Исследование гидравлического прыжка

1. Цель работы

Определить вид гидравлического прыжка, его длину, потери энергии в прыжке.

Сравнить опытные величины h", L_np с вычисленными по фор­мулам.

Определить состояния потока до и после гидравлического прыж­ка.

Вычислить значения прыжковых функций П(h') и П(h'').

2. Общие сведения

Гидравлическим прыжком называется резкое увеличение глу­бины потока от величины h', меньшей h_Kp, до величины h", большей h_Kp. Это явление наблюдается на относительно коротком участке русла (рисунок 3.1) и является единственной формой перехода потока из бурного состояния в спокойное.

Глубины h' и h" измеряемые в сечениях 1-1 и 2-2, ограничи­вающих прыжок, называются сопряженными. Расстояние между этими глубинами называется длиной гидравлического прыжка Ь_пр. Высота гидравлического прыжка а_п - это разность между второй и первой со­пряженными глубинами, т. е. а_п = h"—h'. В потоке между сечениями 1-1 и 2-2 наблюдается поверхность раздела АВС; ниже этой поверх­ности струя (транзитная струя) резко расширяется от глубины h' до глубины h"; выше поверхности АВС имеется поверхностный валец, который представляет собой водоворотную область, насыщенную пу­зырьками воздуха.

Рисунок 3.1 - Схема гидравлического прыжка

В зависимости о.т условий, в которых происходит гидравличе­ский прыжок, наблюдаются различные его виды: совершенный, вол­нистый, подпертый, затопленный, поверхностный и другие гидравли­ческие прыжки.

Совершенный гидравлический прыжок образуется в нестес­ненном русле при уклоне дна близком к нулю и соотношении сопряженных глубин h''/h' ≥2. В прыжке этого вида заметно выражены поверхностный валец и транзитная часть потока.

Другие виды гидравлических прыжков подробно описаны в справочной литературе.

Состояние потока (бурное, спокойное, критическое) характе­ризуется параметром кинетичности П_к. Параметр кинетичности выра­жает количественное соотношение кинетической и потенциальной энергий и определяется отношением удвоенной кинетической энергии к потенциальной энергии потока

, (3.1)

где α - коэффициент Кориолиса, α ≈ 1,1;

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

h - средняя глубина в том же сечении потока, м.

При П_к < 1 поток находится в спокойном состоянии (h>h_Kp); при П_к> 1 - поток в бурном состоянии (h<h_Kp) ; при П_к = 1 - поток в критическом состоянии (h = h_Kp).

Для русла прямоугольного поперечного сечения с уклоном дна равным нулю и однородной шероховатостью уравнение гидравличе­ского совершенного прыжка имеет вид:

, (3.2)

где Q - расход воды в лотке, м³/с;

- глубины погружения центров тяжести соответственно первого и второго живых сечении потока, м;

- площади живых сечении потока в первом и втором створах соответственно с глубинами h'' и h', м².

Левая часть уравнения (3.2) равна правой. Следовательно, выражение (3.2) можно записать как

, (3.3)

где - прыжковая функция первой сопряженной (взаимной глубины;

- прыжковая функция второй сопряженной (взаимной глубины;

Сопряженные глубины в прямоугольном русле (лотке) гидравлического совершенного прыжка находятся по формулам

(3.4)

(3.5)

Потери энергии в совершенном гидравлическом прыжке в прямоугольном русле определяются из выражения

(3.6)

Длина совершенного гидравлического прыжка для прямо­угольного русла определяется по эмпирическим формулам. Наиболее часто используется формула Н.Н. Павловского.

. (3.7)

3. ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

На рисунке 1.1 представлена схема опытной установки. Вода из трубопровода 1 поступает в приемную камеру 3. При помощи задвиж­ки 2 регулируется расход воды на водосливе 5 и в лотке 6. Пьезометр 4, установленный на внешней стороне камеры 3, используется для из­мерения напора на водосливе. В начале лотка имеется специальный паз 8, в который вставляется плоский вертикальный затвор. В конце лотка имеется паз 7 для установки щита, служащего для изменения состояния потока между затвором и щитом.

4. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Открывается задвижка 2 и устанавливается свободное истече­ние из-под затвора, установленного в пазе 8 лотка 6. Щитом в конце лотка создается подпор так, чтобы в лотке образовался гид­равлический прыжок. Маневрируя щитом в пазе 7, устанавливается гидравлический прыжок примерно на середине лотка.

При помощи шпиценмасштаба измеряются отметки уровня во­ды и дна лотка в начале и конце гидравлического прыжка (сечение 1-1 и 2-2 на рисунке 3.1). Уклон дна лотка равен нулю.

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

Длина прыжка измеряется сантиметровой линейкой.

Результаты измерений и расчетов заносятся в таблицу 3.1.

5. ПОРЯДОК ВЫЧИСЛЕНИЯ

1. Определяется глубина воды в первом и во втором сечениях:

2. Находятся параметры кинетичности потока до и после гидравлического прыжка:

где

3. Вычисляется вторая сопряженная глубина h'' из формулы (3.5):

4. Находятся прыжковые функции :

Таблица 3.1 - Опытные данные

Наименование	Опыты
1. Расход по тарировочной кривой Q, м3/с
2. Отметка дна в сеч. 1-1 ,м
3. Отметка уровня воды в сеч. 1 -1, м
4. Отметка дна в сеч. 2-2, м
5. Отметка уровня воды в сеч. 2-2, м
6. Ширина потока лотка, м
7. Глубина перед прыжком h'on, м
8. Глубина за прыжком h"on, м
9. Параметр кинетичности до прыжка П'к
10. Параметр кинетичности после прыжка П"к
11. Прыжковая функция П(h)
12. Прыжковая функция П (h")
13. Глубина за прыжком h"по формуле (3.5), м
14. Вид прыжка
15. Длина прыжка по замерам lпр, м
16. Длина прыжка по формуле (3.7) lпр, м
17. Потери энергии в прыжке hmp, м

5. Определяется вид гидравлического прыжка.

6. Вычисляется длина прыжка по формуле (3.7).

7. Находятся потери энергии из выражения (3.6).

8. По данным табл. 3.1 в масштабе 1:5 вычерчивается совершенный гидравлический прыжок.

9. Сравнить опытные результаты по длине гидравлического прыжка с расчетной длиной, полученной из формулы (3.7). Сделать вывод.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4