1.3.10. Виды движения воды в открытых руслах

Величины гидродинамических давлений p и скоростей u в потоке жидкости в общем случае распределены неравномерно, они меняются при переходе от одной точки потока к другой, т.е. являются функциями координат (x, y, z).

Помимо того гидродинамические давления и скорости в одних и тех же фиксированных точках потока могут изменяться во времени как по величине, так и по направлению.

В соответствие с этим различают неустановившееся движение и установившееся движение жидкости.

Такой вид движения, при котором гидродинамические давления и скорости в каждой точке потока жидкости и другие характеристики потока изменяются во времени по величине и направлению, называется неустановившимся движением. Например, глубина Н=(x, y, z, t) (рис. 2.1.1.1).

Неустановившееся движение является самым общим и самым сложным видом движения жидкости. Примерами неустановившегося движения жидкости могут служить:

- движение воды в реке во время весеннего половодья или при разрушении плотины, сопровождающееся изменением во времени уровня воды, ширины потока, скорости течения и давления в каждом сечении потока.

Установившееся движение жидкости – это такой вид движения, при котором скорости и гидродинамические давления в каждой точке потока и другие характеристики потока не изменяются во времени, а являются лишь функциями координат. Например, глубина h=(x, y, z) (рис. 2.1.1.1).

Примерами установившегося движения жидкости являются: движение жидкости (воды, бензина, масла) в трубопроводе с постоянной скоростью течения; движение воды в канале постоянного сечения при постоянной глубине воды.

Рис. 2.1.1.1. Неустановившееся и установившееся движение жидкости

Движение жидкости, кроме того, может быть безнапорным и напорным.

Напорным называется движение жидкости в трубопроводе полным сечением, когда давление в нем больше атмосферного давления. Напорное движение может также наблюдаться в реке при движении потока под сплошным ледяным покровом.

Движение жидкости со свободной поверхностью в открытых руслах и в трубопроводах с частичным заполнением сечения (каналах замкнутого сечения) под действием составляющей силы тя­жести является безнапорным. Также безнапорным является движение жидкости в трубопроводах при заполнении всего сечения (без свобод­ной поверхности), если давление на верхней образующей по длине трубопровода равно атмосферному давлению.

Характер движения жидкости в открытом русле, форма и уклон свободной поверхности, глубина потока зависят от типа, размеров, формы сечения русла, уклона его дна.

Обычно рассматривают два вида установившегося движения жидкости - неравномерное и равномерное движение.

Неравномерным движением жидкости в канале называется такое движение, при котором живое сечение ω, глубина наполнения ка­нала h и средняя скорость v, а также эпюра распределения осредненной скорости по живому сечению - изменяются вдоль потока (вниз по течению) (рис. 2.1.1.2, а).

Рис. 2.1.1.2. Неравномерное и равномерное движение жидкости

Примерами неравномерного движения могут служить движение воды в реке при подпоре потока плотиной или какой-нибудь иной преградой; при стеснении русла реки опорами моста, расширении русла и т.д.

Неравномерное движение жидкости может происходить в призматических и непризматических руслах.

Призматическими называются такие русла, форма и размеры поперечного сечения которых не изменяются по длине. Примерами русел призматической формы являются каналы трапецеидального сечения с постоянной шириной по дну и постоянным заложением откосов, дорожная труба прямоугольного, круглого или другого сечения. При неравномерном движении в призматических руслах по длине потока изменяется только глубина течения.

Непризматическими являются ес­тественные русла, в частности речные потоки, в которых форма и размеры поперечного сечения не остаются постоянными по длине потока, а изменяются от створа к створу.

Равномерным называется вид установившегося движения, при котором элементы потока (скорости, живые сечения, глубины и пр.) не изменяются вдоль потока (рис. 2.1.1.2, б).

Примерами могут служить движение воды в трубе постоянного сечения или в призматическом открытом канале с постоянной глубиной наполнения, шириной и живым сечением канала.

Этот вид движения воды характеризуется схемой, пред­ставленной на рис. 2.1.1.2, б. Здесь напорная линия Н-Н, ли­ния свободной поверхности (она же пьезометрическая ли­ния Р-Р) и линия дна ка­нала D-D являются параллельными прямыми. Следова­тельно, гидравлический уклон J, уклон дна i равны между собой: пьезометрический уклон J_p и уклон дна i равны между собой:

J = J_p = i.