Гидравлика систем водоснабжения и водоотведения

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение 
высшего профессионального образования
«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

П.Д. Викулин, В.Б. Викулина

ГИДРАВЛИКА СИСТЕМ

ВОДОСНАБЖЕНИЯ И ВОДООТВЕДЕНИЯ

Москва 2017

2-е издание (электронное)

Изложены основные вопросы гидравлики систем водоснабжения 
и водоотведения. Приведены физические свойства жидкости, основы 
кинематики и динамики, гидравлические сопротивления. Рассмотрено движение жидкости по трубопроводам в системах водоснабжения 
и водоотведения. Описано обтекание потоком жидкости твердых тел. 
Детализированы механизмы перемешивания затопленных струй с окружающей средой и смешения сточных вод с водой водоемов. Приведены 
основные элементы гидравлических машин. В каждом разделе есть примеры гидравлических расчетов.

Для студентов, обучающихся по программе бакалавриата по направлению 08.03.01 «Строительство».

Викулин, Павел Дмитриевич.
Гидравлика систем водоснабжения и водоотведения [Электронный 
ресурс] : учебник / П. Д. Викулин, В. Б. Викулина ; М-во образования 
и науки Рос. Федерации, Моск. гос. строит. ун-т. — 2-е изд. (эл.). — Электрон. текстовые дан. (1 файл pdf : 249 с.). — М. : Издательство МИСИ—
МГСУ, 2017. — Систем. требования: Adobe Reader XI либо Adobe Digital 
Editions 4.5 ; экран 10".

ISBN 978-5-7264-1635-9

В43

Р е ц е н з е н т ы:

доктор технических наук, академик РАЕН Л. С. Скворцов, 
председатель регионального отделения «Проблемы внедрения 
современных технологий» Российской академии естественных наук; 
доктор технических наук, профессор О. Г. Примин, заместитель 
генерального директора ОАО «МосводоканалНИИпроект»; 
доктор технических наук, профессор В. И. Баженов, 
исполнительный директор ЗАО «Водоснабжение и водоотведение» 

УДК 628.2+532.5 
ББК 39.71-022

УДК 628.2+532.5
ББК 39.71-022
         В43

ISBN 978-5-7264-1635-9

Деривативное электронное издание на основе печатного издания: 
Гидравлика систем водоснабжения и водоотведения : учебник / П. Д. Викулин, В. Б. Викулина ; М-во образования и науки Рос. Федерации, Моск. 
гос. строит. ун-т. — М. : Издательство МИСИ—МГСУ, 2014. — 248 с. — 
ISBN 978-5-7264-0866-8.

В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений, установленных 
техническими средствами защиты авторских прав, правообладатель вправе требовать 
от нарушителя возмещения убытков или выплаты компенсации.

©  Национальный исследовательский

Московский государственный 
строительный университет, 2014

ПРЕДИСЛОВИЕ

Гидравлика — наука, изучающая законы покоя, движения жидкости 
и методы применения этих законов в различных областях инженерной 
деятельности. 
Развитие гидравлики неразрывно связано с историей развития техники, и в частности, систем водоснабжения и водоотведения.
Первый гидравлический закон о воздействии жидкости на погруженное в нее тело (закон о плавании тел) был сформулирован Архимедом за 250 лет до нашей эры.
В 1612 г. Г. Галилей в своей работе «Рассуждение о телах, пребывающих в воде, и о тех, которые в ней движутся» сформулировал условия равновесия жидкости и теоретически подтвердил справедливость 
закона Архимеда о плавании тел. В 1643 г. Е. Торричелли предложил 
формулу для определения скорости истечения идеальной жидкости через отверстия. В 1653 г. Б. Паскаль сформулировал закон о передаче 
внешнего давления жидкостью. Закон Паскаля до настоящего времени 
служит основой конструирования гидравлических машин (гидроподъемников, прессов, тормозов и т.п.). В 1686 г. И. Ньютон сформулировал 
понятие о вязкости жидкости и высказал основные положения о внутреннем трении в движущихся жидкостях.
Инженерное применение теоретических основ гидравлики систем 
водоснабжения и водоотведения в Западной Европе связано с работами французских ученых: А. Шези (движение воды в каналах и трубах), 
П. Дюбуа (расчеты водосливов и фильтрации), А. Дарси (напорное движение воды в трубах), Д. Вентури (истечение жидкости через отверстия 
и насадки), А. Базена (расчет водосливов), О. Рейнольдса (ламинарный 
и турбулентный режимы движения жидкости).
В России существенное теоретическое развитие гидравлики систем 
водоснабжения и водоотведения как науки связано с деятельностью 
М.В. Ломоносова (общий закон сохранения энергии) и членов Петербургской академии наук Д. Бернулли (уравнение Бернулли) и Л. Эйлера (дифференциальные уравнения равновесия и движения идеальной 

жидкости). Уравнение Бернулли широко используется в гидравлике 
систем водоснабжения и водоотведения для практических расчетов гидравлических машин, трубопроводов и их элементов.
В 1715 г. был организован первый водомерный пост на Неве. В 
1767 г. было учреждено Главное управление водяных коммуникаций и 
начались более планомерные работы по исследованию и описанию водных путей.
Работы русских профессоров И.С. Громеко, Н.П. Петрова, Д.И. Менделеева, Н.Е. Жуковского, Р.Р. Чугаева, И.И. Леви, Н.М. Вернадского, 
Н.Т. Мелещенко, Г.Н. Сухомел, П.Г. Киселева, С.М. Слисского и других 
способствовали развитию различных отраслей промышленного производства и гидравлики систем водоснабжения и водоотведения. 
Большой вклад в развитие науки о гидравлических особенностях 
водоснабжения и водоотведения внесли Н.Н. Павловский, А.Н. Колмогоров, С.А. Христианович, М.А. Великанов, А.Я. Милович, А.Д. Альтшуль, В.И. Калицун и многие другие.
Гидравлика составляет основу многих инженерных расчетов при 
конструировании специальных сооружений (плотин, трубопроводных 
коммуникаций различного назначения, отстойников, фильтров и т.п.).
Не производя гидравлических расчетов, нельзя принять рационального экологически обоснованного проектного решения для любого водохозяйственного объекта. Изучение курса «Гидравлика систем водоснабжения и водоотведения» позволит учащимся уяснить физическую 
сущность гидравлических явлений, овладеть методами инженерного 
расчета основных типов водопроводных и водоотводящих сооружений, 
приобщить их к научно-техническому творчеству и рационализаторской деятельности.

Раздел 1. ГИДРОСТАТИКА

Глава 1. ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ 
СВОЙСТВА ЖИДКОСТИ

1.1. Капельные и газообразные жидкости

В природе различают четыре агрегатных состояния вещества, а 
именно: твердое, жидкое, газообразное и плазменное.
Основное отличие жидкостей от твердых тел заключается в том, что 
они обладают текучестью — малым сцеплением частиц, отсутствием 
сил трения между частицами в состоянии покоя, вследствие чего жидкость легко принимает форму сосуда, в который она помещена. В сосудах жидкость образует свободную поверхность; если жидкость налита 
на плоскость, то она растекается по ней в виде тонкой пленки.
Газ также обладает свойством легкой подвижности частиц, текучестью, но в отличие от капельной жидкости он сжимаем, не образует 
свободной поверхности и занимает весь свободный объем. То, что частицы жидкости и газа обладают текучестью, позволяет объединить их 
под одним наименованием — жидкость. При этом собственно жидкости 
называются капельными жидкостями, а газы — газообразными жидкостями. Объектом изучения в гидравлике являются капельные жидкости, тогда как газы изучаются термодинамикой, аэродинамикой и т.п. 
Наиболее распространенной в природе жидкостью является вода.
При изучении общих закономерностей с целью упрощения задачи жидкость часто представляют в виде идеальной среды, абсолютно 
несжимаемой и лишенной сил внутреннего трения. Такую жидкость 
называют идеальной. В гидравлике учитывают физические свойства реальной жидкости. Реальные жидкости малосжимаемы, и по этим свойствам они приближаются к идеальной жидкости, но обладают силами 
внутреннего трения, проявляющимися в движении. Этим они существенно отличаются от идеальной жидкости.

1.1.1. Невязкая жидкость

В механике жидкости для облегчения решения некоторых задач используется понятие о невязкой (совершенной) жидкости. 
Под невязкой жидкостью понимают воображаемую жидкость, обладающую абсолютной подвижностью, т.е. лишенную вязкости, а также абсолютно несжимаемую, не расширяющуюся с изменением температуры, абсолютно неспособную сопротивляться разрыву. Таким 
образом, невязкая жидкость представляет собой некоторую модель 
реальной жидкости. Выводы, полученные исходя из свойств невязкой 
жидкости, приходится, как правило, корректировать, вводя поправочные коэффициенты. 

1.1.2. Аномальные жидкости

Трение в некоторых жидкостях не подчиняется закону вязкости 
Ньютона. К этим, так называемым неньютоновским (или аномальным), 
жидкостям можно отнести, например, литой бетон, строительный раствор, глинистый раствор, употребляемый при бурении скважин, нефтепродукты при температуре, близкой к температуре застывания, коллоидные растворы и др. 
Чтобы привести такие жидкости в движение, необходимо приложить 
некоторое (иногда значительное) усилие. Движение неньютоновских 
жидкостей начинается только после 
того, как касательные напряжения в 
них достигнут некоторого предельного значения (так называемого начального напряжения сдвига): при 
меньших касательных напряжениях 
эти жидкости не текут, а испытывают только упругие деформации, как 
твердые тела. 
В аномальных жидкостях касательное напряжение определяется 
по формуле Бингема:

0
μ
τ
τ
 ,
du
dy
=
+

Рис. 1.1. Зависимость касательного 
напряжения от градиента скорости 
для нормальных (1) и аномальных 
жидкостей (2)

2

1

τ

du/dy

0

τ0

где τ0 — начальное (предельное) напряжение сдвига (для ньютоновских 
жидкостей τ0 = 0).
Таким образом, в аномальных жидкостях сила трения возникает еще 
в покоящихся, но уже стремящихся прийти в движение жидкостях. На 
рис. 1.1 показана зависимость между касательным напряжением и градиентом скорости. 
Вязкость аномальных жидкостей (так называемая структурная вязкость) при заданных температуре и давлении непостоянна и изменяется 
в зависимости от градиента скорости du/dy по мере разрушения структуры жидкости, а следовательно, не является физической константой, 
как вязкость нормальных жидкостей. 

1.2. Плотность и удельный вес жидкости

Плотность ρ — отношение массы тела М к объему V:

.
M
V
ρ =

Плотность выражается в килограммах на кубический метр (кг/м3).
Определение плотности жидкости можно производить как непосредственным ее взвешиванием, 
так и с использованием ареометра, действие которого основано на законе Архимеда (рис. 1.2). 
Ареометр погружается в жидкость и плавает в ней. Чем больше плотность жидкости, тем 
меньше трубка ареометра погружается в нее. На шкале трубки указана плотность жидкости. Плотность жидкости зависит от температуры 
(табл. 1.1).
Удельный вес жидкости γ — отношение веса жидкости G к ее объему V:

γ
G .
V
=

В качестве единицы удельного веса принимают Н/м3. Удельный 
вес — векторная величина. Он не является характеристикой вещества, 
его значение зависит от ускорения силы тяжести, принимаемого обыч
Рис. 1.2. Ареометр

но равным 9,81 м/с2 в месте определения. Удельный вес равен произведению плотности на ускорение силы тяжести:

γ = ρ · g.
Таблица 1.1
Зависимость плотности воды от температуры

Температура 
t, °C

Плотность ρ, 
кг/м3

Температура 
t, °C

Плотность ρ, 
кг/м3

Температура 
t, °C

Плотность ρ, 
кг/м3

0
999,87
20
998,26
70
977,94
3
999,99
30
995,76
80
971,94
4
1000,00
40
992,35
90
965,56
5
999,99
50
988,20
100
958,65
10
999,75
60
983,38

1.3. Вязкость жидкости

Расширение жидкости при нагревании характеризуется температурным коэффициентом объемного расширения βt, выражающим относительное изменение объема жидкости при изменении ее температуры на один градус:

где βt
— температурный коэффициент, оС–1; 

Vt,2 — объем жидкости при температуре t2, дм3, м3; 
Vt,1 — объем жидкости при температуре t1, дм3, м3. 
Сжимаемость выражается в паскалях в минус первой степени (Па–1).
При гидравлических расчетах пользуются и обратной величиной, 
именуемой модулем упругости, Eж = 1/βV. Для воды в обычных условиях Еж = 2,1·109 Па.

Вязкость является чрезвычайно важным свойством реальной жидкости, проявляющимся при ее движении. При перемещении одних слоев 
жидкости относительно других между ними возникают силы трения. В 
результате этого, например, слои, движущиеся с большей скоростью, 
будут увлекать за собой соседние слои жидкости. Свойство жидкостей 
оказывать сопротивление касательным силам, стремящимся сдвинуть одни частицы по отношению к другим, и называется вязкостью.
Динамическая вязкость μ — сила трения, приходящаяся на единицу 
площади соприкасающихся слоев жидкости при градиенте скорости, 
равном единице. Динамическая вязкость μ в системе СИ выражается в 
паскаль-секундах (Па·с). Ранее динамическую вязкость измеряли пуазами (П), численно 1 П = 0,1 Па·с.
И. Ньютон (1642—1727) выдвинул гипотезу о силе трения между 
отдельными слоями жидкости, согласно которой сила внутреннего 
трения в жидкости не зависит от давления, пропорциональна площади соприкосновения слоев, относительной скорости движения слоев и 
зависит от рода жидкости. Математически эта гипотеза была обоснована Н.И. Петровым — основоположником гидродинамической теории 
смазки. Им дана формула для определения касательного напряжения τ:

τ
µ
υ
=
⋅ d
dn ,

где τ
— касательное напряжение; 
dυ/dn —  градиент скорости, т.е. отношение приращения скорости 
на границах слоя жидкости к его толщине.
В расчетах широко используется понятие кинематическая вязкость, 
которая представляет собой отношение динамической вязкости к плотности жидкости: ν = μ/ρ. Единица кинематической вязкости ν в системе 
СИ — м2/с. Ранее кинематическая вязкость измерялась в стоксах (Ст), 
1Ст = 1 см2/с.
Текучесть жидкости одновременно характеризует и ее вязкость: чем 
подвижнее жидкость, тем она менее вязка. Вязкость жидкости существенно зависит от температуры и измеряется вискозиметрами (рис. 1.3).
Принцип работы вискозиметра: в сосуд 1 заливают исследуемую 
жидкость объемом 5200 мл, затем с помощью электрической спирали 
2 и водяной бани 3 подогревают ее до температуры 20 °С, по термо

метрам 4 и 5 следят за температурой жидкости. Приподняв запорную 
иглу 6, определяют время истечения исследуемой жидкости через калиброванное отверстие 7 в емкость 8.

3 
7

8 

2

1

6
5 
4 

Рис.1.3. Схема работы вискозиметра

Кинематическая вязкость, м2/с, воды при атмосферном давлении 
определяется по формуле Пуазейля

ν = +
+
=
−
0 0178
1
0 0337
0 000221
10
2
4
,
,
,
.
t
t

Значения кинематической вязкости, 10–4 м2/с, ряда жидкостей при 
t = 15 °С приведены ниже:

Бензин  . . . . . . . . . .0,0083—0,0093
Керосин . . . . . . . . .0,02—0,03 
Нефть . . . . . . . . . . .0,081—0,093
Машинное масло . .0,4—1,4 

Глицерин  . . . . . . . . 41
Мазут . . . . . . . . . . . 22—25
Патока . . . . . . . . . . . 600

Вся свободная поверхность жидкости находится в состоянии равномерного поверхностного натяжения, характеризуемого коэффициентом 
поверхностного натяжения σ, равным для воды 0,0726 Н/м при 20 °С.