Определение коэффициентов расхода и скорости, построение свободной поверхности на водосливе с широким порогом

1. Цель работы

Определить коэффициенты расхода и скорости неподтопленного водослива с широким порогом и коэффициенты расхода, подтоп­ления и скорости подтопленного водослива с широким порогом.

Построить кривые свободной поверхности для неподтопленного и подтопленного водослива с широким порогом.

2. Общие сведения

Водосливом с широким порогом называют водослив с горизонтальной поверхностью порога при 2 < < 10, где S - ширина (толщина) порога водослива. При такой ширине порога потери напора по длине малы и не учитываются при расчете водосливов. В зависимости от относительной ширины на пороге водослива устанавливаются различные формы свободной поверхности (рисунки 5.1 и 5.2).

Несмотря на сложную форму движения воды на пороге, можно выделить ряд сечений, в которых кривизна свободной поверхности мала или может считаться равной нулю. В этих сечениях давления распределяются по гидростатическому закону и устанавливается глу­бина h на пороге водослива, которая является расчетной при выводе формулы, истечения через водослив с широким порогом. Формула, по которой определяется расход водослива, имеет вид:

(5.1)

где ϕ - коэффициент скорости;

b - ширина водосливного фронта, м;

h - глубина воды на пороге водослива, м;

Н₀ - напор с учетом скорости подхода, м.

Выражение (5.1) после преобразования приводится к общей формуле водослива:

(5.2)

где m - безразмерный коэффициент расхода водослива.

Напор с учетом скорости подхода определяется из выражения

(5.3)

где -скорость подхода к водосливу, м/с;

α - коэффициент Кориолиса (α ≈ 1,1).

Значения коэффициентов m и ϕ

Эксперименты показывают, что при движении потока через водослив решающее влияние на коэффициент m оказывают сопротивления, отражаемые коэффициентом скорости ϕ. Сопротивления для неподтопленного водослива зависят от относительной высоты порога , формы порога на входе, бокового сжатия, формы входа в плане и относительного напора . В таблице 5.1 приводится зависимость коэффициента расхода m от коэффициента скорости ϕ, а в таблице 5.2 - зависимость коэффициента расхода для водослива с широким порогом без бокового сжатия от

Таблица 5.1

ϕ	0,94	0,96	0,97	0,98	1,0
m	0,3	0,32	0,34	0,36	0,385

Таблица 5.2

	0	0,2	0,4	0,6	0,8	1,0	2,0	4,0	6,0	8
m	0,385	0,366	0,356	0,350	0,45	0,342	0,333	0,327	0,325	0,320

Подтопленный водослив с широким порогом

Подтопление водослива с широким порогом наступает лишь по­сле того, как уровень воды в нижнем бьефе поднимется над порогом выше определенного предела. Этот предел, при котором наступает подтопление водослива зависит от величины (Δ - превышение уровня воды в нижнем бьефе над порогом водослива, Δ = h₆ - Р).

На рисунке 5.2 представлена схема подтопленного водослива. На по­роге водослива устанавливается спокойное состояние потока с глуби­нами большими критической глубины h_кр.

Подтопление водослива наступает при следующих значениях :

- при плавном входе на порог

(5.4)

- при неплавном входе на порог

(5.5)

Значения коэффициентов расхода m и скорости ϕ для подтопленного водослива с широким порогом по данным Д.И. Кумина приводятся в таблице 5.3.

Таблица 5.3

ϕn	0,76	0,84	0,90	0,96	0,99	1
m	0,30	0,32	0,34	0,36	0,38	0,385

Расчетная формула для подтопленного водослива с широким порогом без учета перепада восстановления имеет вид:

(5.6)

где - коэффициент скорости подтопленного водослива.

Выражение (5.6) после преобразования приводится к общей формуле водослива:

(5.7)

где - безразмерный коэффициент подтопления.

а)

б)

в)

г)

Рисунок 5.1 - Неподтопленный водослив с широким порогом

Рисунок 5.2 - Подтопленный водослив с широким порогом

3. ОПИСАНИЕ ОПЫТНОЙ УСТАНОВКИ

На рисунке 1.1 представлена схема опытной установки. Вода по трубопроводу 1 подается в приемную камеру 3. Расход воды регулируется с помощью задвижки 2. Напор воды на водосливе-водомере 5 измеряется с помощью пьезометра 4. В средней части лотка 6 устанавливается исследуемый водослив с широким порогом шириной S =0,32 м. В паз 7 вставлен затвор, который используется для изменения режима движения жидкости в лотке и на пороге водослива.

4. ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

Для установившегося движения на водосливе с широким пороем (для одной из схем, представленных на рисунках 5.1 и 5.2) определяют отметки уровня воды, порога водослива и дна лотка. Данные заносят в таблицу 5.4. Расстояния между створами и количество створов даны на рисунке 5.3.

Расход воды определяется по тарировочной кривой при помощи водослива-водомера.

Рисунок 5.3 - Схема к построению кривой свободной поверхности на водосливе с широким порогом

5. ПОРЯДОК РАСЧЕТА

Расчет производится в табличной форме (таблица 5.5)

1. Определяется высота водослива

2. Находится напор в сечении 1-1 (рисунок 5.3)

3. Вычисляется скорость подхода из выражения

где - площадь живого сечения потока перед водосливом, м²;

- расход по тарировочной кривой, м³/с.

4. Определяется напор с учетом скорости подхода по форму­ле (5.3).

5. Находится глубина на пороге водослива в сечении 9-9, где давления распределяются по закону близкому к гидростатическому

6. Вычисляются опытные значения коэффициентов расхода т, коэффициентов скорости ϕ и ϕ_n коэффициента подтопления σ_n из формул (5.1), (5.2), (5.6), (5.7):

где - глубина в сечении 9-9 для неподтопленного водослива, м;

где - коэффициент расхода подтопленного водослива;

- полный напор подтопленного водослива, м;

- глубина в сечении 9-9 для подтопленного водослива, м.

7. Опытные коэффициенты m, ϕ, ϕ_n сравниваются со справочными их значениями (таблицы 5.1, 5.2 и 5.3) и делается вывод.

Наименование	Сечения
	1		2		3		4		5		6		7		8		9		10		11		12		13		14		15
1. Расстояние между сечениями, м	1-2			2-3		3-4		4-5		5-6		6-7		7-8		8-9		9-10		10-11		11-12		12-13		13-14		14-15
2. Отметки поверхности струи, м
3. Отметка порога, м
4. Глубина на пороге, м
5. Критическая глубина, hкр, м

Таблица 5.4 - Данные для построения профиля струи

Таблица 5.5 - Опытные данные

Наименование	Водослив
	неподтопленный	подтоп­ленный
1. Отметка дна лотка 𝛁дна, м
2. Отметка порога водослива, м
3. Высота порога водослива, м
4. Отметка уровня воды перед водосли­вом (сечение 1-1), м
5. Напор воды над порогом водослива Н, м
6. Ширина водослива b, м
7. Расход воды Q*10-3, м3/с (по тарировочной кривой)
8. Скорость подхода Vo, м/с
9. Скоростной напор , м
10. Полный напор Но, м
11. Отметка поверхности воды на поро­ге (сечение 9-9), м
12. Глубина на пороге h, м
13. Коэффициент расхода т
14. Коэффициент скорости ϕ
15. Коэффициент подтопления

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №6