Министерство образования и науки рф Федеральное агентство по образованию Брянская государственная инженерно-технологическая академия

Утверждено

редакционно-издательским

Советом академии

протокол № .......

“. .” декабря..2005 г.

Гидравлика

Лабораторный практикум

для студентов строительного факультета

специальности 291000

“Автомобильные дороги и аэродромы”

Брянск 2005

УДК 532

Гидравлика. Лабораторный практикум для студентов для студентов строительного факультета специальности 291000 “Автомобильные дороги и аэродромы” - Брянск, БГИТА,2005. - 42 с.

Разработал А.Н.Архангельский, канд. техн. наук. доцент

Рецензент Э.А.Лагерева, канд. техн. наук, доцент БГТУ

Рекомендовано редакционно-издательской комиссией строительного факультета БГИТА

( Протокол № от декабря 2005 г.)

Лицензия ЛР № 021039 от 13.02.96г.

Сдано в печать Подписано в печать Формат 60х84 1/16

Бумага белая писчая Печать высокая Усл. п. л. 2,53 Уч. изд. л.2,73 Печ.л. 2,53 Тираж 30 экз. Заказ Бесплатно

Б рянская государственная инженерно-технологическая академия

Брянск, пр. - т Ст. Димитрова, 3 Введение

Дисциплина «Гидравлика» включает в себя раздел специальной гидравлики, в которой изучаются процессы и методы расчета водоотводных, сопрягающих и водопропускных сооружений. Движения потока воды происходит в этих сооружениях в безнапорном режиме с открытой свободной поверхностью. Методы расчета таких сооружений требуют хорошего понимания процессов, происходящие в них. Для детального изучения основных процессов происходящих в дорожных сооружений, составляющих систему водоотвода автомобильной дороги, выполняется комплекс из семи лабораторных работ. Выполнение этих работ предусматривает изучение теоретических положений по рассматриваемой теме, проведение опытов на специальной лабораторной установке, оформление работы и ее защиты. Подготовка к защите предусматривает обязательное использование рекомендованной литературы с целью увеличения и углубления объема знаний по специальной гидравлике.

Все лабораторные работы по специальной гидравлике выполняются на специальной лабораторной установке. Схема установки показана на рис.1.

Рис. 1 Схема лабораторной установки.

(1 - выключатель электроснабжения установки; 2 - электродвигатель; 3 - центробежный насос; 4 - вентиль для регулирования расхода воды в установке; 5 - подающий патрубок; 6 - гидравлический лоток; 7 - регулируемая по высоте положения заслонка; 8 - устройство для регулирования угла наклона лотка;9 - промежуточный бак; 10 - мерный водослив с тонкой стенкой; 11 - основной бак установки; 12 - отсасывающий патрубок; 13 – измерительное устройство).

Лоток выполнен из прозрачного материала, что позволяет наблюдать процесс движения воды в нем. При проведении опытов в лотке устанавливаются различные устройства позволяющие моделировать работу основных сопрягающих сооружений, применяемых в автодорожных водоотводных сооружениях.

Включение и выключение установки осуществляется только преподавателем.

Лабораторная работа №1

Равномерное движение воды в каналах

Цель работы - изучение видов и режимов движения жидкости в каналах.

Задачи работы

• Изучении теории равномерного движения жидкости.

• Экспериментальное изучения влияния уклона и шероховатости русла на глубину потока.

• Определение режима и состояния потока в лотке лабораторной установки.

• Определение коэффициента шероховатости лотка лабораторной установки.

Теоретическая часть

Движение потока в каналах может быть равномерным и неравномерным. При равномерном движении потока средние скорости по его длине не изменяются, т. е. при неизменяемых расходе, размерах и формах живого сечения, шероховатости русла и гидравлического уклона, глубина наполнения русла во всех его сечениях одинакова. Эту глубину называют нормальной или бытовой глубиной и обозначают .

Пьезометрическая линия в свободных потоках совпадает со свободной поверхностью и, следовательно, при равномерном движении она параллельна дну канала.

Основным расчетным уравнением для равномерного движения жидкости является уравнение Шези:

; (1.1)

где v - средняя в сечении скорость движения воды, м/с;

С - коэффициент Шези, м / c ;

R - гидравлический радиус, м;

I - уклон дна канала;

Q - расход потока, м /с;

 - площадь живого сечения, м .

Кроме приведенных зависимостей в расчетах пользуются формулами:

расходной характеристики

(1.2)

скоростной характеристики (1.3)

уклона (1.4)

Поперечное сечение каналов, кюветов, лотков может иметь различные формы: прямоугольную, параболическую, трапецеидальную, треугольную. Наиболее распространены трапецеидальная (рис.1.1.а), треугольная (рис.1.1.б) и прямоугольная (рис. 1.1.в) формы сечения.

Рис. 1.1.Поперечные сечения каналов

К основным элементам живого сечения потока относятся:

b - ширина русла по дну;

m - коэффициент заложения откоса, равный m = ctg  и назначаемый в зависимости от вида грунтов, в которых проложен канал.

h - глубина потока в рассматриваемом сечении;

B - ширина русла по свободной поверхности.

Для трапецеидального сечения гидравлические элементы потока определяются следующими зависимостями:

площадь живого сечения ; (1.5)

смоченный периметр (1.6)

гидравлический радиус (1.7)

ширина русла по свободной поверхности (1.8)

Для русла треугольной формы b = 0, а для прямоугольной формы

m = 0.

Для расчета канала при равномерном движении, необходимо знать также величину коэффициента шероховатости n и коэффициент Шези C.

Коэффициент шероховатости n зависит от рода грунтов, типа укрепления канала, состояния русла /3/.

Равномерное движение может проходить в двух режимах: ламинарном (слоистом) и турбулентном (с перемешиванием). Режим движения определяется с использованием критерия Рейнольдса, который для призматических каналов рассчитывается по формуле

(1.9)

где V – средняя скорость потока;

R – гидравлический радиус;

 -кинематическая вязкость жидкости.

Если режим движения жидкости турбулентный.

Движение воды в каналах систем дорожного водоотвода обычно соответствует области квадратичных сопротивлений (турбулентный режим), для которой коэффициент Шези находят по формуле Н.Н.Павловского:

, (1.10)

где y - показатель степени , определяемый по формуле:

(1.11)

Широкое распространение, в связи с ее простотой и достаточной для практических расчетов точностью, получила формула Маннинга:

(1.12)

При равномерном движении поток может находиться в спокойном, критическом и бурном состояниях. Состояние потока зависит от величины удельной кинетической энергии, определенной относительно самой низкой точки поперечного сечения канала.

Критическая глубина hк, т.е. глубина, соответствующая минимуму удельной энергии сечения для русла любой формы поперечного сечения, определяется из основного уравнения критического состояния потока.

(1.13)

где к - площадь сечения потока при глубине, равной критической, м;

bк - ширина русла по свободной поверхности потока при той же глубине, м;

 - коэффициент кинетической энергии, обычно принимаемый равным 1,1;

g - ускорение свободного падения, м/с.

При спокойном состоянии потока его глубина больше критической, при бурном – меньше критической.

Для русл произвольного поперечного сечения критическая глубина может быть определена подбором. С этой целью задаются глубинами , вычисляют соответствующие им площади поперечного сечения, ширины русла по свободной поверхности и определяют соотношения, которые сравниваются с постоянной для условий расчета величиной При соблюдении равенства искомая критическая глубина равна заданной ( ).

Для прямоугольных каналов критическую глубину можно определить по формуле

(1.14)

Критический уклон Iк, т.е. уклон дна русла, при котором глубина равномерного движения (нормальная глубина hо) равняется критической глубине hк , определяется по формуле

(1.15)