Inżynieria hydrauliczna

Nie mylić z inżynierią hydrologiczną .

Hydrauliczny zbiornik przeciwpowodziowy (HFRB)

Widok z Church Span Bridge, Berno , Szwajcaria

Riprap wyściełający brzeg jeziora

Hydrotechnika jako subdyscyplina inżynierii lądowej zajmuje się przepływem i transportem płynów , głównie wody i ścieków. Jedną z cech tych systemów jest szerokie wykorzystanie grawitacji jako siły napędowej powodującej ruch płynów. Ta dziedzina inżynierii lądowej i wodnej jest ściśle związana z projektowaniem mostów , zapór , kanałów , kanałów i wałów przeciwpowodziowych , a także z inżynierią sanitarną i środowiskową .

Inżynieria hydrauliczna to zastosowanie zasad mechaniki płynów do problemów związanych z gromadzeniem, przechowywaniem, kontrolą, transportem, regulacją, pomiarem i wykorzystaniem wody. Przed rozpoczęciem projektu hydrotechnicznego należy dowiedzieć się, ile wody jest zaangażowane. Inżynier hydraulik zajmuje się transportem osadów przez rzekę, oddziaływaniem wody z jej aluwialną granicą oraz występowaniem wypłukiwania i osadzania się. „Inżynier hydraulik w rzeczywistości opracowuje projekty koncepcyjne różnych obiektów wchodzących w interakcję z wodą, takich jak przelewy i odpływy tam, przepusty autostrad, kanały i powiązane konstrukcje na potrzeby projektów irygacyjnych oraz instalacje wody chłodzącej dla elektrownie cieplne ”.

Fundamentalne zasady

Kilka przykładów podstawowych zasad inżynierii hydraulicznej obejmuje mechanikę płynów , przepływ płynów , zachowanie rzeczywistych płynów, hydrologię , rurociągi, hydraulikę kanałów otwartych, mechanikę transportu osadów , modelowanie fizyczne, maszyny hydrauliczne i hydraulikę odwadniającą.

Mechanika płynów

Podstawy inżynierii hydraulicznej definiują hydrostatykę jako badanie płynów w spoczynku. W płynie w spoczynku istnieje siła, znana jako ciśnienie, która działa na otoczenie płynu. To ciśnienie, mierzone w N/m2 ^, nie jest stałe w całym płynie. Ciśnienie p w danej cieczy wzrasta wraz ze wzrostem głębokości. Gdzie siła skierowana w górę na ciało działa na podstawę i można ją znaleźć za pomocą równania:

${\ Displaystyle p = \ rho gy}$

Gdzie,

ρ = gęstość wody

g = ciężar właściwy

y = głębokość zbiornika cieczy

Przekształcenie tego równania daje wysokość ciśnienia ${\ Displaystyle {\ Frac {p} {\ rho g}} = y}$ . Cztery podstawowe przyrządy do pomiaru ciśnienia to piezometr , manometr , manometr różnicowy, manometr Bourdona oraz manometr pochylony.

Jak stwierdza Prasuhn:

Na niezakłóconych zanurzonych ciałach ciśnienie działa wzdłuż wszystkich powierzchni ciała w cieczy, powodując, że równe siły prostopadłe w ciele działają przeciw ciśnieniu cieczy. Ta reakcja jest znana jako równowaga. Bardziej zaawansowane zastosowania nacisku to powierzchnie płaskie, powierzchnie zakrzywione, tamy i bramy kwadrantowe, żeby wymienić tylko kilka.

Zachowanie się płynów rzeczywistych

Płyny rzeczywiste i doskonałe

Główna różnica między płynem idealnym a płynem rzeczywistym polega na tym, że dla przepływu idealnego p ₁ = p ₂ i dla przepływu rzeczywistego p ₁ > p ₂ . Idealny płyn jest nieściśliwy i nie ma lepkości. Prawdziwy płyn ma lepkość. Idealny płyn jest tylko płynem urojonym, ponieważ wszystkie istniejące płyny mają pewną lepkość.

Lepki przepływ

Lepki płyn odkształca się w sposób ciągły pod działaniem siły ścinającej zgodnie z prawem pasków, podczas gdy płyn idealny nie odkształca się.

Przepływ laminarny i turbulencja

Różne efekty zakłóceń w przepływie lepkim to stabilny, przejściowy i niestabilny.

Równanie Bernoulliego

Dla idealnego płynu równanie Bernoulliego zachodzi wzdłuż linii prądu.

${\ Displaystyle {\ Frac {p} {\ rho g}} + {\ Frac { u^{2}}{2g}}={\frac {p_{1}}{\rho g}}+{\frac {u_{1}^{2}}{2g}}={\frac {p_ {2}}{\rho g}}+{\frac {u_{2}^{2}}{2g}}}$

Gdy przepływ styka się z płytą, warstwa płynu faktycznie „przywiera” do stałej powierzchni. Następuje wtedy znaczne ścinanie działanie między warstwą płynu na powierzchni płyty a drugą warstwą płynu. Dlatego druga warstwa jest zmuszona do spowolnienia (chociaż nie jest całkowicie zatrzymana), tworząc działanie ścinające z trzecią warstwą płynu i tak dalej. Gdy płyn przepływa dalej wraz z płytą, strefa, w której występuje działanie ścinające, ma tendencję do rozszerzania się dalej na zewnątrz. Strefa ta jest znana jako „warstwa graniczna”. Przepływ poza warstwą graniczną jest wolny od sił ścinających i związanych z lepkością, więc zakłada się, że działa jak płyn idealny. Międzycząsteczkowe siły kohezji w płynie nie są wystarczająco duże, aby utrzymać płyn razem. Stąd płyn będzie płynął pod działaniem najmniejszego naprężenia, a przepływ będzie trwał tak długo, jak długo występuje naprężenie. Przepływ wewnątrz warstwy może być błędny lub turbulentny, w zależności od liczby Reynoldsa.

Aplikacje

Typowe tematy projektowania dla inżynierów hydraulików obejmują konstrukcje hydrauliczne, takie jak tamy , wały przeciwpowodziowe , sieci dystrybucji wody, w tym zaopatrzenie w wodę domową i przeciwpożarową, dystrybucję i automatyczne instalacje tryskaczowe, sieci kanalizacyjne, sieci kanalizacyjne, gospodarkę wodną burzową , transport osadów i różne inne tematy związane z inżynierią transportu i inżynierią geotechniczną . Równania opracowane na podstawie zasad dynamiki płynów i mechaniki płynów są szeroko stosowane przez inne dziedziny inżynierii, takie jak inżynierowie mechanicy, lotnicy , a nawet inżynierowie ruchu.

Pokrewne gałęzie obejmują hydrologię i reologię , podczas gdy pokrewne zastosowania obejmują modelowanie hydrauliczne, mapowanie powodzi, plany zarządzania zlewnią powodziową, plany zarządzania linią brzegową, strategie dotyczące ujść rzek, ochronę wybrzeża i łagodzenie skutków powodzi.

Historia

Antyk

Zobacz też: Warunki sanitarne cywilizacji doliny Indusu

Zobacz też: Architektura Filipin i Osiągnięcia kulturowe Filipin przedkolonialnych

Najwcześniejsze zastosowania inżynierii wodnej dotyczyły nawadniania upraw i sięgają Bliskiego Wschodu i Afryki . Kontrolowanie ruchu i dostarczania wody do uprawy żywności jest stosowane od wielu tysięcy lat. Jedna z najwcześniejszych maszyn hydraulicznych, zegar wodny, był używany na początku II tysiąclecia pne. Inne wczesne przykłady wykorzystania grawitacji do przemieszczania wody obejmują Qanat w starożytnej Persji i bardzo podobny system wodny Turpan w starożytnych Chinach, a także kanały irygacyjne w Peru.

W starożytnych Chinach inżynieria hydrauliczna była bardzo rozwinięta, a inżynierowie budowali masywne kanały z wałami przeciwpowodziowymi i zaporami, aby kierować przepływ wody do nawadniania, a także śluzy umożliwiające przepływanie statków. Sunshu Ao jest uważany za pierwszego chińskiego inżyniera hydraulika. Innemu ważnemu inżynierowi hydraulikowi w Chinach, Ximenowi Bao, przypisuje się rozpoczęcie praktyki nawadniania kanałów na dużą skalę w okresie Walczących Królestw (481 pne-221 pne), nawet dzisiaj inżynierowie hydraulików zajmują w Chinach szanowaną pozycję. Zanim zostałem Sekretarz Generalny Komunistycznej Partii Chin w 2002 roku, Hu Jintao był inżynierem hydraulikiem i posiada dyplom inżyniera Uniwersytetu Tsinghua

Tarasy ryżowe Banaue w Kordylierach Filipińskich , starożytne rozległe budowle stworzone przez człowieka, które są wpisane na Listę Światowego Dziedzictwa UNESCO .

W archaicznej epoce Filipin inżynieria hydrauliczna rozwinęła się również specjalnie na wyspie Luzon , a Ifugaos z górzystego regionu Kordylierów budowali systemy irygacyjne, tamy i instalacje hydrauliczne oraz słynne tarasy ryżowe Banaue jako sposób na pomoc w uprawie roślin wokół 1000 pne. Te tarasy ryżowe to 2000-letnie tarasy , które zostały wykute w górach Ifugao na Filipinach przez przodków rdzennej ludności . Tarasy Ryżowe są powszechnie nazywane „ ósmym cudem świata ”. Powszechnie uważa się, że tarasy były budowane przy użyciu minimalnego sprzętu, w dużej mierze ręcznie. Tarasy znajdują się około 1500 metrów (5000 stóp) nad poziomem morza. Są one zasilane przez starożytny irygacyjny z lasów deszczowych nad tarasami. Mówi się, że gdyby stopnie zostały ułożone od końca do końca, okrążyłoby to połowę globu.

Eupalinos z Megary był starożytnym greckim inżynierem , który zbudował tunel Eupalinos na Samos w VI wieku pne, co było ważnym osiągnięciem inżynierii lądowej i wodnej. Aspekt inżynierii lądowej tego tunelu polegał na tym, że został on wykopany z obu końców, co wymagało od kopaczy utrzymania dokładnej ścieżki, tak aby dwa tunele się spotkały, i aby cały wysiłek utrzymywał wystarczające nachylenie, aby umożliwić przepływ wody.

Inżynieria hydrauliczna była wysoko rozwinięta w Europie pod egidą Cesarstwa Rzymskiego , gdzie była szczególnie stosowana do budowy i konserwacji akweduktów dostarczających wodę do miast i odprowadzających ścieki z ich miast. Oprócz zaspokajania potrzeb swoich mieszkańców, wykorzystywali oni hydrauliczne metody wydobywcze do poszukiwania i wydobywania aluwialnych złóż złota techniką znaną jako hushing oraz stosowali te metody do innych rud, takich jak rudy cyny i ołowiu .

W XV wieku somalijskie imperium Ajuran było jedynym imperium hydraulicznym w Afryce. Jako imperium hydrauliczne państwo Ajuran zmonopolizowało zasoby wodne rzek Jubba i Shebelle . Dzięki inżynierii hydraulicznej zbudował również wiele wapiennych studni i cystern w stanie, które nadal działają i są w użyciu. Władcy opracowali nowe systemy rolnictwa i podatków , które nadal były stosowane w niektórych częściach królestwa Rogu Afryki dopiero w XIX wieku.

Dalszy postęp w inżynierii wodnej nastąpił w świecie muzułmańskim między VIII a XVI wiekiem, podczas tak zwanego Złotego Wieku Islamu . Szczególne znaczenie miał „ kompleks technologiczny gospodarki wodnej ”, który był centralnym elementem Islamskiej Zielonej Rewolucji , a co za tym idzie, warunkiem wstępnym pojawienia się nowoczesnych technologii. Różne elementy tego „zestawu narzędzi” zostały opracowane w różnych częściach kontynentu afro-euroazjatyckiego , zarówno w świecie islamu, jak i poza nim. Jednak to właśnie na średniowiecznych ziemiach islamskich kompleks technologiczny został zebrany i ustandaryzowany, a następnie rozpowszechniony w pozostałej części Starego Świata. Pod rządami jednego muzułmanina Kalifatu różne regionalne technologie hydrauliczne zostały połączone w „możliwy do zidentyfikowania kompleks technologiczny zarządzania wodą , który miał mieć globalny wpływ”. Różne elementy tego kompleksu obejmowały kanały , tamy , system qanat z Persji, regionalne urządzenia do podnoszenia wody, takie jak noria , shaduf i screwpump z Egiptu oraz wiatrak z islamskiego Afganistanu . Inne oryginalne rozwiązania islamskie obejmowały saqiya z efektem koła zamachowego z islamskiej Hiszpanii, tłokową pompę ssącą i mechanizm korbowodu z Iraku , system zaopatrzenia w wodę z przekładnią i hydronapędem z Syrii oraz metody oczyszczania wody stosowane przez islamskich chemików .

Nowoczesne czasy

Pod wieloma względami podstawy hydrotechniki nie zmieniły się od czasów starożytnych. Ciecze są nadal przenoszone głównie grawitacyjnie przez systemy kanałów i akweduktów, chociaż zbiorniki zasilające można teraz napełniać za pomocą pomp. Zapotrzebowanie na wodę stale rosło od czasów starożytnych, a rola inżyniera hydraulika jest kluczowa w dostarczaniu jej. Na przykład bez wysiłków ludzi takich jak William Mulholland obszar Los Angeles nie byłby w stanie rozwijać się tak, jak ma to miejsce, ponieważ po prostu nie ma wystarczającej ilości lokalnej wody, aby utrzymać swoją populację. To samo dotyczy wielu największych miast naszego świata. W podobny sposób środkowa dolina Kalifornii nie mogłaby stać się tak ważnym regionem rolniczym bez efektywnej gospodarki wodnej i dystrybucji wody do nawadniania. W nieco podobny sposób do tego, co wydarzyło się w Kalifornii, utworzenie Tennessee Valley Authority (TVA) przyniosła pracę i dobrobyt na Południu, budując tamy w celu wytwarzania taniej energii elektrycznej i kontrolowania powodzi w regionie, umożliwiając żeglowność rzek i ogólnie modernizując życie w regionie.

Leonardo da Vinci (1452–1519) przeprowadzał eksperymenty, badał i spekulował na temat fal i dżetów, wirów i opływowości. Isaac Newton (1642-1727), formułując prawa ruchu i swoje prawo lepkości, oprócz opracowania rachunku różniczkowego, utorował drogę wielu wielkim osiągnięciom w mechanice płynów. Korzystając z praw ruchu Newtona, wielu XVIII-wiecznych matematyków rozwiązało wiele problemów z przepływem bez tarcia (o zerowej lepkości). Jednak większość przepływów jest zdominowana przez efekty lepkie, więc inżynierowie XVII i XVIII wieku uznali rozwiązania przepływu nielepkiego za nieodpowiednie i eksperymentując opracowali równania empiryczne, ustanawiając w ten sposób naukę hydrauliki.

Pod koniec XIX wieku uznano znaczenie liczb bezwymiarowych i ich związku z turbulencjami i narodziła się analiza wymiarowa. W 1904 roku Ludwig Prandtl opublikował kluczowy artykuł, w którym zaproponował podział pól przepływu płynów o niskiej lepkości na dwie strefy, a mianowicie cienką warstwę graniczną o zdominowanej lepkością w pobliżu powierzchni ciał stałych oraz skutecznie nielepką strefę zewnętrzną z dala od granic. Ta koncepcja wyjaśniła wiele wcześniejszych paradoksów i umożliwiła kolejnym inżynierom analizowanie znacznie bardziej złożonych przepływów. Jednak nadal nie mamy kompletnej teorii natury turbulencji, więc współczesna mechanika płynów nadal jest połączeniem wyników eksperymentów i teorii.

Współczesny inżynier hydraulik korzysta z tego samego rodzaju narzędzi do projektowania wspomaganego komputerowo (CAD), co wiele innych dziedzin inżynierii, jednocześnie wykorzystując technologie, takie jak obliczeniowa dynamika płynów, do wykonywania obliczeń w celu dokładnego przewidywania charakterystyk przepływu, mapowanie GPS pomagające w lokalizacji najlepsze ścieżki do instalacji systemu i laserowe narzędzia geodezyjne, które pomagają w faktycznej budowie systemu.

Zobacz też

• Inżynieria lądowa - dyscyplina inżynierska skoncentrowana na infrastrukturze fizycznej
• Oprogramowanie inżynierii lądowej - Oprogramowanie używane w inżynierii lądowej
• Eupalinos - starożytny grecki architekt Strony wyświetlające opisy danych wiki jako rozwiązanie awaryjne
• HEC-RAS – oprogramowanie do modelowania hydrauliki przepływu wody Strony wyświetlające opisy wikidanych jako rozwiązanie awaryjne
• Henri Pitot – XVIII-wieczny francuski inżynier hydraulik
• Hydrologia - nauka o ruchu, rozmieszczeniu i jakości wody na Ziemi i innych planetach
• Hydrologia (rolnictwo) - badanie elementów bilansu wodnego wpływających na gospodarkę wodną w rolnictwie, zwłaszcza w nawadnianiu i odwadnianiu Strony wyświetlające opisy danych wikidanych jako rozwiązanie awaryjne
• Podnośnik hydrauliczny – Mechaniczne urządzenie podnoszące Strony wyświetlające krótkie opisy celów przekierowania
• Wydobywanie hydrauliczne - Technika wydobywcza wykorzystująca strumienie wody pod wysokim ciśnieniem do wydobywania minerałów
• Struktura hydrauliczna - sztuczna konstrukcja, która zakłóca naturalny przepływ wody Strony wyświetlające opisy danych wiki jako rozwiązanie awaryjne
• Międzynarodowe Stowarzyszenie Inżynierii i Badań Środowiska Wodnego
• Nawadnianie - Rolnicze sztuczne stosowanie wody do gruntów
• Znaczące współczesne powodzie – wylew wody zatapiający zwykle suchy ląd Strony wyświetlające krótkie opisy celów przekierowania
• Inżynieria morska – Dyscyplina inżynierska zajmująca się projektowaniem i budową jednostek pływających
• Sunshu Ao – chiński inżynier hydraulik i polityk
• Ximen Bao - chiński filozof i inżynier Strony wyświetlające opisy danych wiki jako rozwiązanie awaryjne

Dalsza lektura

•   Vincent J. Zipparro, Hans Hasen (red.), Davis' Handbook of Applied Hydraulics , McGraw-Hill , wydanie 4 (1992), ISBN 0070730024 , w Amazon.com
• Klasyfikacja substancji organicznych w ściekach wtórnych. M. Rebhun, J. Manka. Nauka o środowisku i technologia, 5, s. 606–610, (1971). 25.

Linki zewnętrzne

• Międzynarodowe Stowarzyszenie Inżynierii i Badań Wodnych
• Inżynieria hydrauliczna w prehistorycznym Meksyku zarchiwizowana 30.04.2015 w Wayback Machine
• Hydrologic Engineering Center zarchiwizowane 2013-03-08 w Wayback Machine
• Chanson, H. (2007). Hydrotechnika w XXI wieku: dokąd? , Journal of Hydraulic Research, IAHR, tom. 45, nr 3, s. 291–301 (ISSN 0022-1686).