Гидравлическая инженерия: принципы и история развития

Введение

Поддисциплина гражданского строительства, связанная с течением и транспортировкой жидкостей.

Гидравлическая инженерия как поддисциплина гражданского строительства занимается изучением течения и транспортировкой жидкостей, преимущественно воды и сточных вод. Одной из характерных особенностей этих систем является широкое использование силы тяжести в качестве движущей силы для перемещения жидкостей. Эта область гражданской инженерии тесно связана с проектированием мостов, плотин, каналов, водотоков и дамб, а также с санитарной и экологической инженерией. Гидравлическая инженерия – это применение принципов механики жидкости к задачам, связанным со сбором, хранением, управлением, транспортировкой, регулированием, измерением и использованием воды. Прежде чем приступить к проекту в области гидравлической инженерии, необходимо определить объем вовлеченной воды. Гидравлик изучает перенос наносов рекой, взаимодействие воды с аллювиальным дном, а также процессы размыва и отложения.

Основные принципы

Некоторые примеры фундаментальных принципов гидравлического проектирования включают механику жидкости, течение жидкости, поведение реальных жидкостей, гидрологию, трубопроводы, гидравлику открытых каналов, механику переноса наносов, физическое моделирование, гидравлические машины и гидравлику дренажных систем.

Механика жидкостей

Основы гидротехники определяют гидростатику как изучение жидкостей в состоянии покоя. Поток внутри слоя может быть ламинарным или турбулентным, в зависимости от числа Рейнольдса. Другие ранние примеры использования силы тяжести для перемещения воды включают систему канатов в древней Персии и очень похожую систему Турпан в древнем Китае, а также ирригационные каналы в Перу. В древнем Китае гидравлическая инженерия была высоко развита, и инженеры строили массивные каналы с дамбами и плотинами для направления потока воды для орошения, а также шлюзы для обеспечения судоходства. Суньшу Ао считается первым китайским инженером-гидравликом. Другой важный инженер-гидравлик в Китае, Сюмен Бао, считается инициатором практики крупномасштабного орошения каналов в период Сражающихся царств (481–221 гг. до н.э.), и по сей день инженеры-гидравлики пользуются уважением в Китае. В архаический период на Филиппинах также развивалась гидравлическая инженерия, особенно на острове Лусон. Ифугао, жители горного региона Кордильеры, строили ирригационные сооружения, плотины и гидротехнические работы, включая знаменитые рисовые террасы Банауэ, для облегчения выращивания сельскохозяйственных культур примерно с 1000 г. до н.э. Эти рисовые террасы – это двухтысячелетние террасы, высеченные предками коренных народов в горах Ифугао на Филиппинах. Рисовые террасы часто называют «восьмым чудом света». Считается, что террасы были построены с использованием минимального оборудования, в основном вручную. Террасы расположены примерно на высоте 1500 метров (5000 футов) над уровнем моря и питаются древней ирригационной системой из тропических лесов, расположенных выше террас. Говорят, что если соединить все ступени террас, они опояшут половину земного шара. Евпалин из Мегары был древнегреческим инженером, построившим туннель Евпалина на Самосе в VI веке до н.э., что стало важным достижением как в области гражданского, так и гидравлического строительства. Гражданско-строительный аспект этого туннеля заключался в том, что его рыли с обеих сторон, что требовало от строителей поддерживать точный курс, чтобы туннели встретились, и обеспечивать достаточный уклон для течения воды. Гидравлическая инженерия была высоко развита в Европе под эгидой Римской империи, где она особенно применялась при строительстве и обслуживании акведуков для подачи воды и отвода сточных вод из городов. Дальнейшие достижения в области гидравлической инженерии произошли в мусульманском мире между VIII и XVI веками, в период, известный как Исламский золотой век. Особое значение имел «технологический комплекс управления водными ресурсами», который был центральным для Исламской зеленой революции. Различные компоненты этого «инструментария» разрабатывались в разных частях афроевразийского континента, как внутри, так и за пределами исламского мира. Однако именно в средневековых исламских землях этот технологический комплекс был собран и стандартизирован, а затем распространился по всему Старому Свету. Под властью единого исламского халифата различные региональные гидравлические технологии были объединены в «идентифицируемый технологический комплекс управления водными ресурсами, который оказал глобальное влияние». Различные компоненты этого комплекса включали каналы, плотины, систему канатов из Персии, региональные устройства для подъема воды, такие как нория, шадуф и винтовой насос из Египта, а также ветряные мельницы из исламского Афганистана, поршневой всасывающий насос и кривошипно-шатунный механизм из Ирака и систему водоснабжения с зубчатым приводом и гидроэнергетикой из Сирии.

Fundamentals of Hydraulic Engineering defines hydrostatics as the study of fluids at rest. The flow inside the layer can be either vicious or turbulent, depending on Reynolds number. Other early examples of using gravity to move water include the Qanat system in ancient Persia and the very similar Turpan water system in ancient China as well as irrigation canals in Peru. In ancient China, hydraulic engineering was highly developed, and engineers constructed massive canals with levees and dams to channel the flow of water for irrigation, as well as locks to allow ships to pass through. Sunshu Ao is considered the first Chinese hydraulic engineer. Another important Hydraulic Engineer in China, Ximen Bao was credited of starting the practice of large scale canal irrigation during the Warring States period (481 BC–221 BC), even today hydraulic engineers remain a respectable position in China. In the Archaic epoch of the Philippines, hydraulic engineering also developed specially in the Island of Luzon, the Ifugaos of the mountainous region of the Cordilleras built irrigations, dams and hydraulic works and the famous Banaue Rice Terraces as a way for assisting in growing crops around 1000 BC. These Rice Terraces are 2,000 year old terraces that were carved into the mountains of Ifugao in the Philippines by ancestors of the indigenous people. The Rice Terraces are commonly referred to as the "Eighth Wonder of the World". It is commonly thought that the terraces were built with minimal equipment, largely by hand. The terraces are located approximately 1500 metres (5000 ft) above sea level. They are fed by an ancient irrigation system from the rainforests above the terraces. It is said that if the steps were put end to end, it would encircle half the globe. Eupalinos of Megara was an ancient Greek engineer who built the Tunnel of Eupalinos on Samos in the 6th century BC, an important feat of both civil and hydraulic engineering. The civil engineering aspect of this tunnel was that it was dug from both ends which required the diggers to maintain an accurate path so that the two tunnels met and that the entire effort maintained a sufficient slope to allow the water to flow. Hydraulic engineering was highly developed in Europe under the aegis of the Roman Empire where it was especially applied to the construction and maintenance of aqueducts to supply water to and remove sewage from their cities. Further advances in hydraulic engineering occurred in the Muslim world between the 8th and 16th centuries, during what is known as the Islamic Golden Age. Of particular importance was the 'water management technological complex' which was central to the Islamic Green Revolution. The various components of this 'toolkit' were developed in different parts of the Afro Eurasian landmass, both within and beyond the Islamic world. However, it was in the medieval Islamic lands where the technological complex was assembled and standardized, and subsequently diffused to the rest of the Old World. Under the rule of a single Islamic caliphate, different regional hydraulic technologies were assembled into "an identifiable water management technological complex that was to have a global impact." The various components of this complex included canals, dams, the qanat system from Persia, regional water lifting devices such as the noria, shaduf and screwpump from Egypt, and the windmill from Islamic Afghanistan. the reciprocating suction pump and crankshaft connecting rod mechanism from Iraq,and the geared and hydropowered water supply system from Syria.

Современность

Во многих отношениях основы гидравлического проектирования не изменились с древних времен. Жидкости по-прежнему перемещаются в основном под действием силы тяжести через системы каналов и акведуков, хотя резервуары теперь могут заполняться с помощью насосов. Потребность в воде неуклонно росла с древних времен, и роль инженера-гидравлика критически важна для её обеспечения. Например, без усилий таких людей, как Уильям Мулхолланд, район Лос-Анджелеса не смог бы расти так, как он, поскольку ему просто не хватает местных водных ресурсов для поддержания населения. То же самое справедливо и для многих крупнейших городов мира. Аналогичным образом, центральная долина Калифорнии не смогла бы стать столь важным сельскохозяйственным регионом без эффективного управления водными ресурсами и распределения воды для орошения. В некоторой степени параллельно событиям в Калифорнии, создание Управления долиной Теннесси (TVA) принесло работу и процветание Югу, построив плотины для производства дешевой электроэнергии и контроля над наводнениями в регионе, сделав реки судоходными и в целом модернизировав жизнь в регионе. Леонардо да Винчи (1452–1519) проводил эксперименты, исследовал и размышлял о волнах и струях, водоворотах и обтекании. Исаак Ньютон (1642–1727), сформулировав законы движения и закон вязкости, а также разработав математический анализ, проложил путь для многих важных достижений в механике жидкости. Используя законы движения Ньютона, многочисленные математики XVIII века решили множество задач о течении без трения (нулевой вязкости). Однако в большинстве течений преобладают вязкие эффекты, поэтому инженеры XVII и XVIII веков сочли решения для идеальной жидкости непригодными и, посредством экспериментов, разработали эмпирические уравнения, тем самым заложив основы науки гидравлики. Современный инженер-гидравлик использует те же инструменты автоматизированного проектирования (CAD), что и многие другие инженерные дисциплины, а также такие технологии, как вычислительная гидродинамика, для выполнения расчетов и точного прогнозирования характеристик потока, GPS-картографию для определения оптимальных маршрутов прокладки системы и лазерные инструменты для геодезических работ при строительстве.

In many respects, the fundamentals of hydraulic engineering have not changed since ancient times. Liquids are still moved for the most part by gravity through systems of canals and aqueducts, though the supply reservoirs may now be filled using pumps. The need for water has steadily increased from ancient times and the role of the hydraulic engineer is a critical one in supplying it. For example, without the efforts of people like William Mulholland the Los Angeles area would not have been able to grow as it has because it simply does not have enough local water to support its population. The same is true for many of our world's largest cities. In much the same way, the central valley of California could not have become such an important agricultural region without effective water management and distribution for irrigation. In a somewhat parallel way to what happened in California, the creation of the Tennessee Valley Authority (TVA) brought work and prosperity to the South by building dams to generate cheap electricity and control flooding in the region, making rivers navigable and generally modernizing life in the region. Leonardo da Vinci (1452–1519) performed experiments, investigated and speculated on waves and jets, eddies and streamlining. Isaac Newton (1642–1727) by formulating the laws of motion and his law of viscosity, in addition to developing the calculus, paved the way for many great developments in fluid mechanics. Using Newton's laws of motion, numerous 18th century mathematicians solved many frictionless (zero viscosity) flow problems. However, most flows are dominated by viscous effects, so engineers of the 17th and 18th centuries found the inviscid flow solutions unsuitable, and by experimentation they developed empirical equations, thus establishing the science of hydraulics. The modern hydraulic engineer uses the same kinds of computer aided design (CAD) tools as many of the other engineering disciplines while also making use of technologies like computational fluid dynamics to perform the calculations to accurately predict flow characteristics, GPS mapping to assist in locating the best paths for installing a system and laser based surveying tools to aid in the actual construction of a system.