Исследование кривых свободных поверхностей потока при неравномерном плавно изменяющемся установившемся движении в призматических руслах.

1. Цель работы

Определить критический уклон i_кр, критическую глубину h_кр, нормальную глубину потока. Установить вид кривой свободной по­верхности потока в призматическом русле прямоугольного сечения и энергетическое состояние потока.

2. Общие сведения

Русла называются призматическими, если они не изменяют свою форму по длине потока. К призматическим руслам относятся ис­кусственные сооружения - каналы, лотки. При движении жидкости в призматических руслах формируются различные типы кривых подпо­ра или спада. При увеличении глубин потока в русле происходит фор­мирование кривой подпора, при уменьшении глубин потока формиру­ется кривая спада. В первом случае происходит уменьшение скоростей по его длине, во втором - их увеличение. Увеличение глубин и уменьшение скоростей потока приводит к заилению каналов, а уменьшение глубин и увеличение скоростей вызывает размыв русла. Все эти случаи требуют дополнительных мер для нормальной экс­плуатации каналов.

Тип кривой свободной поверхности потока в призматическом русле при неравномерном движении зависит от величины уклона дна соотношения глубин нормальной h₀, критической h_Kp и текущей глуби­ны потока h.

В работе рассматриваются случаи неравномерного плавно из­меняющегося установившегося движения, когда i > 0 и i < i_кр. При этом формируется три кривых свободной поверхности потока - две кривых подпора и одна кривая спада (рисунок 2.1). В зоне а глубины вдоль потока возрастают (h > h₀> h_Kp), формируется кривая подпора типа а₁ и поток находится в спокойном состоянии (h > h_Kp). В зоне b глубины вдоль потока уменьшаются (h > ho > h_Kp), формируется кривая спада типа b₁, поток находится в спокойном состоянии (h > h_Kp). В зоне с наблюдается увеличение глубин потока (ho > h_Kp > h) формируется кривая подпора типа с₁ и поток находится в бурном состоянии (h>h_Kp).

Рисунок 2.1 - Кривые свободной поверхности потока при i<i_кр

Тип кривой свободной поверхности определяется при сравне­нии уклона дна с критическим уклоном и глубин потока h, ho, h_Kp.

Критическим уклоном называется уклон, при котором нор­мальная глубина равна критической. Критический уклон находится из уравнения:

, (2.1)

откуда

, (2.2)

где ω_кр - площадь живого сечения потока при ho = h_Kp, м²;

α - коэффициент Кориолиса (α 1,1);

С_кр - коэффициент Шези при ho = h_Kp, м^0,5/с;

- гидравлический радиус при ho = h_Kp, м²;

- ширина потока по верху (для прямоугольного русла ), м.

Нормальная глубина находится методом подбора из формулы Шези

, (2.2)

Критическая глубина для прямоугольного русла вычисляется из выражения

, (2.4)

Состояние потока определяется по параметру кинетичности П_к. При равномерном движении П_к остается неизменным для любых живых сечений потока. При неравномерном движении П_к уменьшается вдоль потока при подпоре и увеличивается при спаде. При <1 — спокойное состояние потока, при П_к > 1 - бурное состояние потока, при П_к= 1 - критическое состояние потока. Параметр кинетичности определяется по формуле

, (2.5)

где V - средняя скорость потока в сечении, м/с;

h - средняя глубина в этом же сечении, м.

3. ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Схема опытной установки приведена на рисунке 1.1.

Вода из трубопровода 1 через задвижку 2 подается в напорный бак 3. Задвижка 2 служит для изменения расхода на водосливе 5 и в лотке 6. Напор на водосливе 5 измеряется с помощью пьезометра 4. В начале и конце лотка имеются пазы 7 и 8, куда вставляются плоские затворы. Уклон лотка изменяется с помощью винтового подъёмного устройства 9. Вода из лотка 6 поступает в ёмкость 10 и через трубо­провод 12 попадает в приёмный коллектор. Сетка 13 устанавливается в начале лотка и используется для гашения пульсации потока. В нача­ле лотка имеется водослив-водомер 5, при помощи которого определя­ется расход воды.

4. ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТ

С помощью винтового устройства 9 устанавливается заданный уклон дна лотка 6. В конце лотка в паз 7 вставляется затвор. От­крывается задвижка 2, в лотке формируется кривая подпора или спада в зависимости из условия задачи. При установившемся движении по­тока измеряются отметки уровней воды и дна лотка в заданных ство­рах при помощи шпиценмасштаба.

Расход воды определяется с помощью водослива-водомера 5 по тарировочной кривой Q — f (Н).

Расстояния между створами измеряется сантиметровой линей­кой.

Результаты измерений заносят в таблицу 2.1.

Таблица 2.1 - Опытные данные

Наименование	Створы
	1	2	3	4	5
1. Отметки поверхности воды, м
2. Отметки дна лотка, м
3. Глубина воды в створах, м
4. Расстояние между створами, м
5. Расход по тарировочной кри­вой Q, м3/с
6. Уклон дна лотка
7. Коэффициент шероховатости стенок и дна лотка п
8. Критический уклон iкр, м
9. Критическая глубина hKp, м
10. Нормальная глубина h0, м
11. Тип кривой свободной поверхности в призматическом русле
12. Параметр кинетичности Пк
13. Состояние потока

5. ПОРЯДОК ВЫЧИСЛЕНИЙ

1. Определяются глубины воды в соответствующих створах (таблица 2.1)

.

2. Находится критическая глубина из формулы (2.4).

3. Определяется нормальная глубина потока h₀ из формулы Шези (2.3). Расчет по определению глубины h₀ ведется в табличной форме (таблица 2.2). По данным таблицы 2.2 строится график Q = f(h) (рисунок 2.2). По известному значению расхода Q (где Q - расход по тарировочной кривой) находится из построенного графика глубина ho.

Таблица 2.2

h	b	ω=bh	Χ=b+2h	R= ω/χ	C=	Q=ωC	Расход по тарировочной кривой
м	м	м2	м	м	м0,5/с	м3/с	м3/с

5. В таблицу 2.1 заносятся данные i_Kp, h_Kp и h₀.

6. Сравниваются значения уклонов (i, i_Kp) и глубин (h_t, h₀ и h_Kp).

7. Делается вывод о типе кривой свободной поверхности сфор­мировавшейся в призматическом русле прямоугольного сечения.

8. Определяется состояние потока в призматическом русле (лот­ке). Вычисляется параметр кинетичности потока П_к по формуле (2.5) для 1, 3, 5 створов

где , м/с;

Q - расход по тарировочной кривой, м³/с;

- глубина в соответствующем створе (таблица 2.1), м.

9. По данным таблиц 2.1 в масштабе (М_в 1:5, М_г 1:20) строится продольный профиль с полученным типом кривой свободной поверхности при неравномерном установившемся плавно изменяющемся движением потока в призматическом русле прямоугольного сечения (рисунок 2.3).

о - координаты точек по данным таблицы 2.2;

Q - расход по тарировочной кривой

Рисунок 2.2 - График для определения нормальной глубины поток в лотке

Рисунок 2.3 - Кривая подпора типа а₁ при неравномерном установившемся плавно изменяющемся движении потока в лотке прямоугольного сечения

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3