Исследование истечения из-под плоского вертикального затвора

1. Цель работы

Определить коэффициент вертикального сжатия опытным пу­тем и сравнить его с данными Н.Е. Жуковского. Определить коэффи­циенты расхода и скорости при свободном и несвободном истечении из-под затвора.

Вычислить глубину h_z из формулы (9.6) при несвободном ис­течении из-под затвора и сравнить с опытным её значением.

2. Общие сведения

Отверстия водопропускных, водозаборных и водосбросных со­оружений обычно перекрывают затворами (плоскими, вертикальными или наклонными, сегментными, секторными и др.).

В работе изучается истечение из-под плоского вертикального затвора с острой низовой кромкой, установленного без порога (рису­нок 9.1). Различают два случая истечения из-под затворов: свободное и несвободное. Свободное истечение происходит в том случае, если со­блюдается условие > h₆ (где h"_c - вторая сопряженная глубина; h₆ - бытовая глубина). Сопряжение потока имеет форму отогнанного прыжка, также если уклон дна отводящего канала i > i_кр (i_кр - крити­ческий уклон). Расход при свободном истечении из-под затвора опре­деляется по формуле:

(9.1)

или

(9.2)

где ϕ - коэффициент скорости;

ε - коэффициент вертикального сжатия;

а - высота поднятия затвора, м;

b - ширина перекрываемого отверстия, м;

- напор (глубина) перед отверстием с учетом скорости подхода, м;

μ - коэффициент расхода (μ=εа).

Сжатая глубина h_c устанавливается в сечении 2-2 при истечении из-под затвора на расстоянии от него примерно равном высоте отвер­стия. Сжатая глубина определяется из выражения

(9.3)

Коэффициент вертикального сжатия зависит от относительного поднятия затвора Н.Е. Жуковский при истечении из-под затвора получил теоретическую зависимость для коэффициента ε, которая имеет вид:

(9.4)

Данные по коэффициенту ε в зависимости от приводятся в таблице 9.1.

Таблица 9.1 - Значения коэффициента вертикального сжатия по Н.Е. Жуковскому

	ε		ε		ε		ε
0,10	0,615	0,30	0,635	0,50	0,645	0,70	0,690
0,15	0,618	0,35	0,628	0,55	0,650	0,75	0,705
0,20	0,620	0,40	0,630	0,60	0,660	-	-
0,25	0,622	0,45	0,638	0,65	0,675	-	-

При несвободном истечении гидравлический прыжок надвинут на сооружение (h_б > h_c”) и является затопленным. В сжатом сечении образуется глубина h_z (рисунок 9.2), причем h_c< h_z < h_б.

Расход при несвободном истечении из-под затвора определя­ется по формуле

(9.5)

где h_z - глубина в сечении 2-2.

При несвободном истечении коэффициент расхода μ можно принимать равным коэффициенту μ для случая свободного истечения.

Глубина h_z находится по формуле

(9.6)

где

Рисунок 9.1 - Свободное истечение из-под затвора

Рисунок 9.2 - Несвободное истечение из-под затвора

3. ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

На рисунке 1.1 представлена схема опытной установки. Вода по трубопроводу 1 подается в приемную камеру 3. Расход воды регу­лируется при помощи задвижки 2. Напор на треугольном водосливе- водомере 5 определяется пьезометром 4. В пазы 8 лотка 6 устанавли­вается плоский вертикальный затвор с острой низовой кромкой. В па­зах 7 находится щит, который служит для изменения состояния потока в нижнем бьефе за исследуемым затвором. Винтовое устройство 9 ис­пользуется для изменения уклона дна лотка.

Для определения отметок дна лотка, уровня воды, высоты от­крытия затвора используется шпиценмасштаб.

4. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Уклон дна лотка устанавливается равный нулю.

Устанавливают на определенную высоту открытие затвора. Измеряются высота и ширина отверстия, данные заносятся в табли­цу 9.2.

При установившемся движении жидкости в лотке и свободном истечении воды из-под щита измеряются отметки уровня воды в верх­них и нижних бьефах соответственно в сечениях 1-1, 2-2, и 3-3 (рису­нок 9.1).

Расход воды определяется при помощи водослива-водомера 5, находящегося в головной части опытной установки.

При помощи щита, вставленного в пазы 7, для данной высоты открытия затвора устанавливается несвободное истечение (рисунок 9.2). Опыт повторяется для несвободного истечения из-под щита за­твора.

Таблица 9.2 - Опытные данные

Наименование	Сво­бодное исте­чение	Несво­бодное исте­чение
1. Отметка поверхности воды в сечении 1-1, м
2. Отметка дна, м
3. Глубина перед щитом h = Н, м
4. Ширина отверстия b, м
5. Высота отверстия a, м
6. Отметка поверхности в сжатом сечении, м
7. Глубина в сжатом сечении hc, м
8. Коэффициент сжатия ε по замерам
9. Коэффициент сжатия ε по Н.Е. Жуковскому
10. Расход по тарировочной кривой Q, 10-3м3/с
11. Скорость подхода V0, м/с
12. Напор с учетом скорости подхода Н0, м
13. Коэффициент расхода μ
14. Коэффициент скорости ϕ
15. Глубина в нижнем бьефе h6, м
16. Глубина непосредственно за затвором при не­свободном истечении hzon, м
17. Глубина hz из формулы (9.6)
18. Отметка уровня воды в сечении 3-3, м

5. ПОРЯДОК РАСЧЕТА

1. Определяется напор при истечении из-под затвора

2. Вычисляется глубина в сжатом сечении (сечение 2-2)

3. Находится коэффициент вертикального сжатия из формулы (9.3)

4. Определяется коэффициент вертикального сжатия из табл. 9.1 в зависимости от и сравнивается с ε, полученным ранее.

5. Вычисляется скорость подхода

6. Находится напор с учетом скорости подхода по формуле (9.2).

7. определяются коэффициенты расхода и скорости при свободном истечении из-под затвора из формул (9.1) и (9.2)

8. Вычисляется бытовая глубина в сечении 3-3

9. Находится глубина при несвободном истечении из-под затвора

10. Определяется из формулы (9.6) глубина и сравнивается с опытной глубиной .

11. Вычисляется коэффициент расхода при несвободном истечении по формуле (9.5).

12. Полученные данные заносятся в таблицу 9.2.