16. Гидравлические элементы живого сечения (площадь живого сечения, длина смоченного периметра, гидравлический радиус). Два режима движения жидкости (ламинарный и турбулентный).

Площадью живого сечения, или живым сечением потока, называют площадь сечения потока, расположенную перпендикулярно направлению движения жидкости, т. е. скорость движения элементарных струек направлена перпендикулярно сечению потока. Площадь живого сечения обозначается через ω (в м²).

В реальных условиях поверхности живых сечений являются криволинейными, для расчетов в целях упрощения принимают живые сечения плоскими. В практике под живым сечением понимается поперечное сечение канала, канавы, трубы. Форма живого сечения бывает в виде трапеции, треугольника, прямоугольника.

Живое сечение может быть ограничено твердыми стенками полностью или частично, например, водопропускные трубы, боковые водоотводные канавы, нагорные канавы. Условия движения потока жидкости зависят от глубины и ширины живого сечения: если стенки ограничивают поток полностью, движение жидкости осуществляется в напорном режиме, в случае частичного ограничения режима движения режим движения безнапорный.

Смоченным периметром А. называется линия, по которой поток в поперечном сечении соприкасается с твердыми стенками русла.

 

Рисунок 6.5 Схема к определению периметра смачивания

 

Для случая напорного движения смоченный периметр в круглой трубе совпадает с его геометрическим периметром и будет равен

 

λ=πD. (6.4)

 

Так, для бетонного канала, изображенного на рис. 6.5, периметр смачивания

 

λ=b + 2h (6.5)

Гидравлическим радиусомназывается отношение площади живого сечения потока к смоченному периметру, т. е.

 

R = ω/λ (6.6)

При неизменном диаметре трубы Т в зависимости от величины средней скорости движения жидкости имеет различные характерные особенности. При малых скоростях струйка краски движется, не сме­шиваясь с остальными слоями жидкости (рис.1.31а). Если пустить нес­колько подкрашенных струек, то они также будут двигаться, не пере­мешиваясь между собой и не смешиваясь с остальной массой жидкос­ти. Линии тока в трубе при этом устойчиво прямолинейны.

При несколько увеличенном расходе и, следовательно, увеличива­ющейся средней скорости окрашенная струйка искривляется. Струйка начинает пульсировать (колебаться в пространстве), что свидетельст­вует о наличии непрерывных изменений (пульсаций) скорости во вре­мени в различных точках.

При дальнейшем увеличении скорости и увеличении пульсации окрашенная струйка распадается, перемешиваясь с остальной массой жидкости, при этом наблюдаются заметные завихрения по всему сече­нию трубы (рис.1.31б).

Режим движения, при котором отсутствуют пульсации скорости и перемешивание частиц, называется ламинарным (от латинского слова lamina слой) режимом движения.

Режим движения, характерной особенностью которого является пе­ремешивание частиц и пульсации скорости, называется турбулентным (от латинского словаturbulentus беспорядочный) режимом движения.

Рис. 1.31. Характерные особенности ламинарного (а) и турбулентного (б) режимов движения жидкости

Ламинарный режим движения встречается чаще всего при движении по трубам жидкостей с большой вязкостью (нефти, нефтепродуктов и т.д.), а также при движении воды в тонких капиллярных трубках и порах грунта.

Турбулентный режим встречается в большинстве случаев гидротехнической и гидромелиоративной практики (движение воды в трубах, каналах, реках и т.п.).

Многочисленные экспериментальные данные подтверждают, что при разных режимах движения жидкости потери энергии по разному зависят от скорости движения.