Порядок выполнения работы

Создание условий для образования гидравлического прыжка происходит по схеме истекания из под щита. Для этого гидравлический лоток установки перегораживается специальной пластиной. Схема установки щита и расчетные параметров показаны на рис.2.3.

2.3. Схема опытов для изучения параметров гидравлического прыжка (надвинутый и затопленный)

1. Изучить теорию по теме работы.

2. Сделать ее схематический чертеж опыта.

3. Определить высоту щели под щитом.

4. Запустить установку и изменяя уклон лотка обеспечить формирование различных условий сопряжения за щитом.

5. Зарисовать три случая сопряжения за щитом.

6. Определить величину напора на мерном водосливе.

7. Рассчитать величину расхода по формуле: где H – напор на мерном водосливе.

8. Произвести замер величины геометрического напора перед щитом.

9. Рассчитать глубину потока в сжатом сечении за щитом по формуле где - коэффициент вертикального сжатия принимаемый по данным Н.У.Журавского.

   	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5
   	0,615	0,619	0,625	0,633	0,645

10. Изменяя уклон лотка обеспечить формирование надвинутого гидравлического прыжка.

11. Измерить глубину в сжатом сечении за щитом и сравнить ее с расчетным значением.

12. Измерить глубины потока до и после прыжка.

13. Измерить длину прыжка.

14. По формуле (2.2) рассчитать вторую сопряженную глубину принимая первую глубину равной глубине в сжатом сечении за щитом.

15. По формуле (2.2) рассчитать первую сопряженную глубину принимая вторую глубину равной глубине за прыжком.

16. По формулам (2.6 и 2.7) рассчитать длину прыжка и сравнить с фактическим значением.

17. Подготовить отчет по работе.

Содержание отчета

1. Схема опыта.

2. Краткий конспект теории вопроса.

3. Схемы трех вариантов сопряжения за щитом.

4. Протокол проведения опытов и расчетов по ниже приведенной форме

Ш ирина лотка b= 0.23 м; Напор на мерном водосливе = м; Расход потока Q= м³/с.

Отсчет по измерительному устройству:

Дно лотка – Нижний край щита - .

Поверхности потока перед щитом –

Поверхности потока в сжатом сечении за щитом –

Поверхности потока за надвинутым прыжком –

Длина прыжка –

Расчетные величины:

Ширина щели а = Напор перед щитом H =

Отношение =

Коэффициент вертикального сжатия =

Р асчетная ширина щели =

Глубина в сжатом сечении за щитом =

Глубина за прыжком = Глубина перед прыжком =

Длина прыжка

Выводы по работе.

Контрольные вопросы

1. Какое явление называется гидравлическим прыжком?

2. Назовите и объясните параметры гидравлического прыжка?

3. Как определить длину прыжка?

4. Как определить высоту прыжка?

5. Какие явления происходят в послепрыжковой зоне?

6. Назовите виды гидравлических прыжков.

7. Назовите критерии для определения вида прыжка.

8. Запишите уравнение прыжковой функции.

9. Запишите уравнение гидравлического прыжка.

10.Нарисуйте график прыжковой функции.

11. Почему предельные глубины прыжка называются сопряженными?

12. Как определить значение первой сопряженной глубины прыжка в прямоугольном русле?

13. Как определить значение второй сопряженной глубины прыжка в прямоугольном русле?

14. Как определить значение первой сопряженной глубины прыжка в русле произвольного поперечного сечения?

15. Как определить значение второй сопряженной глубины прыжка в русле произвольного поперечного сечения?

16.Назовите условия необходимые для образования гидравлического прыжка.

Лабораторная работа №3

Водослив с тонкой стенкой

Цель работы - изучение физических процессов и методов расчета водослива с тонкой стенкой.

Задачи работы

• Изучении теории водослива.

• Экспериментальная проверка расчетных зависимостей.

• Изучение факторов влияющих на работу водослива

• Изучение различных вариантов сопряжения бьефов.

Теоретическая часть

Водослив - это преграда (порог, стенка, плотина) в безнапорном (открытом) потоке, через которую переливается жидкость. Гидравлическое явление перелива жидкости через такую преграду называют истечением через водослив. Подъем уровня воды, возникающий вследствие преграждения или стеснения русла водотока, называется подпором. Водосливы (водоподпорные сооружения) делят поток на две области (части). Вследствие подпора скорости течения воды и глубины перед водосливом существенно меньше скоростей и глубин за водосливом. Часть водотока, примыкающая к водоподпорному сооружению, называют бьефом. Бьеф с верховой стороны водоподпорного сооружения (часть водотока перед водосливом) называют верхним бьефом. Бьеф с низовой стороны водоподпорного сооружения (часть водотока за водосливом) называют нижним бьефом.

Верхняя кромка водосливной стенки (порога), через которую происходит перелив жидкости, представляет собой гребень водослива.

Рис.3.1. Схема водослива с тонкой стенкой

Введем следующие понятия и обозначения (рис.3.1):

- высота водосливной стенки (порога) водослива со стороны соответственно верхнего и нижнего бьефов;

- глубина потока соответственно в верхнем и нижнем бьефах;

b - ширина отверстия (выреза в стенке) водослива, равная длине гребня водослива;

В — ширина потока в верхнем бьефе.

Одно из важнейших понятий теории водосливов - напор на водосливе H, определяемый в верхнем бьефе за пределами спада уровня потока на расстоянии не менее (3...5)Н и равный разности отметок уровня воды верхнего бьефа и гребня водослива. Такой напор называют геометрическим. Разность уровней свободной поверхности воды в верхнем и нижнем бьефах представляет собой геометрический перепад на водосливе.

Типы и конструкции водосливов отличаются большим разнообразием. Изложим классификацию водосливов в укрупненном виде. Более детальная классификация водосливов будет рассмотрена применительно к основным типам водослива с учетом гидравлических особенностей движения жидкости через водосливы.

В зависимости от формы поперечного сечения стенки в плоскости, совпадающей с направлением движения жидкости, различают водосливы: с тонкой стенкой, практического профиля с широким порогом. К водосливам практического профиля относят все водосливы, кроме водосливов с тонкой стенкой и широким порогом. Все водосливы применяются на практике, поэтому термин «водослив практического профиля» носит чисто условный характер. В зависимости от соотношения между шириной отверстия водослива b и шириной потока в верхнем бьефе различают водосливы: без бокового сжатия (b³ В); с боковым сжатием (b < В). В последнем случае под влиянием сжатия потока его ширина Ьc за отверстием меньше ширины отверстия водослива (bc < b).

В зависимости от расположения в плане водосливы имеют различную форму гребня.

В зависимости от влияния потока в нижнем бьефе на истечение жидкости через водослив различают: неподтопленные водосливы - уровень нижнего бьефа не влияет на истечение жидкости ( ); подтопленные водосливы - уровень нижнего бьефа влияет на истечение жидкости ( ). Дополнительные критерии подтопления будут сформулированы применительно к типам водосливов.

Водосливы с тонкой стенкой характеризуются тем, что толщина ее d незначительна по сравнению с напором Н. Если стенка, через которую переливается жидкость, имеет заостренную кромку, то толщина d практически равна нулю. При d/H< 0,67 толщина стенки не влияет на характер истечения. Тонкая стенка может быть расположена вертикально или наклонно. Чаще ее располагают вертикально и перпендикулярно к направлению потока. В зависимости от формы выреза в стенке различают водосливы полигональные и криволинейные. Полигональные водосливы делятся на трапецеидальные (суживающиеся к низу и кверху), прямоугольные, треугольные и комбинированные (составные), содержащие геометрические элементы перечисленных водосливов. Криволинейные водосливы могут быть параболические, радиальные и др.

Рис.3.2. Основные виды полигональных водосливов

Неподтопленные водосливы с тонкой вертикальной стенкой при условии свободного доступа воздуха под струю являются хорошими измерителями расхода воды в лабораториях и натурных условиях (на каналах и малых реках). Поэтому их называют гидрометрическими, или измерительными.

Рассмотрим истечение жидкости через полигональный водослив. Наиболее общей формой для этой группы водосливов является трапецеидальная, для которого расход определяется по формуле

(3.1)

где - коэффициент формы водослива ( );

- коэффициент расхода водослива ( - коэффициент расхода при истечении жидкости через отверстие в тонкой стенке).

Для прямоугольного водослива

Для трапецеидального водослива (3.2)

В случае неподтопленного прямоугольного водослива без бокового сжатия (по опытным данным)

(3.3)

Для приближенных подсчетов можно принять m= 0,42 ...0,44.

Чтобы сформулировать дополнительные критерии подтопления, рассмотрим понятие подтопления, аналогичное понятию напора. Уровень воды в нижнем бьефе может быть больше или меньше отметки гребня водослива. Превышение уровня воды в нижнем бьефе над гребнем водослива называют подтоплением:

Если - подтопление положительное.

Если - то водослив подтопленный с образованием затопленного гидравлического прыжка, где критическое значение относительного перепада (перепада, нормированного по высоте водослива, со стороны нижнего бьефа). Он зависит от отношения , определяется по графику (рис.3.3) [6].

Рис.3.3. Зависимость критического относительного подтопления от относительного подтопления

Если , то ниже водослива образуется отогнанный гидравлический прыжок и водослив будет работать как неподтопленный.

Расход воды через подтопленный водослив

(3.4)

где - коэффициент подтопления, вычисляемый по эмпирической формуле [1].

(3.5)