М іністерство освіти і науки, молоді та спорту України

Харківський національний університет будівництва ТА архітектури

Спеціальності: 6.060101, 6.060103

Методичні вказівки

до виконання лабораторних робіт з дисципліни "Інженерна гідравліка"

Харків 2012

Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України

Харківський національний університет

будівництва ТА архітектури

Спеціальності: 6.060101, 6.060103

До друку дозволяю

Перший проректор

з науково-педагогічної роботи Череднік Д.Л.

Методичні вказівки

до виконання лабораторних робіт з дисципліни

"Інженерна гідравліка"

Усі цитати, цифровий, фактичний матеріал та бібліографічні відомості перевірені, написання одиниць відповідає стандартам

Затверджено на засіданні кафедри водопостачання каналізації і гідравліки Протокол № 7 від 22.12.2011 р.

Укладачі:

Рязанцев О.І.

Відповідальний за випуск Епоян С.М.

Харків ХНУБА 2012

Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України

Харківський національний університет

будівництва та архітектури

Спеціальності: 6.060101, 6.060103

Методичні вказівки

до виконання лабораторних робіт з дисципліни

"Інженерна гідравліка"

Затверджено на засіданні кафедри

водопостачання каналізації і гідравліки

Протокол № 7 від 22.12.2011 р.

Харків ХНУБА 2012

Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з дисципліни "Інженерна гідравліка" для студентів спеціальності 6.060103 "Водопостачання та водовідведення" та дисципліни "Гідравліка" для студентів спеціальності 6.060101 "Гідротехнічне будівництво" усіх форм навчання / Укладач: О.І.Рязанцев, – Харків: ХНУБА, 2012. – 46 с.

Рецензент: О.І.Вайнберг

Кафедра водопостачання, каналізації і гідравліки

ПЕРЕДМОВА

Дані методичні вказівки призначені для допомоги при виконанні лабораторних робіт студентами, які вивчають дисципліни: "Гідравліка" та "Інженерна гідравліка".

Аналітичні методи розв’язань гідравлічних задач можуть бути застосовані лише для простих потоків. На практиці у більшості випадків рух рідини значно складніший. У таких випадках до рівнянь, що описують рух рідини, вносять спрощення й далі розглядають рівняння для вибраної спрощеної моделі.

Похибки, які неминуче виникають при цьому, можуть бути оцінені тільки дослідним шляхом.

В курсах "Гідравліка" та "Інженерна гідравліка" розглядаються закони руху безнапірних потоків рідини, питання які можуть виникати при проектуванні каналів та споруд на них. Для випадків безнапірних потоків існує велика кількість задач, що не мають теоретичних розв’язань або отриманні розв’язання мають суттєві обмеження застосування. Часто відомості для проектування та будівництва гідротехнічних споруд можуть бути отримані виключно на підставі лабораторних досліджень та натурних вимірів.

На підставі дослідних даних до розв’язань, отриманих теоретичним шляхом, вносять виправлення, які роблять ці рішення придатними для здійснення надійних технічних розрахунків. Тому експеримент є невід'ємною частиною більшості гідравлічних досліджень, а іноді єдиним шляхом розв’язання проблеми.

Саме тому важливо, щоб студенти оволоділи методикою постановки та проведення експериментів, обробки та аналізу експериментальних даних, уміли вірно застосовувати лабораторне обладнання та пристрої. На це спрямовані лабораторні заняття, які забезпечують розуміння закономірностей, що вивчаються в зазначених курсах. На лабораторних заняттях студентам прищеплюється вміння застосовувати теоретичні знання для вирішення реальних інженерних завдань, формуються навички практичної роботи.

У методичних вказівках до кожної лабораторної роботи подано короткий теоретичний огляд за темою, мета роботи, опис лабораторної установки, рекомендована послідовність виконання роботи, послідовність обробки експериментальних даних та вигляд подання результатів дослідів.

Порядок виконання та оформлення лабораторних робіт.

Перед виконанням лабораторною роботи студенту потрібно засвоїти загальні відомості за темою роботи, її зміст, послідовність виконання та обробки результатів, отриманих в ході виконання роботи. При розрахунках потрібно слідкувати за розмірністю величин, які обчислюються, оскільки невідповідність розмірностей величин найчастіше приводе до помилок в розрахунках.

Під час виконання роботи усі заміри,спостереження та розрахунки студенти виконують самостійно. Викладач контролює проведення досліду та обробку отриманих даних.

Після виконання роботи студент робить висновок стосовно результатів, отриманих в ході проведення лабораторної роботи. За можливості отримання якоїсь величини, що встановлюється дослідом, використавши теоретичну залежність, слід вказати формулу, за допомогою якої отримано значення, та виконати порівняння значень величин, отриманих у досліді та за допомогою теоретичної залежності.

Визначення місцевих швидкостей трубкою Піто-Прандтля

Загальні відомості

В лабораторних умовах найбільш розповсюдженим приладом для вимірювання швидкостей потоку є гідродинамічна трубка, яку ще називають трубка Піто.

Принцип дії трубки, схема якої наведена на рис. 1.1, пояснимо, застосувавши рівняння Бернуллі для струминки рідини. У перерізі 1–1, який співпадає з площиною обрізу трубки, що загнута назустріч потоку (гідродинамічна трубка), питома енергія частинки рідини, яка рухається дорівнюватиме

.

Рисунок 1.1 – Схема трубки Піто

Якщо сумістити площину порівняння з віссю горизонтальної ділянки гідродинамічної трубки та прийняти п’єзометричну висоту, яка визначається за показаннями іншої трубки – п’єзометричної – (висота, що відповідає тиску р), отримаємо питому енергію частинки у перерізі 1–1:

.

У перерізі 2–2 на рівні рідини у динамічній трубці питома енергія складатиме , оскільки надлишковий тиск (п’єзометричний) тут та швидкість .

Таким чином для перерізів 1–1 та 2–2 отримуємо

.

Звідси швидкісний напір складатиме ,

де Н – різниця показань динамічної та статичної трубок.

Швидкість в місці установки трубки складатиме

.

При врахуванні конструктивних особливостей приладу та в’язкості рідини формула набуває вигляду

, (1.1)

де К – емпіричний коефіцієнт, який визначається при таруванні трубки. При вимірюванні швидкостей у потоці води, зазвичай приймають .

Гідродинамічна трубка (Піто) дає показання повного напору (статичного + динамічного). Трубку Піто, конструктивно об’єднану в одному корпусі з п’єзометром називають трубкою Піто-Прандтля (рис. 1.2).

Під час підготовки трубки Піто до роботи її потрібно зарядити, а саме помістити кінець трубки у ємність з водою. Потім крізь верхній отвір рідинного манометра потрібно видалити все повітря з трубок. доки вода не підніметься по них приблизно до середини вимірювальної шкали. Після цього отвір манометра потрібно закрити, стежачи за тим, щоб рівень води в трубках залишався незмінним. Через деякий час вода в трубках повинна встановитися на одному рівні, якщо цього не відбулось це означає, що в трубках залишились бульки повітря, які слід видалити.

Трубка вводиться в потік разом з ємністю, потім ємність виймається з потоку таким чином, щоб трубка постійно була занурена у воду, інакше до неї потрапить повітря.

Рисунок 1.2 – Трубка Піто-Прандтля

Мета роботи

Визначити швидкості у відкритому потоці рідини за допомогою трубки Піто-Прандтля та зіставити їх з швидкостями виміряними іншим способом.

Опис лабораторної установки

Обладнання даної лабораторної роботи представляє собою трубка Піто з приєднаним до неї диференціальним манометром та відкритий канал, в якому виконують заміри швидкості потоку води. На початку каналу встановлено резервуар з мірним трикутним водозливом.

Порядок виконання роботи

В каналі встановити певний рівень води при постійній витраті. Виміряти напір на мірному водозливі.

Трубка встановлюється в наміченій точці потоку й після стабілізації рівнів у статичній та динамічній трубках визначається їх різниця. Після зняття відліків трубка переміщується в іншу точку.

Швидкість поблизу поверхні потоку вимірюється таким чином, щоб кінець трубки не виступав над поверхнею, інакше до неї потрапить повітря і показання будуть невірними.

Виконати декілька замірів при різних витратах та рівнях води в каналі.

Швидкості, виміряні трубкою Піто, можна зіставити, наприклад, з швидкостями, виміряними гідродинамічною вертушкою¹, на поверхні потоку – за допомогою поплавців. Для виміру поверхневої швидкості за допомогою поплавців слід намітити два створи: вище та нижче по течії відносно точки лотка, в якій вимірювались швидкість трубкою Піто, та заміряти час проходження поплавка між створами.

Поверхнева швидкість складатиме

, (1.2)

де L – відстань між створами,

t – час проходження поплавка між створами.

Також можна зіставити швидкість, виміряну трубкою Піто-Прандтля з середньою швидкістю потоку, значення якої можна обчислити через витрату.

Вважається, що середня швидкість у живому перерізі безнапірного потоку відповідає місцевій швидкості у точці, що заглиблена на 0,6 повної глибини.

Слід відмітити, що при правильній роботі з трубкою її показання швидкостей будуть точнішими, ніж виміряні поплавками, внаслідок похибки визначення часу при малій відстані між створами та осереднення швидкості в межах цієї ділянки.

Обробка результатів дослідів

1. Визначити витрату Q за тарувальною кривою мірного водозливу або за формулою Кінга (у цій формулі напір на мірному водозливі Н_М слід підставляти в м, витрата виходить у м³/с).

2. Обчислити середню швидкість потоку ,

де h – глибина потоку, b – ширина каналу.

3. Обчислити різницю напорів .

4. Визначити поверхневу швидкість за залежністю (1.2).

5. Визначити швидкість у точці за залежністю (1.1), прийняти К = 1,02.

6. Порівняти отримані значення швидкостей, виміряних за допомогою трубки Піто із значеннями, виміряними іншим способом:

поблизу поверхні: , для точки зануреної на 0,6Н: .

Усі дані занести до журналу лабораторної роботи, зробити висновок стосовно отриманих результатів.

ЖУРНАЛ РОБОТИ № 1

Відстань між створами L =  см,

ширина каналу  см.

№	Показник	Одиниці виміру	Номер досліду
			1		2		3		4		5
Виміряні
	Напір на мірному водозливі HМ	см
	Глибина потоку h	см
	Положення точки, в якій виконується замір		поверхня	0,6 Н	поверхня	0,6 Н	поверхня	0,6 Н	поверхня	0,6 Н	поверхня	0,6 Н
	П’єзометричний напір hП	см
	Динамічний напір hД	см
	Час проходження поплавка t	с
Обчислені
	Витрата Q	см3/с
	Середня швидкість V	см/с
	Поверхнева швидкість uпов	см/с
	Різниця напорів Н	см
	Швидкісний напір	см
	Швидкість у точці u	см/с
	Розбіжність

Контрольні питання

1. Дайте визначення напору.

2. Назвіть відомі види напорів. Одиниці виміру напору.

3. Дайте визначення витрати, питомої витрати.

4. Назвіть одиниці виміру витрати, питомої витрати.

5. Дайте визначення середньої швидкості потоку.

6. Назвіть способи визначення глибини води у відкритих водотоках.

7. Назвіть способи визначення швидкості руху води у відкритих водотоках.

8. Що враховує коефіцієнт К у залежності (1.1)? Чи може він бути меншим за одиницю?

Дослідження розподілу швидкостей по живому перерізу потоку

Загальні відомості

Гідрометрична вертушка з горизонтальною віссю є розповсюдженим пристроєм для вимірів швидкостей в окремих точках потоку (рис. 2.1).

Рисунок 2.1 – Гідрометрична вертушка

Гідрометрична вертушка Ж-3 має ходову частину 2 з лопатевим гвинтом та контактним механізмом у корпусі 1, електричне сигнальне обладнання 4 та стабілізатор напрямку 3. Кріпиться вертушка на штанзі 5.

Швидкість оберту лопатевого гвинта залежить від швидкості течії води, тобто за кількістю обертів гвинта n можна визначити швидкість U. Залежність U=f(n) (рис. 2.2) визначається для кожної вертушки таруванням у спеціальному тарувальному басейні.

Точки, в яких вимірюються місцеві швидкості U для визначення витрати води, розташовують у живому перерізі потоку за певною системою. У річках, каналах та лотках місцеві швидкості вимірюються на швидкісних вертикалях в точках 5, 3, 2 або в одній, в залежності від величини робочої глибини Н швидкісної вертикалі. Під робочою глибиною розуміють глибину, виміряну безпосередньо перед визначенням швидкостей; по ній установлюють положення швидкісних точок. Основним способом є п’ятиточковий, при якому швидкості вимірюють біля поверхні, на 0,2Н; 0,6Н; 0,8Н (відлічуючи від поверхні води) та біля дна. Швидкості в цих точках позначають таким чином:

.

В залежності від глибини Н, діаметра лопатей вертушки d та стану водотоку переходять на скорочену кількість швидкісних точок на вертикалях (табл. 2.1).

Рисунок 2.2 – Тарувальна крива U=f(n) гідрометричної вертушки Ж-3

Таблиця 2.1 – Положення швидкісних точок на вертикалях

Н, м		Відносне та абсолютне (поверхня, дно) положення швидкісних точок від поверхні води
d = 5–7 см	d = 12–13 см
> 0,60	> 1,00	Поверхня 0,2; 0,6; 0,8; дно
0,40 – 0,60	0,60 – 1,00	0,2; 0,6; 0,8
0,20 – 0,40	0,35 – 0,60	0,2; 0,8
0,10 – 0,20	0,20 – 0,35	в точці з швидкістю, яка дорівнює середній швидкості на вертикалі

d – діаметр лопатей вертушки.

Розподіл швидкості по вертикалі характеризується епюрою швидкості. Для отримання величин швидкостей, які характеризують розподіл їх по всьому живому перерізу потоку та для побудови епюри середніх швидкостей по ширині потоку, швидкості вимірюють на кількох вертикалях. Кількість вертикалей та відстань між ними встановлюють у залежності від ширини потоку. Середньою швидкістю V_cеp на вертикалі називається така швидкість, при якій витрата на одиницю ширини потоку буде такою самою, як і витрата при дійсних, змінних по глибині швидкостях. Середня швидкість на вертикалі обчислюється аналітичним способом у залежності від кількості точок, в яких проводились вимірювання швидкостей, за формулами, м/с.

1. по 5-ти точках V_cеp=0,10(U_пов+3U_0,2H+3U_0,6H+2U_0,8H+U_дно), (2.1)

2. по 3-х точках V_cеp=0,25(U_0,2H+2U_0,6H+U_0,8H), (2.2)

3. по 2-х точках V_cеp=0,50(U_0,2Н+U_0,8H). (2.3)

Приклад. Глибина потоку Н = 50 см. Швидкості вимірюються при відсутності рослинності та криги, при відкритій поверхні. Необхідно визначити положення точок вимірювання швидкостей вертушкою Ж-3.

Розв’язання. З табл. 2.1 видно, що при глибині Н = 50 см вимірювання швидкостей по вертикалі слід виконувати в точках з відносними глибинами , де (h – глибина встановлення вертушки), які дорівнюють 0,2; 0,6; та 0,8. Отже вертушку необхідно встановлювати в точках , , .

Мета роботи

На підставі даних досліду побудувати епюру розподілу швидкостей по вертикалі потоку та визначити середню швидкість потоку. Порівняти отримане значення середньої швидкості з значенням обчисленим за витратою, порівняти отримані значення швидкостей у точках з значеннями виміряними іншим способом, наприклад – за допомогою трубки Піто-Прандтля (див роботу №1).

Опис лабораторної установки

Лабораторна установка представляє собою прямокутний канал з скляними стінками, в якому встановлена гідрометрична вертушка. На початку каналу встановлено резервуар з мірним трикутним водозливом. В кінці каналу встановлено засув жалюзійного типу, який дозволяє регулювати глибину у каналі. Дно каналу горизонтальне.

Порядок виконання роботи

Встановити робочу глибину в каналі за допомогою жалюзійного засуву. Виміряти глибину та за табл. 2.1 встановити положення швидкісних точок на вертикалі. Закріпивши вертушку на штанзі, встановити її на відповідній глибині. Вертушку потрібно витримувати в певній точці відповідний час (тим більше в загальному випадку, чим більший внесок низькочастотних пульсацій швидкості).

Після пропуску двох-трьох пробних сигналів (дзвінків або загорянь сигнальної лампочки) при наступному сигналі увімкнути секундомір. Зафіксувати час, протягом якого спостерігається певна кількість сигналів. Встановити вертушку в іншій точці та повторити виміри. Час для всіх наступних сигналів записують в журнал роботи.

Обробка результатів дослідів

Оскільки сигнал відбувається через кожні 20 обертів гвинта, загальна кількість обертів , де а – кількість сигналів.

Кількість обертів за 1 секунду складатиме

,

де T – час за секундоміром, що відповідає останньому сигналу, коли секундомір зупинений. За тарувальною кривою (рис. 2.2) визначити значення осередненої швидкості у точці.

1. Визначити середню швидкість на вертикалі за відповідною залежністю (2.1) або (2.2), або (2.3).

2. Визначити витрату Q за формулою Кінга (у цій формулі напір на мірному водозливі Н слід підставляти в м, витрата виходить у м³/с) або за тарувальною кривою мірного водозливу.

3. За витратою визначити середню швидкість потоку та порівняти із значенням середньої швидкості обчисленої за значеннями швидкостей, виміряних вертушкою.

4. За значеннями осереднених швидкостей у точках побудувати епюру швидкостей по вертикалі.

Журнал роботи №2

Ширина лотка b =   см,

робоча глибина Н = см,

діаметр лопатей вертушки Ж-3 d =   см,

напір на мірному водозливі Н_М   см,

витрата Q см³/с.

Глибина встановлення вертушки	Показники секундоміра								Кіль кість сигналів	Сума обертів N	Частота оберт. об/с	Швидкість U см/с
	Номери сигналів
	1	2	3	4	5	6	7	8
Поверхня
Y0,2 = 0,2Н= см
Y0,6 = 0,6Н= см
Y0,8 = 0,8Н= см
Дно
Середня швидкість на вертикалі, Vсер м/с
Середня швидкість, обчислена через витрату, V м/с

Дослідження гідравлічного стрибка

Загальні відомості

Гідравлічний стрибок являє собою різке зростання глибини потоку від глибини меншої за критичну до глибини більшої за критичну при переході з бурхливого режиму руху до спокійного, що супроводжується інтенсивними макротурбулентними пульсаціями тисків та швидкостей. Глибини перед (h₁) та після (h₂) стрибка називають сполученими (або суміжними), а різницю глибин – висотою стрибка (рис. 3.1).

Існує декілька видів гідравлічного стрибка. В даній роботі досліди повинні бути проведені для досконалого стрибка, який виникає в призматичному руслі з горизонтальним дном при Fr₁>3, де – число Фруда в перерізі перед стрибком (переріз з глибиною h₁).

Рис. 3.1 – Схема гідравлічного стрибка

Основне рівняння гідравлічного стрибка має вигляд

, (3.1)

де α₀ – коректив кількості руху (коефіцієнт Буссінеска);

Q – витрата;

y₁ та y₂  – глибини занурення центрів ваги живих перерізів ω₁ та ω₂ (індекс 1 відноситься до перерізу перед стрибком, індекс 2 – після стрибка, на деякій відстані вниз по течії).

У призматичному руслі прямокутного перерізу сполучені глибини пов’язані залежностями:

, (3.2)

, (3.3)

де – критична глибина.

Для випадку прямокутного русла критична глибина визначається за залежністю

, (3.4)

де α – коефіцієнт кінетичної енергії; – питома витрата; b – ширина каналу.

Взагалі за довжину ℓ_cт стрибка беруть відстань від початку поверхневого вальця до перерізу, де глибини стають практично незмінними. Цей переріз знаходиться на деякій відстані від кінця поверхневого вальця. Інколи за довжину стрибка беруть довжину горизонтальної проекції вальця.

Довжину досконалого стрибка в прямокутному призматичному руслі можна визначити за залежністю Павловського М.М.

(3.5)

або Айвазяна О.М.

. (3.6)

З рівняння гідравлічного стрибка для випадку прямокутного русла при представленні швидкості через витрату було отримано залежність

. (3.7)

На підставі цієї залежності акад. Павловський М.М. вважав можливим використовувати стрибок як водомір.

Мета роботи

Ознайомитись з явищем гідравлічного стрибка. Виміряти сполучені глибини та довжину стрибка. Зіставити дослідні значення з розрахованими за залежностями (3.2) – (3.5). Перевірити можливість використання гідравлічного стрибка у якості витратоміра. Зробити висновок стосовно отриманих результатів.

Опис лабораторної установки

Лабораторна установка представляє собою прямокутний канал зі скляними стінками, на початку якого встановлено резервуар з мірним трикутним водозливом. В каналі встановлено водозлив, після якого утворюється стиснений переріз та виникає гідравлічний стрибок. В кінці каналу встановлено засув жалюзійного типу, який дозволяє регулювати глибину у каналі. Дно каналу горизонтальне.

Порядок виконання роботи

При усталеній витраті необхідно вимірити напір на мірному водозливі, суміжні глибини h₁ , h₂ та довжину стрибка. Витрату води в каналі визначити за напором на порозі трикутного водозливу, встановленого в головному резервуарі лотка за формулою Кінга або за тарувальною кривою. Визначити довжину стрибка за формулами та порівняти отримані значення з виміряними. При розрахунках довжини стрибка за формулами (3.5; 3.6) слід використовувати розрахункове значення першої суміжної глибини. Визначити витрату за залежністю (3.7), використавши виміряні значення сполучених глибин, та порівняти зі значенням витрати, обрахованим за залежністю Кінга. Дослід повторити кілька разів, змінюючи витрату та/або глибину в каналі.

Обробка результатів дослідів

1. Визначити витрату Q за формулою Кінга (у цій формулі напір на мірному водозливі Н_М слід підставляти в м, витрата виходить у м³/с) або за тарувальною кривою мірного водозливу.

2. Визначити питому витрату .

3. Розрахувати першу сполучену глибину h_1р за значенням виміряної другої сполученої глибини за залежністю (3.2).

4. Визначити критичну глибину за залежністю (3.4) (прийняти α = 1,1).

5. Визначити розходження між дослідним та обчисленим значеннями першої сполученої глибини.

6. Обчислити число Фруда у перерізі перед стрибком (1-1) .

7. Визначити довжину стрибка за формулами (3.5) та (3.6).

8. Визначити розходження між дослідним значенням довжини стрибка та підрахованими за формулами Павловського М.М. ℓ_ст.П. та Айвазяна О.М. ℓ_cт.А .

9. Обчислити питому витрату за формулою (3.7) та порівняти з витратою, що розрахована за напором на мірному водозливі.

Усі дані занести до журналу лабораторної роботи. Зробити висновок стосовно отриманих результатів.

Журнал роботи № 3

Ширина лотка b = 35 см.

№	Показник	Одиниці виміру	Номер досліду
			1	2	3	4	5
Виміряні
	Напір на мірному водозливі НМ	см
	Перша суміжна глибина h1	см
	Друга суміжна глибина h2	см
	Довжина стрибка виміряна ℓcт.досл	см
Обчислені
	Витрата Q	см3/с
	Питома витрата q	см2/с
	Критична глибина hк	см
	Перша суміжна глибина розрахована за залежністю (3,2) h1р	см
	Розбіжність	см
	Число Фруда Fr1
	Довжина стрибка за залежністю Павловського (3.5)	см
	Розбіжність
	Довжина стрибка за залежністю Айвазяна (3.6)	см
	Розбіжність
	Питома витрата (за залежністю (3.7)	см2/с
	Розбіжність

Контрольні питання

1. Дайте визначення гідравлічного стрибка.

2. Дайте визначення критичної глибини.

3. Дайте визначення бурхливого та спокійного режимів руху рідини.

4. Назвіть види гідравлічного стрибка.

5. Стрибкова функція. Одиниці виміру. Якісний графік.

6. Який стрибок слід вважати досконалим?

7. Назвіть умови існування досконалого гідравлічного стрибка.

8. Як визначити висоту стрибка?

9. Яку величину вважають довжиною стрибка?

10. Від яких факторів залежить положення стрибка?

Витікання через водозлив з тонкою стінкою

Загальні відомості

Водозливом називають безнапірний отвір або виріз, зроблений у гребні стінки, крізь який протікає вода.

До водозливів з тонкою стінкою відносять водозливи, товщина стінок яких не впливає на характер течії (що має місце при δ < 0,67Н, де δ – товщина стінки; Н – напір над водозливом у створі вище по течії на відстані від водозливу (2–3)Н, де ще немає помітного спаду вільної поверхні потоку) (рис. 4.1).

Рисунок 4.1 – Водозлив з тонкою стінкою

Витрата крізь нормальний водозлив з тонкою стінкою визначається за формулою

, (4.1)

де  – коефіцієнт витрати нормального водозливу, який враховує швидкість підходу V₀;

b – ширина водозливу (водозливного отвору);

с – висота водозливної стінки.

Нормальним називають непідтоплений прямокутний водозлив з тонкою стінкою при наявності вільного витікання та при відсутності бокового стиснення.

За рекомендацією Чугаєва Р.Р. при виконанні умов: , коефіцієнт витрати для прямокутного водозливу з вертикальною тонкою стінкою можна визначити за залежністю

. (4.2)

У випадку, якщо водозлив є підтопленим. замість залежності (4.1) слід використовувати таку:

, (4.3)

де – коефіцієнт підтоплення, який може бути визначений за формулою Базена:

, (4.4)

де  – висота підтоплення водозливу, ;

 – глибина у нижньому б’єфі;

z – геометричний перепад рівнів – різниця відміток рівнів води у верхньому та нижньому б’єфах, . В даному випадку величина перепаду може бути визначена за залежністю ,

 – глибина у верхньому б’єфі.

Мета роботи

Визначити дослідним шляхом коефіцієнт витрати водозливу без бокового стиснення з вільним струменем. Побудувати графіки залежності коефіцієнта витрати від відносного напору та числа Рейнольдса для випадку непідтопленного водозливу (де q –  питома витрата: ; v – в’язкість води).

Опис лабораторної установки

Лабораторна установка представляє собою прямокутний канал, на початку якого встановлено резервуар з мірним трикутним водозливом. В каналі встановлено водозлив з вертикальною тонкою стінкою, що досліджується. Ширина водозливу (водозливного отвору) дорівнює ширині каналу. В кінці каналу встановлено засув жалюзійного типу для створення різних рівнів води у нижньому б’єфі.

Порядок виконання роботи

Через водозлив пропустити потік рідини з постійною витратою. Вимірити напір на мірному водозливі. За допомогою мірної голки (або іншим способом) визначити глибини (відмітки рівня) води у верхньому h_В (z_В) та нижньому h_Н (z_Н) б’єфах (рис. 4.1). Вимірити температуру води.

Змінити витрату та/або глибину нижнього б’єфа та провести наступний дослід. Провести декілька дослідів при різних витратах та глибинах.

Обробка результатів дослідів

1. Визначити витрату Q за формулою Кінга (у цій формулі напір на мірному водозливі Н_М слід підставляти в м, витрата виходить у м³/с) або за тарувальною кривою мірного водозливу.

2. Визначити напір на водозливі .

3. Порівняти відмітки порогу водозливу та відмітку води у нижньому б’єфі. Визначити чи є водозлив підтопленим або непідтоплений. У випадку підтоплення водозливу врахувати це в розрахунках.

4. Для підтопленого водозливу визначити коефіцієнт підтоплення за залежністю (4.4).

5. Визначити коефіцієнт витрати водозливу

при непідтопленому водозливі – з залежності (4.1) ,

якщо водозлив є підтопленим – залежності (4.3) , попередньо визначивши коефіцієнт підтоплення (за залежністю 4.4).

6. Визначити питому витрату .

7. Залежно від температури води t, визначити кінематичний коефіцієнт в’язкості води ν за таблицею Б.1 або за залежністю Пуазейля , см²/с, де t – температура, С.

8. Визначити число Рейнольдса .

9. Визначити відносний напір .

10. Визначити довідникове значення коефіцієнта витрати за залежністю (4.2).

11. Порівняти отримані дослідні значення коефіцієнта витрати з довідниковими – підрахованими за залежністю (4.2).

Усі дані занести до журналу лабораторної роботи. За даними дослідів побудувати графіки та .

Журнал роботи № 4

Ширина каналу b = 35 см,

висота стінки с =   см, товщина стінки  =   см.

№	Показник	Одиниці виміру	Номер досліду
			1	2	3	4	5	6
Виміряні
	Напір на мірному водозливі HМ	см
	Глибина у верхньому б’єфі	см
	Глибина у нижньому б’єфі	см
	Температура води t	С
Обчислені
	Витрата Q	см3/с
	Питома витрата q	см2/с
	Напір на водозливі H	см
	Режим витікання (вільне, невільне)
	Підтоплення	см
	Коефіцієнт підтоплення
	Відносний напір
	Коефіцієнт витрати
	Коефіцієнт витрати
	Кінематичний коефіцієнт в’язкості 	см2/с
	Число Рейнольдса Re

Контрольні питання

1. Дайте визначення водозливу.

2. Які водозливи слід відносити до водозливів з тонкою стінкою?

3. Назвіть, за якими ознаками класифікують водозливи з тонкою стінкою.

4. Від яких факторів залежить величина коефіцієнта витрати водозливу?

5. Назвіть критерії підтоплення водозливів з тонкою стінкою.

6. Яким чином на величину витрати через водозлив вплине його підтоплення?

7. Назвіть приклади практичного застосування водозливів з тонкою стінкою.

Витікання через водозлив з широким порогом

Загальні відомості

До водозливів з широким порогом відносять водозливи, для яких виконується умова δ = (2  8)Н, де δ – товщина стінки; Н – напір над водозливом у створі вище по течії на відстані (2–3)Н від водозливу – де ще немає помітного спаду вільної поверхні потоку (рис. 5.1).

Рисунок 5.1 – Водозлив з широким порогом

Витрата, яка проходить через водозлив з широким порогом, визначається за залежністю

, (5.1)

де b – ширина водозливу (водозливного отвору);

h – глибина на порозі водозливу;

 – коефіцієнт швидкості, за рекомендацією Смислова В.В. для водозливів з неплавною вхідною частиною може бути визначений за залежністю

, (5.2)

де , – площа вхідного перерізу, ;

с – висота водозливної стінки;

– повний напір на водозливі;

h_В – глибина верхнього б’єфа.

, (5.3)

де α – коректив кінетичної енергії;

– швидкість підходу; . (5.4)

Замість виразу (5.1) можна використовувати узагальнену формулу для витрати через будь-який прямокутний водозлив:

, (5.5)

де m – коефіцієнт витрати водозливу, в даному випадку водозливу з широким порогом, який за рекомендацією Смислова В.В. можна розрахувати за залежністю

. (5.6)

Коефіцієнти швидкості  та витрати m пов’язані співвідношенням

,

де .

Для випадку водозливів з широким порогом коефіцієнт витрати може мати значення у такому діапазоні .

У випадку, якщо водозлив стає підтопленим витрата через водозлив з широким порогом визначається за залежністю

, (5.7)

де – підтоплення водозливу,

. (5.8)

Також у випадку підтопленого водозливу можна використовувати залежність

, (5.9)

де  – коефіцієнт підтоплення водозливу, який залежить від співвідношення , а також умов входу потоку на водозлив та сходу з водозливу.

Мета роботи

Дослідити можливі форми витікання через водозлив з широким порогом. Визначити дослідним шляхом коефіцієнт витрати непідтопленого (або підтопленого) водозливу з широким порогом без бокового стиснення.

Опис лабораторної установки

Лабораторна установка представляє собою прямокутний канал, на початку якого встановлено резервуар з мірним трикутним водозливом. В каналі встановлено водозлив з широким порогом, що досліджується. Ширина водозливу (водозливного отвору) дорівнює ширині каналу. В кінці каналу встановлено засув жалюзійного типу для створення різних рівнів води у нижньому б’єфі.

Порядок виконання роботи

Через водозлив пропустити потік рідини з постійною витратою. Вимірити напір на мірному водозливі. За допомогою мірної голки (або іншим способом) виміряти глибини (відмітки рівня) води у верхньому h_В (z_В) та нижньому h_Н (z_Н) б’єфах. Виміряти глибину води h на порозі водозливу (рис. 5.1).

Змінити витрату та/або глибину у нижньому б’єфі та провести наступний дослід. Провести декілька дослідів при різних витратах та глибинах води.

Частину замірів виконати для випадку підтопленого водозливу.

Обробка результатів дослідів

1. Визначити витрату Q за формулою Кінга (у цій формулі напір на мірному водозливі Н_М слід підставляти в м, витрата виходить у м³/с) або за тарувальною кривою мірного водозливу.

2. Визначити напір на водозливі .

3. Перевірити, чи можна при такому напорі відносити водозлив до водозливів з широким порогом.

4. Визначити швидкість підходу за залежністю (5.4).

5. Розрахувати повний напір (прийняти α = 1,1).

6. Порівняти відмітки води на порозі водозливу та відмітку води у нижньому б’єфі. Визначити підтоплення. Встановити: чи є водозлив підтопленим або непідтопленим.

7. Визначити коефіцієнт швидкості з залежності (5.1):

. (5.10)

8. Визначити коефіцієнт витрати з залежності (5.5):

. (5.11)

9. Підрахувати підтоплення водозливу за залежністю (5.8).

10. У випадку підтопленого водозливу при розрахунках коефіцієнтів швидкості та витрати слід враховувати величину підтоплення. Тобто коефіцієнти витрати та швидкості слід отримати з залежностей (5.7) та (5.9). Попередньо слід визначити коефіцієнт підтоплення (за таблицею В.4).

, (5.12)

. (5.13)

11. Визначити довідникові значення коефіцієнтів швидкості та витрати за залежностями (5.2) та (5.6) відповідно.

12. Визначити величину та відповідне значення коефіцієнта витрати m (за таблицею В.1).

13. Порівняти отримані дослідні та довідникові значення коефіцієнтів швидкості та витрати водозливу з широким порогом, за отриманими результатами зробити висновок.

Усі дані занести до журналу лабораторної роботи. Зробити висновок стосовно отриманих результатів.

Журнал роботи № 5

Ширина каналу b = 35 см,

висота стінки с =   см, товщина стінки  =   см.

№	Показник	Одиниці виміру	Номер досліду
			1	2	3	4	5	6
Виміряні
	Напір на мірному водозливі	см
	Глибина у верхньому б’єфі	см
	Глибина у нижньому б’єфі	см
	Напір на порозі водозливу h	см
Обчислені
	Витрата Q	см3/с
	Напір на водозливі H	см
	Швидкість підходу	см/с
	Повний напір на водозливі	см
	Режим витікання (підтоплений або непідтоплений)
	Підтоплення водозливу hП	см
	для підтопленого водозливу
	Коефіцієнт підтоплення
	Коефіцієнт швидкості  (за залежністю 5.10 або 5.12)
	Коефіцієнт витрати m (за залежністю 5.11 або 5.13)
	m в залежності від k

Контрольні питання

1. Дайте визначення водозливу.

2. Які водозливи слід відносити до водозливів з широким порогом?

3. До якого типу слід відносити споруду при виконанні умови ?

4. Від яких факторів залежить величина коефіцієнта витрати водозливу з широким порогом?

5. Назвіть критерії підтоплення водозливів з широким порогом.

6. Дайте визначення поняття перепад відновлення.

7. Назвіть пристрої для виміру рівня (глибини) води в каналах.

Витікання через водозлив без порогу

Загальні відомості

Отвори деяких гідротехнічних споруд (отвори гребель, вхідні ділянки водоскидів, отвори водозабірних споруд, отвори малих мостів) не мають порогу. Напір перед цими спорудами утворюється за рахунок бокового стиснення потоку.

У випадку, якщо у межах водозливу без порогу встановлюється ділянка потоку з постійною глибиною, цей водозлив може бути розглянутий як частинний випадок водозливу з широким порогом. Якщо у межах водозливу ділянка з постійною глибиною відсутня – його слід розглядати як водозлив практичного профілю. Якщо вважати водозлив без порогу частинним випадком водозливу з широким порогом, витрата, яка проходить через водозлив, може бути визначена за залежністю

, (6.1)

де  – коефіцієнт бокового стиснення, який наближено можна визначити за залежністю

. (6.2)

де n – кількість устоїв (бокових стиснень), в даному випадку .

_з – коефіцієнт зменшення, який враховує округлення або притуплення вертикальних устоїв, для даного випадку прийняти .

 – коефіцієнт швидкості, за рекомендацією Смислова В.В., для водозливів з неплавною вхідною частиною коефіцієнт може бути визначений за залежністю

, (6.3)

де , – площа вхідного перерізу ;

b – ширина водозливу (водозливного отвору);

Н – напір на водозливі, дорівнює глибині води у верхньому б’єфі (рис. 6.1);

– ширина підвідного каналу;

h – глибина у межах водозливу;

– повний напір на водозливі.

, (6.4)

де α – коректив кінетичної енергії;

– швидкість підходу; . (6.5)

Рисунок 6.1 – Водозлив без порогу

Замість виразу (6.1) можна використовувати залежність для витрати через будь-який прямокутний водозлив:

, (6.6)

де m – коефіцієнт витрати водозливу, якщо вважати водозлив водозливом з широким порогом, за рекомендацією Смислова В.В. коефіцієнт можна визначити за залежністю

. (6.7)

У випадку, якщо водозлив стає підтопленим, витрата через водозлив може бути визначена за залежністю

, (6.8)

де – висота підтоплення водозливу, .

Також у випадку підтопленого водозливу можна використовувати залежність

, (6.9)

де – коефіцієнт підтоплення водозливу, який залежить від співвідношення , а також умов входу потоку на водозлив та сходу з водозливу.

Мета роботи

Дослідити можливі форми витікання через водозлив без порогу. Визначити дослідним шляхом коефіцієнти швидкості та витрати водозливу без порогу, порівняти отримані значення з довідниковими. Звернути увагу на форми сполучення б’єфів при несиметричному стисненні потоку та на вид гідравлічного стрибка, що може утворитися у нижньому б’єфі після водозливу.

Опис лабораторної установки

Лабораторна установка представляє собою прямокутний канал, на початку якого встановлено резервуар з мірним трикутним водозливом. В каналі встановлено водозлив без порогу, що досліджується. В кінці каналу встановлено засув жалюзійного типу для створення різних рівнів води у нижньому б’єфі.

Порядок виконання роботи

Через водозлив пропустити потік рідини з постійною витратою. Вимірити напір на мірному водозливі. За допомогою мірної голки (або іншим способом) визначити глибини (відмітки рівня) води у верхньому h_В (z_В) та нижньому h_Н (z_Н) б’єфах. Виміряти глибину води h у межах водозливу (рис. 6.1).

Змінити витрату та/або глибину у нижньому б’єфі та провести наступний дослід. Провести декілька дослідів при різних витратах та глибинах води в каналі.

Частину замірів виконати для випадку підтопленого водозливу.

Обробка результатів дослідів

1. Визначити витрату Q за формулою Кінга (у цій формулі напір на мірному водозливі Н_М слід підставляти в м, витрата виходить у м³/с) або за тарувальною кривою мірного водозливу.

2. Визначити напір на водозливі .

3. Визначити величину та визначити, до якого типу водозливів слід відносити даний водозлив: з широким порогом чи практичного профілю.

4. Визначити швидкість підходу за залежністю (6.5).

5. Розрахувати повний напір за залежністю (6.4) (прийняти ).

6. Визначити коефіцієнт бокового стиснення за залежністю (6.2).

7. Порівняти відмітки рівнів води у межах водозливу та відмітку води у нижньому б’єфі. Визначити, чи є водозлив підтопленим або непідтопленим.

8. Визначити коефіцієнт швидкості з залежності (6.1):

. (6.10)

9. Визначити коефіцієнт витрати з залежності (6.6):

. (6.11)

10. Підрахувати підтоплення водозливу.

11. У випадку підтопленого водозливу при розрахунках коефіцієнтів швидкості та витрати слід враховувати величину підтоплення. Тобто коефіцієнти витрати та швидкості слід отримати з залежностей (6.8) та (6.9). Попередньо слід визначити коефіцієнт підтоплення, який визначається за таблицею В.4 в залежності від величини .

, (6.12)

. (6.13)

У випадку якщо водозлив, що досліджується, є водозливом практичного профілю, можна скористатися тільки узагальненими залежностями для прямокутних водозливів (6.11) та (6.13).

12. Якщо водозлив, що досліджується є водозливом з широким порогом, визначити довідникові значення коефіцієнтів швидкості та витрати за залежностями (6.3) та (6.7) відповідно. Визначити величину та відповідне значення коефіцієнта витрати m.

13. Порівняти отримані дослідні та довідникові значення коефіцієнтів швидкості та витрати водозливу, за отриманими результатами зробити висновок.

Усі дані занести до журналу лабораторної роботи. Зробити висновок стосовно отриманих результатів.

Журнал роботи № 6

Ширина каналу В₀ = 35 см, ширина водозливного отвору b =   см,

довжина водозливу  =   см.

№	Показник	Одиниці виміру	Номер досліду
			1	2	3	4	5	6
Виміряні
	Напір на мірному водозливі	см
	Глибина у верхньому б’єфі	см
	Глибина у нижньому б’єфі	см
	Глибина у межах водозливу h	см
Обчислені
	Витрата Q	см3/с
	Напір на водозливі H	см
	Тип водозливу за товщиною стінки
	Швидкість підходу	см/с
	Повний напір на водозливі	см
	Коефіцієнт стиснення
	Режим витікання (підтоплений або непідтоплений)
	Підтоплення водозливу hП
	Для підтопленого водозливу
	Коефіцієнт підтоплення
	Коефіцієнт швидкості  (за залежністю 6.10 або 6.12)
	Коефіцієнт витрати m (за залежністю 6.11 або 6.13)
	m в залежності від k

Контрольні питання

1. Дайте визначення водозливу.

2. До якої категорії водозливів за товщиною стінки можна віднести водозливи без порогу? Критерії вибору.

3. Назвіть приклади практичної реалізації витікання через водозлив без порогу.

4. Якими факторами обумовлене змінення рівня вільної поверхні при вході потоку на водозлив?

5. Назвіть критерії підтоплення водозливу без порогу.

Витікання через водозлив практичного профілю

Загальні відомості

До водозливів із стінкою практичного профілю відносять водозливи, товщина стінок δ яких знаходиться у межах , де Н – напір над водозливом у створі вище по течії на відстані від водозливу (2–3)Н – де ще немає помітного спаду вільної поверхні потоку (рис. 7.1).

Витрата крізь водозлив із стінкою практичного профілю визначається за залежністю

, (7.1)

де – коефіцієнт підтоплення водозливу;

m – коефіцієнт витрати водозливу;

b – ширина водозливу (водозливного отвору);

– повний напір на водозливі,

, (7.2)

де α – коректив кінетичної енергії;

– швидкість підходу; ; (7.3)

с – висота водозливної стінки.

В даній лабораторній роботі досліджується водозлив розпластаного типу.

Для водозливів розпластаного типу криволінійного обрису при співвідношенні коефіцієнт витрати може сягати значень .

Рисунок 7.1 – Водозлив практичного профілю

Мета роботи

Визначити дослідним шляхом коефіцієнт витрати водозливу практичного профілю без бокового стиснення. Порівняти отримане значення коефіцієнта витрати з довідниковим. Звернути увагу на можливі форм сполучення б’єфів при наявності водозливу розпластаного типу, на характер змінення глибини потоку в межах водозливу.

Опис лабораторної установки

Лабораторна установка представляє собою прямокутний канал, на початку якого встановлено резервуар з мірним трикутним водозливом. В каналі встановлено водозлив із стінкою практичного профілю. Ширина водозливу (водозливного отвору) дорівнює ширині каналу. В кінці каналу встановлено засув жалюзійного типу для створення різних рівнів води у нижньому б’єфі.

Порядок виконання роботи

Через водозлив пропустити потік води з постійною витратою. Вимірити напір на мірному водозливі. За допомогою мірної голки (або іншим способом) визначити глибини (відмітки рівня) води у верхньому h_В (z_В) та нижньому h_Н (z_Н) б’єфах (рис. 7.1).

Змінити витрату та/або глибину нижнього б’єфа та провести наступний дослід. Провести декілька дослідів при різних витратах та глибинах води в кналі.

Частину замірів виконати для випадку підтопленого водозливу.

Обробка результатів дослідів

1. Визначити витрату Q за формулою Кінга (у цій формулі напір на мірному водозливі Н_М слід підставляти в м, витрата виходить у м³/с) або за тарувальною кривою мірного водозливу.

2. Визначити напір на водозливі .

3. Визначити швидкість підходу за залежністю (7.3).

4. Розрахувати повний напір за залежністю (7.2).

5. Визначити підтоплення водозливу.

6. Визначити коефіцієнт витрати з залежності (7.1):

. (7.4)

7. Порівняти отримані дослідні та довідникові значення коефіцієнтів витрати водозливу практичного профілю, за отриманими результатами зробити висновок.

Усі дані занести до журналу лабораторної роботи. Зробити висновок стосовно отриманих результатів.

Журнал роботи № 7

Ширина лотка b = 35 см, висота стінки с =   см.

№	Показник	Одиниці виміру	Номер досліду
			1	2	3	4	5	6
Виміряні
	Напір на мірному водозливі	см
	Глибина у верхньому б’єфі	см
	Глибина у нижньому б’єфі	см
Обчислені
	Витрата Q	см3/с
	Напір на водозливі H	см
	Швидкість підходу	см/с
	Повний напір на водозливі	см
	Режим витікання (підтоплений або непідтоплений)
	Коефіцієнт підтоплення
	Коефіцієнт витрати m

Контрольні питання

1. Дайте визначення водозливу.

2. Які водозливи слід відносити до водозливів практичного профілю?

3. Дайте визначення вакуумних та безвакуумних водозливів.

4. Дайте визначення водозливу практичного профілю нормального обрису.

5. Від яких факторів залежить величина коефіцієнту витрати водозливу практичного профілю?

6. Назвіть критерії підтоплення водозливу практичного профілю.

Дослідження режимів сполучення б’єфів при перетіканні води через греблю з уступом

Загальні відомості

При перетіканні потоку з постійною витратою через греблю (водозлив) з уступом можливе існування різних режимів сполучення б’єфів, які при постійних витраті, висоті греблі та висоті уступу, визначаються глибиною води у нижньому б’єфі. При цьому може спостерігатися донний, поверхневий або змішаний режими.

Після греблі з уступом у нижньому б’єфі при незначних глибинах може утворюватись відігнаний гідравлічний стрибок (донний режим). При поступовому збільшені глибини у нижньому б’єфі стрибок буде зсуватися до греблі, поступово перейде у критичну форму сполучення – насунутий гідравлічний стрибок і далі – у затоплений гідравлічний стрибок. При подальшому збільшені глибини отримаємо поверхневий режим сполучення б’єфів з незатопленим струменем – отримаємо поверхневий вільний (незатоплений) стрибок. Цей перехід від донного режиму до поверхневого має назву "перший критичний режим". Глибина у нижньому б’єфі, при якій відбувається цей перехід має назву "перша гранична глибина" .

Подальше збільшення глибини нижнього б’єфа призведе до переходу від вільного поверхневого стрибка до затопленого поверхневого стрибка. Початок утворення поверхневого стрибка (поверхневої вирової зони над уступом) є "другим критичним режимом". Глибина нижнього б’єфа, що відповідає цьому режиму – "друга гранична глибина" .

Значення глибин, що відповідають першому та другому критичному режимам, можна визначити за залежностями (8.1 – 8.4).

, (8.1)

де а – висота уступу (рис. 8.1),

с_н – висота водозливу з сторони нижнього б’єфа,

 – критична глибина.

Рисунок 8.1 – Гребля з вертикальним уступом

Залежність (8.1) можна використовувати при виконанні умови , у протилежному випадку, тобто якщо слід використовувати таку залежність:

. (8.2)

Другу граничну глибину можна визначити за залежностями

, (8.3)

, (8.4)

де  – повний напір на греблі (водозливі).

, (8.5)

де Н – геометричний напір на водозливі;

α – коректив кінетичної енергії (коефіцієнт Коріоліса);

– швидкість підходу; ; (8.6)

b – ширина водозливу (водозливного отвору);

с – висота водозливної стінки, в даному випадку .

Мета роботи

Експериментальне дослідження режимів поєднання б’єфів при перетіканні води через водозлив практичного профілю, що має вертикальний уступ (трамплін). Дослідити умови, за яких відбувається зміна режимів сполучення б’єфів. Визначити дослідним шляхом значення глибин, що відповідають першому та другому критичному режимам (першу та другу граничні глибини). Звернути увагу на можливі форми сполучення б’єфів у випадку греблі з уступом.

Опис лабораторної установки

Лабораторна установка представляє собою прямокутний канал, на початку якого встановлено резервуар з мірним трикутним водозливом. В каналі встановлено водозлив практичного профілю з вертикальним уступом (рис. 8.1). Ширина водозливу (водозливного отвору) дорівнює ширині каналу. У нижньому б’єфі наприкінці каналу встановлено засув жалюзійного типу для створення різних рівнів води у нижньому б’єфі.

Порядок виконання роботи

Пропустити через водозлив потік води з постійною витратою. Вимірити напір на мірному водозливі.

За допомогою засуву встановити у нижньому б’єфі глибину, при якій спостерігається донний режим сполучення б’єфів за схемою відігнаного стрибка. Змінюючи глибину води у нижньому б’єфі, намагатися отримати такі значення, при яких сполучення б’єфів відбувається за схемою насунутого й далі – затопленого гідравлічних стрибків.

Збільшуючи надалі глибину нижнього б’єфа, встановити таку її величину, при який відбувається перехід від донного режиму до поверхневого з незатопленим струменем ( ). Заміряти значення першої граничної глибини нижнього б’єфа.

Продовжити збільшувати глибину води у нижньому б’єфі, доки не відбудеться перехід від поверхневого режиму з незатопленим струменем до поверхневого режиму з затопленим струменем. Припинити змінення глибини при утворенні поверхневої вирової зони (другий критичний режим). Заміряти значення другої граничної глибини ( ).

Змінити витрату та провести наступний дослід.

Обробка результатів дослідів

1. Визначити витрату Q за формулою Кінга (у цій формулі напір на мірному водозливі Н_М слід підставляти в м, витрата виходить у м³/с) або за тарувальною кривою мірного водозливу.

2. Визначити питому витрату .

3. Визначити критичну глибину (прийняти ).

4. Визначити швидкість підходу за залежністю (8.6).

5. Розрахувати геометричний напір на водозливі за залежністю .

6. Розрахувати повний напір за залежністю (8.5).

7. Обчислити значення глибин нижнього б’єфа, що відповідають першому та другому критичному режиму за відповідними залежностями (8.1) – (8.4).

8. Порівняти отримані дослідні значення граничних глибин з підрахованими за емпіричними залежностями. За отриманими результатами зробити висновок.

Усі дані занести до журналу лабораторної роботи. Зробити висновок стосовно отриманих результатів.

ЖУРНАЛ РОБОТИ № 8

Ширина лотка b = 35 см,

висота стінки с =   см, висота уступу а =   см,

№	Показник	Одиниці виміру	Номер досліду
			1	2	3	4	5	6
Виміряні
	Напір на мірному водозливі	см
	Глибина води у верхньому б’єфі	см
	Глибина води у нижньому б’єфі, перша гранична	см
	Глибина води у нижньому б’єфі, друга гранична	см
Обчислені
	Витрата Q	см3/с
	Питома витрата q	см2/с
	Критична глибина	см
	Напір на водозливі H	см
	Швидкість підходу	см/с
	Повний напір	см
	Глибина води у нижньому б’єфі за залежністю(8.1) або (8.2)	см
	Глибина води у нижньому б’єфі за залежністю(8.3)	см
	Глибина води у нижньому б’єфі за залежністю(8.4)	см

Контрольні питання

1. Назвіть можливі режими поєднання б’єфів при перетіканні потоку через греблю з уступом.

2. Від яких факторів залежить форма сполучення б'єфів при наявності греблі з вертикальним уступом?

3. Дайте визначення першого та другого критичних режимів.

4. Дайте визначення граничних глибин.

5. В яких випадках використовують греблі з уступом?

6. Який режим сполучення б’єфів є найбільш сприятливим (намагаються підтримувати при експлуатації споруди)?

Визначення коефіцієнта фільтрації ґрунту

Загальні відомості

Фільтрацією називають явище руху води в пористому середовище, в даному випадку – рух води в порах ґрунту.

Швидкість фільтрації у випадку усталеного, ламінарного руху може бути визначена за законом Дарсі:

,

де К – коефіцієнт фільтрації;

J – п’єзометричний уклон.

Коефіцієнт фільтрації являє собою швидкість фільтрації при уклоні . В лабораторних умовах він визначається на спеціальній установці – приладі Дарсі (рис. 9.1).

Мета роботи

Освоїти лабораторний метод визначення коефіцієнта фільтрації ґрунту.

Опис лабораторної установки

Установка представляє собою бак заповнений ґрунтом, коефіцієнт фільтрації якого досліджується. Грунт 1, який досліджується, укладається на сітку 2. Крізь ґрунт фільтрується вода, яка подається в прилад по трубі з вентилем 3. Зливається вода по трубі з вентилем 4. На деякій відстані ℓ один від одного підключені п’єзометри 5, за допомогою яких вимірюються напори Н₁ і Н₂.

Порядок виконання роботи

Відкрити вентилі 3 і 4. Регулюючи подачу води вентилем 3 та відведення води вентилем 4, підняти рівень води до краю переливу 6. При постійному рівні води взяти відліки по п’єзометрах Н₁ і Н₂. Об’ємним способом виміряти витрату води. За допомогою вентилів 3 та 4 змінити витрату води та виконати наступний дослід.

Рисунок 9.1 – Схема установки

Обробка результатів дослідів

1. Визначити витрату .

2. Визначити середню швидкість із залежності , де ω – площа поперечного перерізу пристрою.

3. Визначити різницю показань п’єзометрів .

4. Визначити п’єзометричний уклон .

5. Розрахувати коефіцієнт фільтрації .

6. За даними дослідів визначити середнє значення ,

де К_і – коефіцієнт фільтрації для окремо взятого досліду;

n – кількість дослідів.

Журнал роботи № 9

Площа поперечного перерізу пристрою ω = см²,

відстань між п’єзометрами ℓ = см.

№	Показник	Одиниці виміру	Номер досліду
			1	2	3	4	5
Виміряні
1	Об’єм мірного бака W	см3
2	Показання п’єзометрів Н1	см
	Н2	см
3	Час наповнення мірного бака t	с
Обчислені
4	Різниця показань п’єзометрів ΔH	см
5	П’єзометричний уклон J
6	Витрата води Q	см3 /с
7	Швидкість фільтрації u	см/с
8	Коефіцієнт фільтрації К	см/с
Середнє значення коефіцієнта фільтрації Ксер= см/с

Контрольні питання

1. Дайте визначення фільтрації.

2. Які існують види фільтрації?

3. Від яких факторів залежить коефіцієнт фільтрації ґрунту.

4. Назвіть одиниці виміру коефіцієнта фільтрації.

5. Чому у формулі Дарсі використано не гідравлічний, а п’єзометричний уклон?

6. Яким чином на величину коефіцієнта фільтрації впливає розмір частинок та різнозернистість ґрунту?

7. Які існують способи визначення коефіцієнта фільтрації?

Список літератуРи

1. Агроскин И.И., Дмитриев Г.Т., Пикалов Ф.И. Гидравлика. – М.: ГЭИ, 1954.

2. Альштуль А.Д., Животовский Л.С., Иванов Л.П. Гидравлика и аэродинамика. – М., 1987. – 414 с.

3. Большаков В.А. и др. Сборник задач по гидравлике, Изд. 3. – Киев: Вища школа, 1975. – 300 с.

4. Дейли Д.Ж., Харлеман Д. Механика жидкости. – М.: Энергия, 1971. – с.480.

5. Константінов Ю.М., Гіжа О.О. Технічна механіка рідини і газу: Підручник. – К.; Вища шк., 2002. – 277 с.

6. Константінов Ю.М., Гіжа О.О. Інженерна гідравліка: Підручник. – К.: Вища школа, 2004. – 277 с.

7. Левицький Б.Ф., Лещій Н.П. Гідравліка. Загальний курс. – Львів: Світ, 1994. – 264 с.

8. Панова М.В. Лабораторный практикум по гидравлике. – М.: Энергия, 1969. – 128 с.

9. Смыслов В.В. Гидравлика и аэродинамика. – К.: Вища школа, 1979. – с.334.

10. Справочник по гидравлике / Под ред. В.А. Большакова. – Киев: Вища школа, 1977. – 280 с.

11. Справочник по гидравлическим расчетам / Под ред. П.Г. Киселева, изд. 4. – М.: Энергия, 1972. – 370 с.

12. Чугаев Р.Р. Гидравлика, Изд. 3. – М.–Л.: Энергия, 1984. – 672 с.

Додаток а Інструкція з техніки безпеки під час роботи в лабораторії гідравліки

До лабораторних занять в лабораторії гідравліки допускаються студенти, які пройшли інструктаж з техніки безпеки у керівника лабораторними заняттями або завідувача лабораторією з відповідним оформленням у журналі.

Студентам забороняється без дозволу керівника занять переміщуватись по території лабораторії, входити до приміщення насосної станції, інших службових приміщень.

Забороняється самостійно вмикати електродвигуни насосних агрегатів та іншого електрообладнання, відкривати та закривати запірно-регулюючу арматуру на трубопроводах та установках, вмикати та вимикати вимірювальні прилади та пристрої. Ці роботи можуть виконуватись студентами під наглядом керівника практичних занять.

Перед виконанням роботи студент повинен бути ознайомлений з описом лабораторного устаткування та послідовністю виконання дослідження.

Під час виконання роботи студент повинен чітко виконувати вказівки особи, що проводить лабораторні заняття.

По закінченню робіт студент повинен повідомити про це керівника робіт або обслуговуючий персонал лабораторії.

Додаток б

Таблиця Б.1 – Кінематичний коефіцієнт в’язкості ν води, см²/с.

Температура, С	ν , см2/с	Температура, С	ν , см2/с
4	0,0157	13	0,0121
5	0,0152	14	0,0118
6	0,0147	15	0,0115
7	0,0143	16	0,0112
8	0,0139	17	0,0109
9	0,0135	18	0,0106
10	0,0130	19	0,0104
11	0,0127	20	0,0101
12	0,0124

Додаток в

Таблиця В.1 – Коефіцієнти витрати для водозливів з широким порогом (за даними Чугаєва Р.Р.) глибина на водозливі

m	0,3	0,32	0,34	0,36	0,38
k	0,42	0,45	0,49	0,54	0,62

Таблиця В.2 – Коефіцієнти швидкості для водозливів з широким порогом (за даними Куміна)

Водозлив	m	0,3	0,32	0,34	0,36	0,38
непідтоплений		0,94	0,96	0,97	0,98	1,00
підтоплений		0,77	0,84	0,90	0,96	0,99

Таблиця В.3 – Коефіцієнти швидкості та витрати для водозливів в залежності від умов входу

Характер входу		m
Без втрат (ідеальний, абстрактний випадок)	1	0,385
Плавний вхід	0,951	0,36
Закруглене вхідне ребро	0,936	0,35
Притуплений кут вхідного ребра	0,912	0,33
Без закруглення	0,9	0,32
Без закруглення при несприятливих умовах входу (шорсткий вхід)	0,88	0,30

Таблиця В.4 – Значення коефіцієнта підтоплення для водозливів з широким порогом

	П
	плавний вхід	неплавний вхід
0,80	1	1
0,84	0,98	0,96
0,88	0,95	0,90
0,92	0,84	0,79
0,95	0,70	0,65
0,98	0,47	0,44

Зміст

ПЕРЕДМОВА 3

Визначення місцевих швидкостей трубкою Піто-Прандтля 4

Дослідження розподілу швидкостей по живому перерізу потоку 9

Дослідження гідравлічного стрибка 13

Витікання через водозлив з тонкою стінкою 17

Витікання через водозлив з широким порогом 21

Витікання через водозлив без порогу 25

Витікання через водозлив практичного профілю 30

Дослідження режимів сполучення б’єфів при перетіканні води через греблю з уступом 33

Визначення коефіцієнта фільтрації ґрунту 37

Список ЛІТЕРАТУРи 40

Додаток А 41

Додаток Б 41

Додаток В 42