Гидравлика в пожарной безопасности

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации

Департамент научно-технологической политики и образования

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение 

высшего образования 

«Волгоградский государственный аграрный университет» 

Кафедра: «Прикладная геодезия, природообустройство 

и водопользование»

А. С. Овчинников 

А. А. Пахомов 

Е. В. Пустовалов 

ГИДРАВЛИКА  В  ПОЖАРНОЙ  БЕЗОПАСНОСТИ

Учебно-методическое пособие 

для изучения дисциплины «Гидравлика» для студентов

эколого-мелиоративного факультета, обучающихся
по специальности 20.05.01 «Пожарная безопасность»
и направлению 20.03.01 «Техносферная безопасность»

Волгоград

Волгоградский ГАУ

2016

УДК 621.22
ББК 30.123
О-35

Рецензенты: 

доцент кафедры «Прикладная геодезия, природообустройство и водопользование» М. П. Мещеряков; профессор кафедры «Мелиорация земель и комплексное использование водных ресурсов» С. М. Григоров

Овчинников, Алексей Семенович

О-35
Гидравлика в пожарной безопасности: учебно-методическое по
собие для изучения дисциплины «Гидравлика» для студентов экологомелиоративного факультета, обучающихся по специальности 20.05.01 
«Пожарная безопасность» и направлению 20.03.01 «Техносферная безопасность» / А. С. Овчинников, А. А. Пахомов, Е. В. Пустовалов – Волгоград: ФГБОУ ВО Волгоградский ГАУ. 2016. – 64 с.

Излагается содержание основных разделов гидравлики. Даны 

необходимые формулы, таблицы и рисунки для решения гидравлических задач в системах пожаротушения.

Для студентов эколого-мелиоративного факультета, обучаю
щихся по специальности 20.05.01 «Пожарная безопасность» и направлению 20.03.01 «Техносферная безопасность».

Рекомендовано к изданию методической комиссией эколого
мелиоративного факультета ФГБОУ ВО Волгоградского ГАУ (протокол № 2 от 21 сентября 2015 г.).

УДК 621.22
ББК 30.123

© ФГБОУ ВО Волгоградского государственный аграрный университет, 2016
© Овчинников А. С., Пахомов А. А., 
Пустовалов Е. В., 2016

ВВЕДЕНИЕ 

Гидравлика - наука, изучающая законы равновесия и движения 

жидкостей и разрабатывающая способы приложения этих законов к
решению практических инженерных задач.

Знание законов гидравлики необходимо при экспертизе проек
тов и обследовании систем противопожарного водоснабжения, автоматических установок пожаротушения, систем аварийного слива легковоспламеняющихся и горючих жидкостей, при определении радиуса действия струй, применяемых в пожарном деле, и их реакции, для 
правильной эксплуатации и выбора типа пожарных насосов и т.д. 
Гидравлика является одной из фундаментальных дисциплин, знание 
которой необходимо специалисту противопожарной безопасности.

1 ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ЖИДКОСТЕЙ 

Жидкость - агрегатное состояние вещества, сочетающее в себе 

черты как твердого, так и газообразного состояния.

Подобно веществам, находящимся в твердом состоянии, жид
кость сохраняет свой объем и обладает определенной прочностью на 
разрыв, однако при этом обладает изменчивостью формы, что роднит 
ее с газами.

Когда жидкости и газы можно рассматривать как сплошную 

легкоподвижную среду, их объединяют единым понятием «жидкости», подразделяя на капельные, такие как вода, органические масла, 
нефть, ртуть, образующие капли, и газообразные - воздух и другие газы, в обычном состоянии капель не образующие.

1.1 ПЛОТНОСТЬ И УДЕЛЬНЫЙ ВЕС

Одна из важнейших физических характеристик жидкости - ее 

плотность ρ, то есть масса единичного объема жидкости.

Плотность однородной жидкости:

ρ =

т

(1.1)

где: т - масса рассматриваемой жидкости, кг; W - объем этой массы м3.

Плотность - это характеристика среды, определяющая распреде
ление масс. В единицах СИ плотность выражается в килограммах на 
кубический метр (кг/м3).

Вес единицы объема жидкости называется удельным весом.

Удельный вес выражается в ньютонах на кубический метр (Н/м3).

Удельный вес однородной жидкости:

γ =

(1.2)

где: G - вес рассматриваемого объема жидкости, Н.

Поскольку вес тела:

G = Mg
(1.3)

где: g - ускорение свободного падения, м/с2.

Подставляя выражение в уравнение (1.2), найдем связь между 

удельным весом и плотностью:

γ= ρg
(1.4)

Строго говоря, удельный вес, в отличие от плотности, не явля
ется физикохимической характеристикой вещества, в том числе и 
жидкости, так как зависит от места измерения географической широты и высоты над уровнем моря. 

Однако при этом следует учитывать то обстоятельство, что ве
личина g, входящая в приведенное выше и многие другие зависимости 
гидравлики, изменяется по земной поверхности в пределах 0,5 %, а 
точность гидравлических расчетов составляет обычно 3...5 %. Это позволяет во всех случаях принимать осредненное значение ускорения 
свободного падения (9,81 м/с2) и, следовательно, не считаться с фактической переменностью этой величины при определении удельного 
веса.

Знание удельного веса жидкости необходимо для решения мно
гих практических задач гидравлики; различие в плотности жидкостей, 
жидкостей и твердых тел играет существенную роль при решении вопросов, связанных с плаванием тел.

1.2 СЖИМАЕМОСТЬ И ТЕМПЕРАТУРНОЕ РАСШИРЕНИЕ

ЖИДКОСТЕЙ

Способность жидкости изменять свой объем под действием 

внешних сил называется сжимаемостью. Она характеризуется коэффициентом сжатия β, Па-1, выражающим относительное изменение 
объема при изменении давления:

β =

(1.5)

где: W – величина изменения объема, м3; р – величина изменения давления.

Так как W = т/ρ, а т = const, то

β = 

/=

(1.6)

Величина, обратная коэффициенту сжатия, называется модулем 

объемной упругости К, Па:

К=1/ β
(1.7)

Коэффициент β для всех тел имеет положительное значение. 

Для жидкостей сжимаемость весьма мала, хотя по абсолютной величине β для разных жидкостей различно. Таким образом, для капельных жидкостей сжимаемость настолько мала, что ею в большинстве 
случаев можно пренебречь.

Коэффициент температурного расширения α выражает относи
тельное увеличение объема жидкости при повышении температуры:

α = 

(1.8)

где: W – изменение объема жидкости при увеличении или уменьшении ее температуры, м3; W0 – объем жидкости при начальной температуре, м3; Т – изменение температуры, 0С.

1.3 ВЯЗКОСТЬ ЖИДКОСТИ

Между частицами или слоями жидкости, движущимися с раз
личными скоростями, всегда возникает сила внутреннего трения, противодействующая движению. Свойство жидкости оказывать сопротивление скольжению слоев жидкости относительно друг друга называется вязкостью.

Сила внутреннего трения, отнесенная к единице поверхности

соприкасающихся слоев жидкости, называется касательным напряжением. Для большинства жидкостей касательные напряжения τ, 
Н/м2, пропорциональны градиенту скорости:

τ = μ

(1.9)

Этот закон называется законом трения Ньютона. Градиент ско
рости

выражает производную от скорости по направлению нормали 

к поверхности соприкасающихся слоев жидкости. С геометрической 

точки зрения 

= tgα. Из рисунка 1.1 видно, что величина угла α убы
вает к оси трубы, где α = 0, и наибольшего значения достигает у ее 
стенок. Следовательно, касательное напряжение имеет наибольшее 
значение у стенок канала.

Коэффициент μ = Н∙с/м2 = кг/м с называется динамическим ко
эффициентом вязкости, является физической характеристикой жидкости и зависит от рода жидкости и ее температуры.

Рисунок 1.1 – Эпюра скорости движения жидкости в круглом канале

В уравнения гидродинамики часто входит отношение вязкости 

к плотности ρ, называемое коэффициентом кинематической вязкости и обозначаемое буквой ν:

ν =

(1.10)

Кинематическая вязкость у капельных жидкостей уменьшается 

при увеличении температуры почти в такой же степени, как и , так 
как плотность ρ слабо зависит от температуры. 

Наличие внутреннего трения, обусловленное вязкостью жидко
сти, приводит к процессу диссипации (рассеяния) энергии. Существо 
процесса диссипации состоит в том, что часть механической энергии 
движущейся жидкости переходит в тепловую и вызывает ее нагревание. Если вязкость жидкости или скорость течения невелики, то нагревание будет незначительным.