Hydraulika stosowana w inżynierii środowiska

Przedstawiony materiał pozwoli zaznajomić się z prawami hydrostatyki i hydrodynamiki stanowiącymi podstawę obliczeń hydraulicznych przewodów pod ciśnieniem, koryt otwartych, przelewów, otworów, mostów i przepustów, a także w ośrodku porowatym (w gruncie).

SPIS TREŚCI:

Od Autora 7

Spis ważniejszych oznaczeń 9

Rozdział I. WIADOMOŚCI WSTĘPNE

1. Rozwój hydrauliki 11
2. Podstawowe założenia i pojęcia w hydraulice 11
3. Podstawowe jednostki 12
4. Właściwości fizyczne cieczy 12
4.1. Gęstość 13
4.2. Ciężar objętościowy (właściwy) 13
4.3. Lepkość 14
4.4. Ściśliwość cieczy 16
4.5. Rozszerzalność cieplna 17
4.6. Napięcie powierzchniowe 17

Rozdział II. HYDROSTATYKA

1. Siły działające na ciecz 19
1.1. Warunek równowagi elementu cieczy będącego pod działaniem sił 20
2. Ciśnienie hydrostatyczne 20
3. Podstawowe prawa hydrostatyki 21
3.1. Prawo Pascala 21
3.2. Prawo niezależności ciśnienia od orientacji elementu powierzchniowego (prawo Eulera) 23
3.3. Zależność ciśnienia od sił masowych. Podstawowe równanie równowagi płynu 25
3.4. Równowaga cieczy w jednorodnym polu grawitacyjnym 27
3.4.1. Powierzchnie jednakowych ciśnień 29
3.5. Równowaga cieczy w naczyniach połączonych 29
3.5.1. Naczynia połączone wypełnione cieczą jednorodną 29
3.5.2. Naczynia połączone wypełnione dwiema cieczami nie mieszającymi się ze sobą 30
4. Przyrządy do pomiaru ciśnienia 31
5. Parcie hydrostatyczne 34
5.1. Parcie hydrostatyczne na powierzchnie płaskie 34
5.2. Parcie hydrostatyczne na ściany zakrzywione 36
5.3. Wyznaczenie parcia działającego na ścianę zakrzywioną metodą analityczno-graficzną 37
5.4. Analityczne określenie punktu przyłożenia wektora parcia do ściany płaskiej 41
6. Równowaga ciał zanurzonych w cieczy i ciał pływających 45
6.1. Wypór hydrostatyczny. Prawo Archimedesa 45
6.2. Warunki równowagi ciał zanurzonych 46
6.3. Wyznaczanie równowagi ciał pływających 46
6.4. Wyznaczanie wysokości metacentrycznej 47

Rozdział III. HYDRODYNAMIKA

1. Podstawowe definicje i pojęcia dotyczące ruchu cieczy 51
1.1. Pojęcia dotyczące ruchu cieczy 51
1.2. Podstawowe elementy ruchu cieczy. Ruch ustalony, nieustalony, wolnozmienny 52
2. Podstawowe prawa i równania hydrodynamiki  54
2.1. Równanie ciągłości strumienia cieczy  54
2.2. Równanie Bernoulliego dla strugi cieczy doskonałej  55
2.2.1. Obliczenie pracy wykonanej przez siły parcia  56
2.2.2. Obliczenie zmiany energii potencjalnej 56
2.3. Obliczenie energii kinetycznej  56
2.4. Bilans energetyczny 57
2.3. Równanie Bernoulliego dla cieczy rzeczywistej  59
2.4. Praktyczne zastosowania równania Bernoulliego 60
3. Przepływ cieczy rzeczywistej w przewodach pod ciśnieniem  64
3.1. Ruch laminarny i ruch burzliwy. Liczba Reynoldsa  64
3.2. Straty liniowe 69
3.3. Straty miejscowe 75
3.4. Obliczanie krótkich przewodów pojedynczych 83
3.5. Lewar  88
3.5.1. Obliczenie dopuszczalnego wzniesienia lewara nad zbiornikiem górnym  89
3.5.2. Ustalenie dopuszczalnego wzniesienia lewara nad zbiornikiem dolnym 90
3.6. Syfon  91
3.6.1. Obliczenia hydrauliczne syfonów  93
3.7. Przewód z pompą 95
3.7.1. Szeregowe i równoległe łączenie pomp 99
3.8. Obliczanie długich przewodów pojedynczych 101
3.9. Obliczanie układów przewodów wodociągowych 105
3.9.1. Układ trzech przewodów 105
3.9.2. Przewody połączone równolegle 106
3.9.3. Przewody łączone szeregowo i równolegle 108
3.9.4. Układ przewodów z trzema zbiornikami 110
3.10. Obliczanie przewodu równomiernie wydatkującego wzdłuż pewnego odcinka 111
3.11. Uderzenia hydrauliczne w przewodach 115
3.12. Kawitacja 122
3.12.1. Sposoby zapobiegania kawitacji 123
4. Ruch wody w korytach otwartych 124
4.1. Klasyfikacja ruchu wody 124
4.2. Ruch wolnozmienny w korytach otwartych 125
4.3. Ruch jednostajny w korytach otwartych 128
4.3.1. Obliczanie średniej prędkości przepływu i współczynnika Chézy’ego 129
4.4. Obliczanie prędkości w korytach wielodzielnych 136
4.4.1. Obliczanie prędkości średniej w ciekach naturalnych na podstawie wzoru Matakiewicza 138
4.5. Wymiarowanie koryt otwartych 142
4.5.1. Dobór kształtu przekroju hydraulicznie najkorzystniejszego 142
4.5.2. Przekrój trójkątny symetryczny 145
4.5.3. Przekrój prostokątny 145
4.5.4. Przykład wykorzystania nomogramu Błaszczyka  149
4.6. Przewody kanalizacyjne  149
4.7. Ruch krytyczny, podkrytyczny i nadkrytyczny  153
4.7.1. Interpretacja graficzna zależności głębokości krytycznej od wysokości energii  155
4.7.2. Sposoby ustalania rodzaju ruchu  156
4.8. Odskok hydrauliczny. Głębokości sprzężone 158
4.9. Ruch niejednostajny w korytach  163
4.10. Obliczanie krzywej spiętrzenia w korytach nieregularnych  166
5. Wypływ cieczy przez otwory  168
5.1. Wypływ ustalony  168
5.1.1. Wypływ swobodny przez mały otwór niezatopiony  169
5.1.2. Wypływ z dużego otworu niezatopionego  174
5.1.3. Wypływ z małego i dużego otworu zatopionego  176
5.2. Wypływ nieustalony  178
5.2.1. Określenie czasu opróżniania zbiornika 178
6. Przepływ przez przelewy  179
6.1. Klasyfikacja przelewów  180
6.2. Przelewy o ostrej krawędzi  182
6.3. Przelewy o kształtach praktycznych  184
6.4. Przelewy o szerokiej koronie  186
7. Przepływ wody w gruntach  188
7.1. Podstawowe prawa ruchu wód podziemnych 188
7.1.1. Współczynnik filtracji  190
7.1.2. Podstawowe prawo filtracji, opór filtracji i przewodność filtracji  193
7.2. Obliczanie ilości wody wypompowywanej ze studni 194
7.2.1. Studnia zwykła o poziomej warstwie nieprzepuszczalnej 194
7.2.2. Studnia pochłaniająca (absorbcyjna)  196
7.2.3. Studnia artezyjska (naporowa)  197
7.3. Obliczanie ilości wody dopływającej do wykopu (drenu)  199
7.4. Odwodnienie wykopu za pomocą zespołu studni  200
8. Mosty i przepusty  201
8.1. Obliczenia hydrauliczne mostów 202
8.1.1. Obliczenie światła mostu  203
8.1.2. Obliczenie głębokości rozmycia dna  208
8.1.3. Obliczenie maksymalnego spiętrzenia wody  211
8.2. Obliczenia hydrauliczne przepustów  213
8.2.1. Warunki techniczne dla obliczeń hydraulicznych przepustów 213
8.2.2. Kolejność postępowania przy obliczeniach hydraulicznych przepustów 214
8.2.3. Przepusty prostokątne  217
8.2.4. Przepusty o przekroju kołowym 218
8.2.5. Dopuszczalny poziom spiętrzenia  226
8.2.6. Przepusty o wlocie zatopionym i przepływie pełnym przekrojem 226
8.2.7. Pochylenie dna przepustu  227
9. Zadania  228

LITERATURA  259

ZAŁĄCZNIKI  263