4.Лабораторная работа «Опытное определение коэффициента шероховатости стенок и дна короткого канала»

Цель работы

1. Овладение навыками опытного определения коэффициента шероховатости n стенок и дна канала.

2. Сопоставление опытных значений n со справочными данными.

Общие сведения

Коротким каналом (или лотком) называется гидротехническое сооружение, предназначенное для перевода потока из верхнего бьефа в нижний. Такие сооружения применяются в качестве лесосплавных лотков, рыбоходов и т. п.

Так как уклон дна короткого канала i < i_кр, то при сопряжении потоков не возникает гидравлический прыжок.

Свободная поверхность воды во входном сечении канала имеет вид кривой спада, а в выходном сечении  кривой подпора. В пределах этих кривых движение потока является неравномерным, т. е. средняя скорость v, глубина h и уклон i₀ свободной поверхности воды изменяются вдоль по течению. Кроме того, уклон дна i, уклон свободной поверхности i₀ и гидравлический уклон I не равны между собой. В средней части канала, где свободная поверхность примерно параллельна дну канала, движение воды можно считать равномерным.

Задачи по определению коэффициента шероховатости n решаются с использованием формулы (3.5) по зависимости

, (4.1)

или с учетом (3.6)

. (4.2)

Определение коэффициента шероховатости n, как правило, осуществляется путем проведения натурных экспериментов, в ходе которых устанавливаются входящие в (4.1) и (4.2) параметры Q, i, S, χ и R. Измерение глубины воды h для определения S, χ и R производят в створе с равномерным (или близким к равномерному) режимом движения. В связи с малым уклоном i дна каналов измерение глубины воды h производят по вертикали. При этом условно считают, что живые сечения потока вертикальны, а не перпендикулярны дну.

Описание экспериментальной установки

Р абота проводится в гидравлическом лотке, описание которого приводится в работе № 1 (см. рисунок 1.3). В горизонтальном лотке устанавливается модель короткого цилиндрического канала (рисунок 4.1) с прямым уклоном дна (0 < i < i_кр) и прямоугольным поперечным сечением.

Стенки и дно модели канала покрыты смесью битумной мастики и кварцевого песка (фракция 0,8–1 мм), что обеспечивает равномерно распределенную искусственную шероховатость. Модель устанавливается так, чтобы угол θ между дном модели канала и дном горизонтального лотка не превышал 5º. Глубина h потока воды в канале определяется при помощи игольчатого уровнемера.

Порядок выполнения работы

1. Измерить длину L и ширину b модели короткого канала, отметки дна канала во входном ▼₁ и выходном ▼₂ створах (см. рисунок 4.1). Данные измерений занести в таблицу по форме 4.1.

2. Полностью открыть затвор 14 в конце лотка 11 (см. рисунок 1.3), включить погружной насос 2, питающий напорный бак 6, после заполнения которого открыть кран 10 на подающем трубопроводе 9 и установить некоторый расход воды Q в лотке 11. При помощи водомерного узла определить значение установившегося расхода Q и занести в таблицу по форме 4.2.

3. Определить отметки свободной поверхности воды ▼₃ и дна ▼₄ в выбранном створе. Створ выбирается в средней части канала (см. рисунок 4.1), где свободная поверхность воды примерно параллельна дну канала и движение воды можно считать равномерным. Результаты заносятся в таблицу по форме 4.2.

4. При помощи крана 10 на подающем трубопроводе 9 (см. рисунок 1.3) изменить расход воды в лотке и повторить измерения в соответствии с пунктами 2 и 3. Опыты проводятся 3-4 раза при разных расходах воды.

5. После завершения опытов закрыть кран 10 на подающем трубопроводе 9 и выключить погружной насос 2 (см. рисунок 1.3).

Обработка экспериментальных данных

1. По разности отметок ▼₁ и ▼₂ определить высоту c_в превышения входного створа канала над выходным, после чего, зная длину L, определить уклон дна канала по формуле i = sin θ = c_в/L.

Результаты расчетов заносятся в таблицу по форме 4.1.

2. В соответствии со справочными рекомендациями (см. приложение П.1) по роду поверхностей определить и занести в таблицу по форме 4.1 коэффициент шероховатости n_спр дна и стенок канала.

3. По разности отметок ▼₃ и ▼₄ определить глубину потока h в канале, после чего определить гидравлические элементы живого сечения  площадь S, смоченный периметр χ и гидравлический радиус R = S/χ. Вычисления произвести для каждого опыта и результаты занести в таблицу по форме 4.2.

4. По значениям расхода Q, уклону дна i и гидравлическим элементам живого сечения потока S и R, используя зависимость (4.1), определить опытное значение коэффициента Шези С_оп. Далее, используя формулы (3.7') и (4.2), методом итераций вычислить опытное значение коэффициента шероховатости n_оп стенок и дна модели канала. Вычисления произвести для каждого опыта и результаты занести в таблицу по форме 4.2.

5. Определить и занести в таблицу по форме 4.2 среднее арифметическое значение опытного коэффициента шероховатости n_оп.ср.

6. Сопоставить среднее арифметическое значение опытного коэффициента шероховатости n_оп.ср со справочным значением n_спр. Сделать вывод по результатам сопоставления.

Форма 4.1
L	b	▼1	▼2	св	i	nспр
см	см	см	см	см

Форма 4.2
№ опыта	Q	▼3	▼4	h	S	χ	R	Cоп	nоп
	л/с	см	см	см	см2	см	см	м0,5/с
1.
2.
3.
4.
nоп.ср