Механика жидкости и газа для архитекторов и строителей

Министерство науки и высшего образования  

Российской Федерации 

Уральский федеральный университет  

имени первого Президента России Б. Н. Ельцина 

А. В. Некрасов 

Механика жидкости и газа  

для архитекторов и строителей

Уч е б н о е  п о со бие 

Рекомендовано методическим советом 
Уральского федерального университета 

для студентов вуза, обучающихся 

по направлениям подготовки 

08.03.01 — Строительство, 07.03.01 — Архитектура 

Екатеринбург 

Издательство Уральского университета 

2020 

УДК 532:533(075.8) 
ББК 22.253я73 
         Н48 

Рецензенты:
кафедра технической механики Уральского горного университета 

(завкафедрой канд. техн. наук, доц. В. М. Таугер);

А. Н. Зеленин, канд. техн. наук, проф. кафедры технологических 

и транспортных машин Уральского государственного аграрного университета 

Научный редактор — канд. техн. наук, доц. А. В. Хаит 

Н48

Некрасов, А. В.
Механика жидкости и газа для архитекторов и строителей: учеб. 

пособие / А. В. Некрасов ; М-во науки и высш. обр. РФ. — Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 2020. — 191, [1] с.

ISBN 978-5-7996-3132-1

Изложены основы гидростатики и гидроаэродинамики применительно к различ
ным объектам строительства.

Пособие предназначено для студентов бакалавриата, обучающихся по направ
лению «Строительство». 

Библиогр.: 24 назв. Табл. 3. Рис. 153.

УДК 532:533(075.8) 
ББК 22.253я73 

ISBN 978-5-7996-3132-1
© Уральский федеральный  
     университет, 2020

Оглавление

Введение .......................................................................................................... 5
Глава 1. Гидродинамические системы и физические свойства жидкостей .......11

1.1. Понятие гидродинамической системы  ............................................11
1.2. Основные задачи гидроаэродинамики  .............................................12
1.3. Физические свойства жидкостей и газов  .........................................13

1.3.1. Плотность  ....................................................................................13
1.3.2. Вязкость  .......................................................................................17
1.3.3. Растворимость газов и парообразование  ....................................19

Контрольные вопросы к главе 1 ..............................................................20

Глава 2. Гидростатика ....................................................................................21

2.1. Давление  ............................................................................................21
2.2. Равновесие несжимаемой жидкости под действием силы тяжести .....23

2.2.1. Основной закон гидростатики  ....................................................23
2.2.2. Закон Паскаля  .............................................................................24
2.2.3. Сообщающиеся сосуды  ...............................................................26
2.2.4. Естественная вентиляция  ...........................................................27
2.2.5. Измерение давления  ...................................................................29
2.2.6. Вертикальное зонирование высотных зданий  ...........................31

2.3. Расчет сил давления на плоские поверхности  .................................33
2.4. Расчет сил давления на криволинейные поверхности  ....................37
Контрольные вопросы к главе 2 ..............................................................42

Глава 3. Основы гидроаэродинамики .............................................................43

3.1. Основные понятия кинематики жидкостей .....................................43
3.2. Расход и средняя скорость  ................................................................45
3.3. Режимы движения жидкостей  ..........................................................47
3.4. Закон сохранения расхода  ................................................................48
3.5. Закон изменения импульса  ..............................................................51
3.6. Закон сохранения механической энергии жидкости  ......................55
Контрольные вопросы к главе 3 ..............................................................61

Глава 4. Особенности течения жидкостей в трубопроводах.  
Потери механической энергии ........................................................................62

4.1. Уравнение Бернулли для потока реальной жидкости  .....................63

Оглавление

4.2. Расчет потерь механической энергии жидкости  
при течении в трубах  ...............................................................................69

4.2.1. Местные потери энергии  ............................................................69
4.2.2. Линейные потери энергии  ..........................................................74

Контрольные вопросы к главе 4 ..............................................................78

5. Системы транспортировки жидкостей ........................................................79

5.1. Примеры систем транспортировки жидкостей  ...............................79
5.2. Нагнетатели  .......................................................................................85

5.2.1. Принципы работы нагнетателей  ................................................86
5.2.2. Совместная работа нагнетателя и трубопровода  ........................93

5.3. Сложные системы  ...........................................................................101

5.3.1. Постановка задачи расчета сложной системы  .........................101
5.3.2. Граф системы транспортировки жидкости  ..............................104
5.3.3. Особенности работы систем естественной вентиляции  ..........107
5.3.4. Параллельные системы  .............................................................117

5.4. Гидравлический удар в капельной жидкости  ................................120
Контрольные вопросы к главе 5 ............................................................126

Глава 6. Истечение жидкостей в воздушную среду ......................................127

6.1. Особенности движения водяных струй в воздухе  ..........................127
6.2. Истечение жидкости через отверстия в тонкой стенке и насадки  .....131

6.2.1. Истечение жидкости через отверстия  ......................................131
6.2.2. Истечение через внешний цилиндрический насадок  ..............133

6.3. Течение воды через водосливы  .......................................................136
Контрольные вопросы к главе 6 ............................................................139

Глава 7. Свободные затопленные струи .......................................................140

7.1. Виды струй и их общие свойства  ....................................................140
7.2. Динамические характеристики струй  ............................................142
7.3. Теплые струи  ...................................................................................147
Контрольные вопросы к главе 7 ............................................................149

Глава 8. Обтекание тел потоками жидкости ................................................150

8.1. Сила сопротивления  .......................................................................151
8.2. Характеристики ветра  .....................................................................159
8.3. Особенности обтекания зданий воздушными потоками  ..............161
8.4. Движение твердых частиц в потоках жидкостей  ...........................168
Контрольные вопросы к главе 8 ............................................................172

Глава 9. Движение воды в открытых каналах ..............................................173

9.1. Особенности движения жидкости в каналах  .................................173
9.2. Формулы Шези и Маннинга  ..........................................................178
9.3. Удельная энергия и критическая глубина  ......................................180
9.4. Неравномерное движение  ..............................................................182
Контрольные вопросы к главе 9 ............................................................187

Библиографический список ..........................................................................188

Введение

Б

ез воды и воздуха жизнь на нашей планете невозможна. Совершенно естественно, что люди еще тысячи лет назад пытались 
решать важные с практической точки зрения задачи опытным 

путем: строили каналы и дамбы, водяные и ветряные мельницы, водопроводы и системы канализации и т. п.

Именно в те незапамятные времена были заложены основы чисто при
кладной технической дисциплины, которая сейчас называется гидравликой. Зарождение механики жидкости и газа как науки связано с промышленной революцией XVIII–XIX веков, когда на смену ручному труду 
людей и силе животных пришла энергия пара и воды. Наряду с гидравликой в те годы проявились такие научные дисциплины, как аэродинамика и гидродинамика. Уже в XX веке развитие авиации и космонавтики привело к рождению газовой динамики и магнитной гидродинамики.

Предмет механики жидкости и газа, вероятно, не требует особого 

пояснения. Тем не менее, следует отметить, что, строго говоря, основным методом исследования этой научной дисциплины является теоретический анализ законов движения жидкости и газов и построение 
математических моделей их поведения в различных условиях.

Жидкости и газы как объекты теоретического исследования очень 

сложны. Только сейчас с появлением мощных компьютеров появилась возможность решать многие практически важные задачи о движении и взаимодействии потоков жидкостей и газов с твердыми телами.

Роль экспериментальных исследований трудно переоценить. В кон
це концов, только практика (эксперимент) является критерием правильности каких-либо теоретических построений и решений, полученных с помощью даже самой мощной вычислительной техники.

Рассмотрим несколько примеров объектов строительства, при про
ектировании, возведении и эксплуатации которых необходимо принимать во внимание закономерности движения жидкостей и газов.

Введение

С древнейших времен проблема водоснабжения городов является 

одной из приоритетных задач строителей. Например, на территории 
Римской империи с этой целью сооружались акведуки, по которым 
вода самотеком поступала в города. Некоторые из них сохранились 
до сих пор (рис. В.1).

Рис. В.1. Акведук в Кейсарии (Израиль) 

Водяные мельницы долгое время являлись основными источника
ми механический энергии, облегчавшими труд людей при выполнении работ различного рода. В наши дни их можно встретить в исторических центрах некоторых городов (рис. В.2).

Рис. В.2. Старая мельница на р. Чертовке в Праге 

Важными элементами современных систем водоснабжения явля
ются водонапорные башни, которые имеют иногда необычные формы 

Введение

(рис. В.3). Одним из символов Екатеринбурга является Белая башня, 
построенная в стиле конструктивизма первой трети ХХ века (рис. В.4).

С Белой башней связана весьма поучительная история. Буквально через 

час после первого заполнения ее сварной металлический резервуар не выдержал давления, и около 750 тонн воды хлынули на улицу. После ремонта башня прослужила 30 лет и сейчас уже по прямому назначению не используется.

 

Рис. В.3. Водонапорная башня 

 

Рис. В.4. Белая башня в Екатеринбурге 

Украшением городских площадей и парков, конечно, являются 

фонтаны. Говоря о них, мы часто упоминаем фонтаны парков Петрод

Введение

ворца под Санкт-Петербургом. С точки зрения гидротехники, самым 
интересным является фонтан «Пирамида», включающий 505 струй 
(рис. В.5). Отметим также, что ко всем фонтанам парка вода подается из специальных прудов только за счет естественного напора, обусловленного рельефом местности.

 

Рис. В.5. Фонтан «Пирамида» в Петродворце 

Без знания законов гидродинамики невозможно правильное про
ектирование гидротехнических сооружений: плотин, дамб, каналов 
и т. п. На небольших реках для искусственного расширения их русел 
(чаще всего в городах) используют водосливы (рис. В.6).

 

Рис. В.6. Водослив на р. Влтава в г. Чески-Крумлов (Чехия) 

Одним из самых удивительных мостов мира является Мост Тысяче
летия в г. Ньюкасле (Великобритания). Этот пешеходный мост может 

Введение

поворачиваться вокруг горизонтальной оси на 40 ° для пропуска судов, 
проходящих по р. Тайн (рис. В.7). В нашем обзоре этот мост приводится для иллюстраций возможностей гидравлических устройств (гидропривода), с помощью которых осуществляется поворот этой 850-тонной конструкции.

 

Рис. В.7. Мост через р. Тайн в г. Ньюкасле (Великобритания)  

в повернутом положении1

Отметим, что важной особенностью гидравлического привода явля
ется возможность создания очень больших усилий при относительно 
небольшой массе самого оборудования. По этой причине, например, 
в системах управления самолетов применяется именно гидравлический, а не электрический привод.

Сейчас при проектировании строительных сооружений все чаще 

используются методы математического моделирования, позволяющие найти наилучшее архитектурно-планировочное решение с учетом 
конкретных климатических условий. Одним из примеров такого подхода при проектировании является здание мэрии Лондона (рис. В.8), 
разработанное под руководством выдающегося современного архитектора Н. Фостера.

С точки зрения предмета нашего курса, здание мэрии интересно тем, 

что в нем широко используется естественная и вытесняющая механическая вентиляция помещений, когда свежий воздух подается в них 
через решетки в полу и удаляется из верхней зоны [1].

Недооценка аэродинамического воздействия ветра на строительные 

сооружения может привести к катастрофическим последствиям. На
1 Мост через р. Тайн в г. Ньюкасл : [сайт]. URL: https://commons.wikimedia.org/w/

index.php?curid=537967(дата обращения: 10.10.2017).

Введение

пример, 7 ноября 1940 г. произошло разрушение моста Такома-Нэрроуз в США (рис. В.9). Его причиной стал ветер, вызвавший колебания 
(флаттер) центрального пролета моста и последующий резонанс [2].

 

Рис. В.8. Здание мэрии Лондона (Великобритания) 

 

Рис. В.9. Колебания пролета моста Такома-Нэрроуз (США) [2] 

В наши дни любой архитектурно-строительный проект — это ре
зультат совместного труда множества специалистов различных профилей. И в этой связи очень важно их взаимопонимание. Если, например, 
инженер по вентиляции просит архитектора передвинуть внутреннюю 
перегородку помещения с целью увеличения сечения вентиляционного 
канала, то важно, чтобы архитектор не только понимал необходимость 
этого, но и мог предложить правильное компромиссное решение.

Мы не будем углубляться в теорию. Задача курса более скромная — 

познакомиться с физическими основами механики жидкости и газа.