Гидравлика. Гидродинамика : руководство к решению задач

МИНИСТЕРСТВО РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ДЕЛАМ ГРАЖДАНСКОЙ

ОБОРОНЫ, ЧРЕЗВЫЧАЙНЫМ СИТУАЦИЯМ И ЛИКВИДАЦИИ ПОСЛЕДСТВИЙ

СТИХИЙНЫХ БЕДСТВИЙ

ФГБОУ ВО СИБИРСКАЯ ПОЖАРНО-СПАСАТЕЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ

ГПС МЧС РОССИИ

Малый В.П.

ГИДРАВЛИКА. ГИДРОДИНАМИКА.
РУКОВОДСТВО К РЕШЕНИЮ ЗАДАЧ

Учебное пособие

Железногорск

2021

МИНИСТЕРСТВО РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ДЕЛАМ ГРАЖДАНСКОЙ

ОБОРОНЫ, ЧРЕЗВЫЧАЙНЫМ СИТУАЦИЯМ И ЛИКВИДАЦИИ ПОСЛЕДСТВИЙ

СТИХИЙНЫХ БЕДСТВИЙ

ФГБОУ ВО СИБИРСКАЯ ПОЖАРНО-СПАСАТЕЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ

ГПС МЧС РОССИИ

Малый В.П.

ГИДРАВЛИКА. 

ГИДРОДИНАМИКА.

РУКОВОДСТВО К РЕШЕНИЮ ЗАДАЧ

Учебное пособие

Допущено Министерством Российской Федерации по делам гражданской обороны, 

чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий в качестве 

учебного пособия для обучающихся образовательных организаций МЧС России.

Железногорск

2021

УДК 532.5: 629.12
ББК 22.253 я7
М20

Автор: Малый Виталий Петрович, доктор физико-математических наук

Рецензенты:

Н.Н. Морозов, доктор технических наук, профессор ВАК, 

профессор кафедры физики ФГБВОУ ВО Академия гражданской защиты МЧС России

А.А. Сушкевич, кандидат технических наук, доцент ВАК, 

заведующий кафедрой физико-технических основ безопасности

ФГБОУ ВО Уральский институт ГПС МЧС России

Малый, В.П. Гидравлика. Гидродинамика. Руководство к решению задач [Текст]: 

учебное пособие / В.П. Малый – Железногорск (Красноярский край): ФГБОУ ВО Сибирская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, 2021. −223 с.: ил.

Учебное пособие включает в себя краткие теоретические сведения по гидродина
мике, составленные с позиции пользователя, для которого важны не столько математические подробности выводов тех или иных формул, сколько осмысление и практическое использование теоретических результатов для практического применения, прежде всего, в 
пожарном деле. 

Практическая часть пособия представлена большим количеством задач с четко вы
раженной «пожарной направленностью», сопровождающихся подробными или краткими 
решениями, в которых демонстрируется единая последовательность и специфические 
приемы выполнения отдельных этапов решения, задачами для самостоятельного решения 
в рамках самостоятельной работы или в рамках практических занятий. Особое внимание 
обращается на комплексное тестирование получаемых решений задач в общем виде, позволяющее полностью гарантировать их правильность. 

Издание предназначено для курсантов, студентов и слушателей всех форм обуче
ния специальности «Пожарная безопасность» 20.05.01 и направления подготовки «Техносферная безопасность» (уровень бакалавриата) 20.03.01, а также для обучающихся других 
специальностей, учебная программа которых предполагает освоение дисциплины Гидравлика и противопожарное водоснабжение.

УДК 532.5: 629.12
ББК 22.253 я7

© ФГБОУ ВО Сибирская пожарно-спасательная 
академия ГПС МЧС России, 2020
© Малый В.П., 2020

ОГЛАВЛЕНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ............................................................................................................6

ВВЕДЕНИЕ....................................................................................................................7

1
ОСНОВЫ ГИДРОДИНАМИКИ........................................................................13

1.1
Этимология   и  история  гидродинамики .......................................13

1.2
Гидродинамика. Понятия и характеристики, определяющие 

течение жидкости ....................................................................................................17
1.3
Контрольные вопросы и задания......................................................20

2
НЕУСТАНОВИВШЕЕСЯ 
ДВИЖЕНИЕ 
ЖИДКОСТИ.  

ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ УДАР......................................................................................21

2.1 Дифференциальное уравнение неустановившегося движения ...................21
2.2 Задача для самостоятельного решения ..........................................................29
2.3 Разгон жидкости при открытии крана (задвижки, вентиля) пожарного 
ствола от состояния покоя до состояния установившегося движения..............30
2.4 Задача для самостоятельного решения ..........................................................34
2.5 Контрольные вопросы, задания и тесты ........................................................36
2.6 Примеры решения задач по теме «Неустановившееся движение».............37
2.7 Варианты задачи для внеаудиторного решения............................................41
2.8 Дополнительная задача по теме......................................................................42
2.9 Гидравлический удар в трубах........................................................................43
2.10 Задачи ..............................................................................................................58
2.11 Способы гашения и примеры использования гидравлического удара.....70
2.12 Дополнительные многовариантные задачи по теме «гидроудар» ............70
2.13 Полезное использование явления гидроудара. Гидротаран ......................74
2.14 Примеры по теме гидротаран........................................................................81
2.15 Контрольные вопросы ...................................................................................83

3
ГИДРОДИНАМИЧЕСКАЯ СИЛА РЕАКЦИИ СТРУИ..................................84

3.1 Основные теоретические сведения.................................................................84
3.2 Задачи на тему «Реакция струи».....................................................................86

4
СИЛА ДАВЛЕНИЯ СТРУИ...............................................................................89

4.1 Давление струи на твердую преграду. Частный случай ..............................89
4.2 Удар струи о твердую преграду. Общий случай...........................................95
4.3 Сида действия струи на неподвижную стенку-конус.................................101
4.4 Задача. Удар водомёта ...................................................................................104
4.5 Сила давления струи на нормальную плоскую преграду. Углублённый 
подход
............................................................................................................110

4.6 Контрольные вопросы, задания и тесты......................................................114
4.7 Задачи ............................................................................................................115
4.8 Гидромонитор.................................................................................................122
4.9 Турбина ...........................................................................................................123

5
ГИДРОДИНАМИЧЕСКАЯ И АКУСТИЧЕСКАЯ (УЛЬТРАЗВУКОВАЯ) 

КАВИТАЦИЯ............................................................................................................136

5.1 Общие положения..........................................................................................136
5.2 Основные понятия кавитации.......................................................................137
5.3 Теория кавитационных процессов ...............................................................139
5.4 Математическое описание эффекта кавитации ..........................................145
5.5 Кавитационный коэффициент ......................................................................146
5.6 Уровень кавитации.........................................................................................146
5.7 Вредные последствия кавитации..................................................................147
5.8 Кавитация жидкости. Уточнение и развитие представлений о кавитации151
5.9 Углублённое представление о кавитации....................................................155
5.10
Современные гипотезы зарождения кавитации и разрушения 

кавитационных пузырьков ...................................................................................159
5.11 Положительные и отрицательные аспекты кавитации ............................164
5.12 Гидродинамическая кавитация...................................................................167
5.13 Акустическая кавитация..............................................................................168
5.14
Оригинальные технические решения практических применений 

ультразвуковой кавитации ...................................................................................170
5.15 Сонолюминесценция ...................................................................................171
5.16 Электрогидравлический удар. Примеры патентования...........................173
5.17 Явление кавитации и высота всасывания насоса .....................................176
5.18 Основные явления, сопровождающие кавитацию в насосах ..................177
5.19 Кавитация насоса и пути ее устранения ....................................................189
5.20 Пример............................................................................................................190
5.21 Расчет бескавитационной скорости течения воды ...................................193
5.22 Контрольные вопросы и задания................................................................196
5.23 Тесты ............................................................................................................197

ЛИТЕРАТУРА...........................................................................................................198

ПРИЛОЖЕНИЕ. 
КРАТКИЙ
КУРС 
ИСТОРИИ 
РАЗВИТИЯ 

ГИДРОДИНАМИКИ ................................................................................................201

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящее учебное пособие написано на основе опыта преподавания 

курсов «Гидравлика», «Гидравлика и противопожарное водоснабжение», 

«Гидрогазодинамика»
[3,6,9,12] в ФГБОУ ВО Сибирская пожарно
спасательная академия ГПС МЧС РОССИИ. 

Издание пособия вызвано необходимостью выполнения требований в 

части формирования фондов библиотек вузов с учётом степени устареваемо
сти литературы, а также изменением учебных планов в сторону некоторого 

увеличения самостоятельной работы обучающихся.

Учебное пособие может быть использовано обучающимися по специ
альностям, для которых учебными программами не предусматривается от
дельного курса гидравлики, но изучение этого предмета даётся в соответ
ствующих дисциплинах: «Гидравлика и теплотехника», «Гидравлика и гид
рогазодинамика», «Гидравлика и инженерная гидрология», «Гидравлика, 

насосы и компрессоры» и др.

Настоящее учебное пособие рекомендуется также и обучающимся за
очно при выполнении контрольных и курсовых работ и подготовке к зачёту и 

экзамену.

Автором учтены ценные замечания и предложения руководителя 

кафедры Физики, математики и информационных технологий
СПСА

к.ф.-м.н. Матерова Е. Н., профессора этой кафедры, д.т.н. А.А. Ковеля.

Особую благодарность автор выражает доктору пед. наук, профес
сору, профессору кафедры Пожарной и аварийно-спасательной техники
СПСА академику РАПН Р.П. Жданову за предложения по повышению учебно-методического качества пособия; д.т.н., профессору кафедры Пожарной 
и аварийно-спасательной техники СПСА А.А. Носенкову  за ценные замечания и предложения по совершенствованию структуры пособия в целом и 
методики решения задач по данной дисциплине, в частности; д.т.н., профессору, профессору кафедры Пожарной и аварийно-спасательной техники
СПСА Л.А. Голдобиной и к.ф.-м.н., доценту кафедры Физики, математики и 
информационных технологий СПСА
Т.А.Миловидовой – за тщательную 

нормативно-содержательную экспертизу рукописи.

ВВЕДЕНИЕ

Напомним, что ГИДРАВЛИКА (от греческих слов ὕδωρ (хюдор) 

вода и «аулос»  труба, то есть «ХЮДОР-АУЛОС» – «водо-труб-ика») –

это инженерная наука, изучающая законы относительного покоя и движения 

жидкостей и разрабатывающая способы рационального использования этих 

законов в практической деятельности человека (например,  в пожарном 

деле).

Предметом внимания данного издания является ГИДРОДИНА́ МИКА

(от др.-греч. ὕδωρ (хюдор) «вода» + динамика δύναμις (дюнамис) «сила, 

мощь»: то есть «ХЮДОР-ДЮНАМИС» – «водо-сили-ка»)  раздел физики 

сплошных сред, изучающий не только параметры движения идеальных и ре
альных капельных и некапельных жидкостей, но и их силовое взаимодей
ствие друг с другом, а также с твёрдыми телами, например, с жесткими стен
ками труб или нежёсткими стенками пожарных рукавов. 

Динамика – раздел гидромеханики, в котором рассматриваются 


силы различной природы, вызывающие движение жидкости, а также 


внутренние напряжения и давления, вызванные её течением.

Гидравлика, в частности, – «Практическая гидравлика» – является об
щепрофессиональной дисциплиной, при изучении которой курсанты и сту
денты – будущие специалисты по «Пожарной безопасности»  знакомятся с 

физическими свойствами жидкости, основными законами гидростатики, гид
рокинематики и гидродинамики, теоретическими и практическими основами 

ламинарного и турбулентного режимов движения жидкости и др. 

Будущий специалист по пожарной или техносферной безопасности 

должен твёрдо знать не только физические свойства жидкостей в гидроста
тическом состоянии, но и виды движений жидкости, основные гидравличе
ские параметры потока, режимы движения жидкости, теорию определения 

потерь напора и истечения жидкости через отверстия, насадки, гидравличе

ские расчеты трубопроводов, силу реакции струи, силу давления свободной 

струи, кавитацию и гидроудар …. то есть – гидродинамику, углубленному 

изучению которой и посвящено настоящее пособие.

Гидравлика содержит большое число опытных коэффициентов, эмпи
рических и полуэмпирических формул, методика применения которых, а 

также их физический смысл хорошо осваиваются в процессе решения раз
личных задач. Поэтому каждый раздел этого пособия содержит краткое из
ложение теории вопроса и формулы с тем, чтобы разбор примеров расчётов 

производился обучающимся осознанно, с закреплением теоретических зна
ний.

Основные понятия и термины приводятся не в алфавитном порядке, а 

по ходу изложения материала в логической последовательности.

Широкое применение расчетные возможности гидродинамики находят 

в пожарном деле. Пожарные специалисты решают задачи противопожарного 

водоснабжения при транспортировании воды по трубам или в ёмкостях, за
дачи создания дальнобойных или распыленных и тонкодисперсных водяных 

струй, сталкиваются с вопросами эксплуатации и выбора типа пожарных 

насосов, строительства и эксплуатации источников водоснабжения (водоё
мов, пожарных резервуаров, водопроводных сетей), с реакцией и давлением 

гидроструй, с кавитацией и гидроударом, со многими другими вопросами.

Первые работы пожарной гидравлике были выполнены в конце 19-го 

века Фриманом, Люгером, Н.П. Зиминым. Отметим, что Николай Петрович 

Зимин был выдающимся русским ученым-инженером в области водоснабже
ния. Под его руководством были разработаны проекты использования водо
проводов в городах России для целей пожаротушения. Именно Зимин изоб
рёл первый в России надёжный пожарный гидрант, известный сейчас под 

названием «пожарный гидрант московского типа».

Первый городской водопровод в Москве был пущен лишь в 1805 г., в других городах 
водопроводы были введены в действие позднее: в Калуге в 1807 г., в Нижнем Новгороде в 1848 г., в Петербурге в 1861 г. Однако, длительное время городские водо

проводы не могли существенно влиять на борьбу с пожарами, так как не было 
возможности использовать воду непосредственно из городской сети. 
Решение этой проблемы в 80-х годах XIX века предложил русский инженер и общественный деятель Н.П. Зимин.
Никола́й Петро́вич Зи́мин (1849, Кириллов, Новгородская губерния — 1909) — русский инженер-механик, общественный деятель. Создатель первой в России системы противопожарного водоснабжения, первого пожарного гидранта и стендера. 
Разработчик проекта Мытищинского водопровода, Рублёвской водопроводной 
станции, инициатор соединения Мытищинского и Москворецкого водопроводов в 
1907 году.
Николай Петрович Зимин, закончив в 1873 г. Императорское Московское техническое училище с золотой медалью, получил звание инженера-механика.
В 1875 году Зимин в качестве младшего техника устраивается на работу в Московский водопровод. Через некоторое время получает повышение, в связи с которым он теперь заведует всеми скважинами и насосными станциями. Чуть позже 
становится и главным инженером.

В конце 40-х годов 20-го века в СССР был открыт Центральный НИИ 

противопожарной обороны, ставший центром научно-исследовательских ра
бот в самых различных областях пожарного дела, в том числе, и в области 

пожарной гидравлики. Под руководством крупнейшего специалиста в обла
сти гидравлики и водоснабжения профессора Владимира Григорьевича

Лобачева были проведены выдающиеся исследования по гидравлике пожар
ных струй, по экономическому расчету водопроводных сетей и по ряду дру
гих вопросов. Владимир Григорьевич Лобачёв приблизил гидравлику как 

науку к практике пожарного дела. 

Лобачев Владимир Григорьевич (1883 г., Москва  1955 г.), доктор технических 
наук, первый среди отечественных работников в области пожарной безопасности, 
получивший звание «профессор».
Окончил Московское высшее техническое училище (МВТУ) имени Н.Э. Баумана. С 
1914 года по 1929 год трудился в организациях системы Мосводопровода, затем в 
Водоканалстрое, Водоканалпроекте, НИИ водоснабжения и сантехники, ВОДГЕО. 
Благодаря активной научной деятельности, начавшейся в середине 1920-х, публикациям научных трудов, Лобачев В.Г. приобрёл широкую известность специалиста-учёного в области различных аспектов водоснабжения: расчёты и экономическое обоснование водопроводных сетей, номограммы по выбору диаметров труб 
при проектировании сетей и т. п. Часто привлекался для решения сложных вопросов и участвовал в работе различных научных и хозяйственных организаций.
Изданный Лобачевым В.Г. труд «Расчёт противопожарных водопроводов и пожарных струй» (1928 г.), оказал существенное влияние на совершенствование сетей противопожарного водоснабжения в стране. Впоследствии это направление 
получило дальнейшее развитие в работах Лобачева В.Г.: оптимизация диаметров 
труб совмещенного хозяйственного и противопожарного водопровода с учётом 
гидравлического сопротивления пожарных рукавов и эффективности огнетушащих струй.

С 1942 года до конца жизни Лобачев В.Г. трудился во ВНИИПО в должностях 
старшего инженера, старшего научного сотрудника, заместителя начальника 
отдела техники. Основное внимание в этот период он уделил вопросам оптимизации функционирования водопроводных сетей с учётом отбора волы для целей тушения пожаров. Свою научно-исследовательскую работу Лобачев В.Г. совмещал с 
преподавательской деятельностью в Военно-инженерной академии РККА и Московском инженерно-строительном институте МИСИ имени Куйбышева (ныне Московский Государственный строительный университет (МГСУ).
Награждён 4 медалями, другими знаками отличия и трудовой доблести.

Задачи на гидродинамические свойства движущихся жидкостей явля
ются общими для многих инженерных специальностей. Для их решения 

необходимо знание различных систем единиц измерения физических вели
чин и соотношения между ними. 

В нижеприведённой таблице приведены соотношения физических ве
личин в различных наиболее употребительных системах измерения.

Таблица единиц в различных системах

Единицы
СИ

(международная)

МКГСС

(техническая)

СГС

(физическая)

Внесистемная

Длина
м
м
см
Дюйм, км, дм

Масса
кг
кгсс2/м
г
т (тонна)

Время
с
с
с
сут (сутки)

Площадь
м2
м2
см2
км2, дм2, га

Объём
м3
м3
см3
л (литр)

Скорость
м/с
м/с
см/с

Плотность
кг/м3
кгсс2/м4
г/см3
т/м3

Сила
Н (Ньютон)
кгс (килограмм-сила)
дина
−

Давление
Па (паскаль)
кгс/м2
дин/см2
ат (атмосфера)

Динамическая 
вязкость
Па/с
кгссм/м2
П
(пуаз)

сантиП
(сантипуаз)

Кинематическая вязкость
м2/с
м2/с
Ст (стокс)
сантиСт

Массовый расход
кг/с
кгсс/м
г/с
т/с

Объёмный расход
м3/с
м3/с
см3/с
л/с, м3/сут

Удельный 
(по объёму) вес
Н/м3
кгс/м3
дин/см3
кгс/дм3