптимальный вариант того или иного конструктивного решения.

Может показаться, что роль эксперимента в изучении различных явлений будет снижаться. Однако все обстоит не так просто. Дело в том, что конечные уравнения, полученные в результате решения дифференциальных уравнений, содержат численные коэффициенты, которые большей частью приходится уточнять, используя экспериментальные данные. Причина некоторого несоответствия между теорией и практикой кроется в том, что любая физическая или математическая модель есть лишь приближенное отражение реальной картины процесса, протекающего в движущейся среде, поэтому роль эксперимента в развитии науки не снижается. Более того, возрастает требовательность к точности его проведения, так как ошибка в определении численных коэффициентов в конечном итоге может привести к ошибкам в инженерных расчетах. Другое дело, что количество опытов может быть снижено. Иногда бывает достаточно проведения и одного эксперимента. Однако это уже из области планирования экспериментальных работ и не является предметом нашего изучения.

Автор данного учебного пособия старался изложить материал, опираясь как на теоретические, так и экспериментальные данные.