Гидравлика и аэродинамика систем водоснабжения и водоотведения

Министерство образования и науки Российской Федерации

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ  
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра архитектурно-строительного проектирования

Кафедра железобетонных и каменных конструкций

П.Д. Викулин, В.Б. Викулина

ГИДРАВЛИКА И АЭРОДИНАМИКА 
СИСТЕМ ВОДОСНАБЖЕНИЯ  
И ВОДООТВЕДЕНИЯ

Рекомендовано Учебно-методическим советом НИУ МГСУ  
в качестве учебника для обучающихся по направлениям  
подготовки 08.03.01 Строительство,  
15.03.04 Автоматизация технологических процессов  
и производств, 27.03.04 Управление в технологических системах, 
20.03.01 Техносферная безопасность  
(№ 06 от 29.08.2017 г.)

Москва
Издательство МИСИ – МГСУ
2018

УДК 628.2+532.5
ББК 39.71-022
          В43

Рецензенты:
доктор технических наук, профессор В.А. Орлов, заведующий кафедрой 
водоснабжения и водоотведения НИУ МГСУ;
доктор технических наук, профессор И.И. Павлинова, старший научный 
сотрудник отдела 40 АО «МосводоканалНИИпроект»;
доктор технических наук, профессор В.И. Баженов, исполнительный 
директор ЗАО «Водоснабжение и водоотведение»

 
Викулин, Павел Дмитриевич.

В43 
 Гидравлика и аэродинамика систем водоснабжения и водоотведения : учебник / П.Д. Викулин, В.Б. Викулина ; М-во образования и науки Рос. Федерации, Нац. исследоват. Моск. гос. 
строит. ун-т. — Москва : Издательство МИСИ – МГСУ, 2018. — 
396 с.
ISBN 978-5-7264-1873-5

Изложены основные вопросы гидравлики и аэродинамики систем 
водоснабжения и водоотведения. Рассмотрены законы равновесия, основы кинематики и динамики, гидравлических сопротивлений при движении жидкости и газа. 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 и воздуходувных 
станций. В каждом разделе есть примеры гидравлических расчетов.
Для обучающихся по направлениям подготовки 08.03.01 Строительство, 15.03.04 Автоматизация технологических процессов и производств, 
27.03.04 Управление в технологических системах, 20.03.01 Техносферная 
безопасность.

УДК 628.2+532.5
ББК 39.71-022

ISBN 978-5-7264-1873-5 
© Национальный исследовательский 

 
 
Московский государственный  

 
 
строительный университет, 2018

Предисловие

Учебник «Гидравлика и аэродинамика систем водоснабжения и водоотведения» написан на основе выдержавшего три издания нашего учебника «Гидравлика систем водоснабжения и водоотведения», материал которого был 
тематически расширен.
В книге основное внимание уделено изложению физических явлений гидравлики и аэродинамики, происходящих при транспортировке жидкостей и 
газов в инженерных системах городов и промышленных предприятий.
При написании учебника авторы стремились к наиболее простому изложению материала, к тому, чтобы он был понятным для обучающихся по направлениям подготовки, перечисленным в присвоенном учебнику грифе, и в 
то же время полезным для широкого круга специалистов в области водопроводных и водоотводящих систем в условиях развития современных городов.
При подготовке нового учебника были учтены пожелания, высказанные 
преподавателями высшей школы и работниками научно-исследовательских 
и проектных организаций. Большую помощь оказали сотрудники кафедры 
водоснабжения и водоотведения НИУ МГСУ, возглавляемой доктором технических наук, профессором В.А. Орловым.
Авторы выражают благодарность доктору технических наук, профессору 
Е.В. Алексееву за важные замечания, касающиеся моделирования потока в 
главе «Гидравлические сопротивления и потери при движении жидкости и 
газа», доктору технических наук, профессору В.А. Орлову за помощь в изложении главы «Цели и задачи систем водоснабжения», кандидату технических 
наук, доценту К.И. Чижику за консультации по главе «Гидромашины», заместителю председателя РО РАЕН, доктору технических наук, профессору, академику Л.С. Скворцову за ценные замечания по главе «Смешение водных масс 
с водой водоемов».
При подготовке к изданию нового учебника были приняты во внимание 
ценные замечания рецензентов — доктора технических наук, профессора 
В.А. Орлова, доктора технических наук, профессора В.И. Баженова, доктора 
технических наук, профессора И.И. Павлиновой, которым авторы выражают 
глубокую признательность.
В издании учебника необходимо также отметить важную роль коллектива 
редакции книжной литературы Издательства МИСИ – МГСУ, возглавляемой 
М.Э. Исмаиловой. С работой над новым учебником блестяще, на наш взгляд, 
справились редактор А.К. Смирнова, корректор В.К. Чупрова, верстальщик 
О.Г. Горюнова, дизайнер Д.Л. Разумный.
Все замечания и пожелания по изданию просьба направлять по адресу: 
Россия, г. Москва, 129337, Ярославское шоссе, д. 26, НИУ МГСУ, кафедра 
водоснабжения и водоотведения (аудитория 317) или по электронной почте 
vikulinp@yandex.ru.
Авторы

Введение

Гидравлика и аэродинамика (техническая гидромеханика) — наука, 
изучающая законы покоя, движения жидкостей (как капельных, так 
и газообразных) и методы применения этих законов в различных областях инженерной деятельности.
Развитие гидравлики и аэродинамики неразрывно связано с историей развития техники, и в частности, систем водоснабжения, водоотведения, газоснабжения и вентиляции. Указанные дисциплины (так 
же как аэродинамика и газовая динамика) в настоящее время могут 
рассматриваться как разделы механики жидкости.
Исторически накопление знаний о законах движения жидкостей 
шло по двум направлениям: специалисты создавали гидравлику, основанную главным образом на экспериментах, а математики — теоретическую гидромеханику, построенную на математическом анализе 
непрерывной деформации сплошной жидкой среды. Объектом изучения этих двух наук было одно, а задачи были различные.
Гидравлика носила прикладной характер и полученные о ней знания 
использовались в инженерной практике. Если точное решение оказывалось невозможным, то прибегали к приближенному решению. 
Если общего закона не удавалось выявить, устанавливали частные. В 
этом отношении в гидравлике существовал упрощенный подход к рассмотрению явлений движения жидкости (как правило, действительное 
распределение скоростей во всех точках потока не рассматривалось, 
а определялась лишь средняя скорость). Поэтому широкое использование в гидравлике результатов опытов привело к применению эмпирических коэффициентов.
Гидромеханика, в противоположность гидравлике, носила строго 
математический характер и при решении ее задач использовались дифференциальные уравнения движения жидкости. Реализовывались главные требования к механике как науке — строгая постановка задачи, 
точность полученных решений и стремление обойтись без случайных 
экспериментальных данных. Тем не менее, не всегда оказывалось возможным получить решение уравнений гидромеханики, в некоторых 
случаях полученные решения не давали достаточного совпадения с 
опытными данными и не могли ответить на насущные практические 
запросы.
В настоящее время происходит слияние двух наук в одну — гидравлики и теоретической гидромеханики в техническую гидромеханику, 
состоящую из синтеза достижений теоретического анализа и экспе

риментальных исследований. По мнению российского ученого академика Н.П. Павловского (1884—1937), гидравлика внесла свой живой 
практический дух, а гидромеханика — свою теоретическую строгость 
и полноту исследования.
В технической гидромеханике используются основные принципы 
физики и механики, а полученные выводы согласуются с экспериментальными исследованиями, которые одновременно дополняют и аргументируют эти выводы.
Без знания технической гидромеханики невозможно решение многочисленных инженерных задач, в том числе в областях: санитарной 
техники, экологии, водоснабжении и водоотведении, теплогазоснабжении и вентиляции. Расчет трубопроводов различного назначения и 
инженерных систем, проектирование гидравлических сооружений, 
агрегатов и аппаратов, конструирование гидравлических и воздуходувных машин требуют четкого понимания законов технической гидромеханики.
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. Галилео Галилей (1452—1519) 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. итальянский 
математик и физик, ученик Г. Галилея Е. Торричелли (1608—1647) предложил формулу для определения скорости истечения идеальной жидкости через отверстия. В 1653 г. французский ученый Б. Паскаль (1623—
1662) 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. английский ученый И. Ньютон (1643—1727) 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. Сухомела, П.Г. Киселева, С.М. Слисского, Н.Н. Абрамовича, Л.С. Животовского и др. способствовали развитию законов гидравлики и аэродинамики в различных отраслях 
промышленного производства, а также в системах 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 и аэродинамика составляют основу многих инженерных 
расчетов при конструировании специальных сооружений (плотин, 
трубопроводных коммуникаций различного назначения, отстойников, 
фильтров и т.п.).
Двадцатый век был ознаменован стремительным ростом авиационной техники, гидротехники, теплоэнергетики, гидромашиностроения, что привело к бурному развитию технической гидромеханики, 
основанной на синтезе теоретических и экспериментальных методов 
исследования.
Не производя гидравлических и аэродинамических расчетов, нельзя принять рационального экологически обоснованного проектного 
решения для любого объекта. Изучение курса «Гидравлика и аэродинамика систем водоснабжения и водоотведения» позволит обучающимся уяснить физическую сущность гидромеханических явлений, 
овладеть методами инженерного расчета основных типов сооружений, 
приобщить их к научно-техническому творчеству и рационализаторской деятельности.

Глава 1. ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЙ ОСНОВНЫХ 
ФИЗИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЖИДКОСТИ

Физическая величина — это количественная характеристика 
свойств физического тела. Любая физическая величина имеет единицу измерения. Единицы измерений физических величин объединяются в системы единиц.
Почти два столетия назад немецкий математик К. Гаусс (1777—
1855) доказал, что если выбрать независимые единицы измерений 
нескольких величин, то на их основе с помощью физических законов можно установить единицы величин, входящих в любой раздел физики.
Единицы измерений, послужившие основой для выражения 
других единиц, называются основными единицами системы. Единицы, полученные из основных единиц с помощью физических закономерностей, называются производными единицами системы.
Обозначение физических величин должно соответствовать обозначениям, приведенным в государственных стандартах и другой 
нормативно-технической литературе.
В настоящее время применяется Международная система физических единиц СИ (система интернациональная), принятая в 
1960 г. Она состоит из семи основных единиц (табл. 1.1) и производных (табл. 1.2), образованных по уравнениям связей между основными величинами.
Таблица 1.1
Основные и дополнительные единицы физических величин 
системы СИ

Величина
Единица

Наименование
Обозначение

Рекомендуемое 
обозначение

Наименование

Обозначение

русское

международное

Основные
Длина
L
l
метр
м
m
Масса
M
m
килограмм
кг
kg
Время
T
t
секунда
с
s
Сила электрического 
тока
I
I
ампер
А
A

Величина
Единица

Наименование
Обозначение

Рекомендуемое 
обозначение

Наименование

Обозначение

русское

международное

Термодинамическая 
температура
θ
T
кельвин
К
K

Количество вещества
N
n, W
моль
моль
mol
Сила света
J
J
кандела
кд
cd
Дополнительные
Плоский угол
—
—
радиан
рад
rad
Телесный угол
—
—
стерадиан
ср
sr

Примечание. Кроме температуры Кельвина (обозначение T) допускается применять 
также температуру Цельсия (обозначение t), определяемую выражением t = T – T0, 
где T0 = 273,15 К по определению. Температура Кельвина выражается в кельвинах, 
температура Цельсия — в градусах Цельсия (обозначение °С). По размеру градус 
Цельсия равен кельвину, 1°С = 1К.

Таблица 1.2

Важнейшие производные единицы СИ, применяемые в гидравлике

Величина
Единица

Наименование
Размерность
Наименование
Обозначение
Площадь
L2
квадратный метр
м2

Объем, вместимость
L3
кубический метр
м3

Скорость
LТ–1
метр в секунду
м/с
Ускорение
LТ–2
метр на секунду 
в квадрате
м/с2

Частота периодического 
процесса
Т–1
герц
Гц

Частота вращения
Т–1
секунда в минус 
первой степени
с–1

Угловая скорость
Т–1
радиан в секунду
рад/с
Плотность
L–3М
килограмм на 
кубический метр
кг/м3

Окончание табл. 1.1

Величина
Единица
Наименование
Размерность
Наименование
Обозначение
Момент инерции площади 
сечения
L4
метр в четвертой 
степени
м4

Количество движения 
(импульс)
LМТ–1
килограмм-метр 
в секунду
кг · м/с

Момент количества движения (момент импульса)
L2МТ–1
килограмм-метр 
в квадрате на секунду
кг · м2/с

Сила, вес, сила тяжести, 
грузоподъемная сила
LМТ–2
ньютон
Н

Удельный вес
L–2МТ–2 ньютон на кубический метр
Н/м3

Момент силы, момент пары 
сил, крутящий момент
L2МТ–2
ньютон-метр
Н · м

Давление
L–1МТ–2 паскаль
Па
Напряжение
L–1МТ–2 паскаль
Па
Модуль упругости
L–1МТ–2 паскаль
Па
Энергия, работа
L2МТ–2
джоуль
Дж
Мощность
L2МТ–3
ватт
Вт
Динамическая вязкость
L–1МТ–1 паскаль-секунда
Па · с
Кинематическая вязкость
L2МТ–1
квадратный метр 
в секунду
м2/с

Ускорение свободного падения g принимается в обычных технических расчетах равным 9,81 м/с2. Для различных мест земного 
шара величина g может быть найдена по формуле

g = 9,806056 – 0,025028 cos 2φ – 0,000003h,

где φ — географическая широта места;
h — высота места измерения над уровнем моря, м.
Обозначения единиц, наименования которых образованы по 
фамилиям ученых, пишут с прописной (заглавной) буквы, например единица силы Ньютон, Н — сила, сообщающая телу массой 
1 кг ускорение 1 м/с2 в направлении действия силы; единица давления паскаль, Па — давление, вызываемое силой 1 Н, равномерно распределенной по поверхности площадью 1 м2.

Окончание табл. 1.2

Для выражения больших и малых значений физических величин 
применяются приставки и множители, приведенные в табл. 1.3, с 
их помощью образуют десятичные кратные и дольные единицы.

Таблица 1.3
Приставки и множители для образования десятичных кратных 
и дольных единиц

Приставка
Обозначение
Множитель
Пример
мега
М
106
МВт (мегаватт)
кило
к
103
кН (килоньютон)
гекто
г
102
гПа (гектопаскаль)
деци
д
10–1
дм (дециметр)
санти
с
10–2
см (сантиметр)
милли
м
10–3
мм (миллиметр)
микро
мк
10–6
мкм (микрометр)

В гидравлике и аэродинамике укоренилась так называемая техническая система единиц, использующая как основные единицы 
измерения м, т* (тонна как единица силы) и с; они рассматриваются в настоящее время как «внесистемные». Их применение при 
решении многих задач гидравлики и аэродинамики представляет 
значительное удобство, поэтому отказываться от них в гидравлике 
и аэродинамике в настоящее время нецелесообразно. Представляется необходимым, однако, указать численные соотношения между основными величинами, встречающимися в гидравлике и аэродинамике, выраженными в рассматриваемой системе и в системе 
СИ. Такие соотношения даны в табл. 1.4.

Таблица 1.4
Физические константы воды в разных системах единиц 

Величина
Система
единиц
Размерность

Переходный коэффициент, 
связывающий данную
систему с системой СИ
Удельный вес γ СИ
н/м3
—
МКГСС
кг*/м3
1 кг*/м3 = 9,80665 н/м3

СГС
дин/см3
1 дин/см3 = 1,10 н/м3

Внесистемные:
мт*с
мтс
т*/м3

т/м2 с2
1 т*/м3 = 9806,65 н/м3

1 т/м2 · с2 = 1,103 н/м3