1530

На практике эти дополнительные условия сводятся к тому, чтобы скорость движения воздуха на модели не опускалась ниже вышеуказанного предела. Как показали специальные методические испытания установок, при проведении исследований на модели меандрирующего русла дополнительное требование будет выполнено, если включить вентилятор на полную мощность; на остальных установках эти требования выполняются, если скорость воздуха равна или превышает величину неразмывающей.

Комплекс уникальных лабораторных установок состоит из трёх модулей, смонтированных на металлических каркасах, опирающихся на бетонное горизонтальное основание большого лотка в лаборатории «Гидравлика и инженерная гидрология» (рис. 2).

Каждая установка оборудована вентилятором, работающим на всасывание, и песколовкой. В комплект оборудования входят:

-микроманометр многодиапазонный с наклонной трубкой ММН-2400;

-термометр;

-барометр;

-мерный щуп и мерная лента;

-секундомер;

-весы с мерными чашами.

Скорости воздушного потока на модельных установках измеряются скоростной трубкой (ММН), которая представляет собой видоизмененную трубку Пито – прибор для измерения полного давления в потоке, состоящий из трубки, изогнутый открытый конец которой направлен навстречу потоку. Давление в открытом конце трубки Пито равно сумме статического и динамического давлений в потоке. Трубка полного давления в приборе Пито помещена внутри другой трубки, в которой имеется отверстие-прорезь, представляющее собой обычный пьезометр – прибор для измерения статического давления. Динамическое давление вдоль изогнутого конца трубки Пито изменяется по мере удаления от носовой точки вниз по течению. В самой этой

u – местная скорость ее движения. Далее оно уменьшается, переходит через нулевое значение, становится отрицательным и на расстоянии от носовой части, приблизительно равном 3D , где D – внешний диаметр трубки, приближается к нулю. Следовательно, давление в этом сечении изогнутого конца трубки Пито мало отличается от статиче-

11

ского, поэтому здесь можно размещать пьезометр, который представляет собой прорезь во внешней трубке. Тем самым установлено, что длина изогнутой части трубки Пито должна быть не менее трех ее внешних диаметров.

В отличие от трубки Пито ММН не имеет длинного изогнутого носка и представляет собой внешнюю металлическую трубку 1 диаметром D , внутри которой расположена трубка полного давления 2 меньшего размера (рис. 3). Конец внутренней трубки изогнут, но изгиб не выходит за пределы размеров внешней трубки. Такая конструкция измерительной трубки объясняется тем, что в поток она вводится через круглые отверстия в стекле, заменяющем на воздушной модели свободную водную поверхность натурного водного потока.

Рис. 3. Микроманометр многодиапозонный с наклонной трубкой: 1 – трубка, измеряющая статический напор; 2 – трубка, измеряющая полный напор; 3 – резиновые вакуумные шланги; 4 – резервуар со спиртовым раствором; 5 – наклонная стеклянная трубка

Строго напротив открытого конца внутренней трубки полного давления расположено отверстие (пьезометр) во внешней трубке для

12

приема статического давления. Но внешняя трубка измерительного прибора представляет собой тело плохо обтекаемой формы. Поэтому динамическое давление в его кормовой части, где расположено отверстие для приема статического давления, отличается от нулевого. Это является источником погрешности измерений. Кроме того, размеры и тщательность выполнения приемных отверстий трубок также влияют на их показания. По этой причине каждый прибор тарируется сравнением его показаний при равных условиях с показаниями другого прибора, принимаемого за эталон. В теоретическую расчетную формулу для определения скорости потока вводится поправочный коэффициент .

Впроцессе проведения измерений открытый конец трубки полного давления должен быть всегда направлен навстречу воздушному потоку. На корпусе трубки это положение отмечено знаком (+), а противоположное положение (место расположения статического отверстия) отмечено знаком (–). Трубка имеет два штуцера с надетыми на них резиновыми шлангами 3 (см. рис.3), которые соединяют ее с прибором для измерения перепада давлений – микроманометром, состоящим из двух сообщающихся сосудов. Один сосуд выполнен в виде большого металлического резервуара 4, другой – в виде наклонной стеклянной трубки 5 малого диаметра, вставленной в него. Угол между осью трубки и горизонтальной осью сосуда на рис. 3 обозначен буквой . Резиновый шланг от трубки полного напора соединяется с резервуаром, от внешней трубки измерительного прибора – со стеклянной трубкой микроманометра.

Вточке торможения потока, какой является открытый конец трубки полного давления, будет справедливо равенство

ние свободного падения; c – плотность рабочей жидкости в микроманометре (обычно это спирт).

В данной лабораторной установке вместо воды используется воздушная среда, скорость которой может быть определена по формуле

13

â

где â – плотность воздуха, которая зависит от температуры и величины атмосферного давления (табл. 1).

Обычно площадь поперечного сечения резервуара выбирают так, чтобы во время проведения измерений при переходе жидкости из резервуара в стеклянную трубку и заполнении трубки уровень жидкости в резервуаре не понижался бы больше, чем на величину погрешности при отсчете высоты столбика в трубке. При этом условии начало отсчета высоты столбика рабочей жидкости в трубке считается неизменным, а понижением жидкости в резервуаре пренебрегают.

Таблица 1

Плотностьвоздухавзависимости оттемпературыидавлениявоздушнойсреды

Чтобы повысить точность микроманометра, стеклянную трубку делают наклонной, тем самым получают большую длину заполненной жидкостью части трубки по сравнению со случаем вертикальной

где a – длина столба при наклонном положении трубки (см. рис.3). Учитывая упомянутый выше поправочный коэффициент , вели-

чина которого определяется в результате тарировки измерительной трубки, получим в окончательном виде формулу для расчета скорости потока на основе показаний микроманометра с учетом особенностей его конструкции:

14

При проведении лабораторных работ скорость воздушного потока измеряется, как правило, в трех точках на вертикали. Положение точек относительно нижней поверхности стекла определяется расчетом в зависимости от глубины потока.

Для измерения глубины воздушного потока используется мерный щуп – металлический стержень с нанесенными на него метрическими делениями. Щуп вводится в воздушный поток через отверстия в стекле, отсчет глубин берется от нижней поверхности стекла.

Мерная лента необходима для обмера модели и фиксации скоростных вертикалей в створах.

Лабораторная работа № 1

ДВИЖЕНИЕ ПОТОКА НА КРИВОЛИНЕЙНОМ УЧАСТКЕ РУСЛА

С особенностями кинематики потока в изогнутом русле реки строители транспортных сооружений сталкиваются при прокладке трассы дорог в поймах рек и вдоль речных берегов, при проектировании мостовых переходов через меандрирующие реки и участки с выраженной многорукавностью, как русловой, так и пойменной.

На криволинейном участке русла максимальная величина скорости течения находится у вогнутого берега, поэтому он подмывается речным потоком, а продукты размыва откладываются на противоположном выпуклом берегу. Перенос продуктов размыва от вогнутого берега к выпуклому объясняется винтовым характером течения в изогнутом русле.

Наряду с продольной составляющей скорости течения, параллельной оси русла, существует еще и поперечная, направленная у поверхности потока от выпуклого берега к вогнутому, а у дна наоборот

– от вогнутого к выпуклому. Поперечная составляющая скорости течения невелика, но из-за нее вектор скорости течения у дна всегда направлен к выпуклому берегу, а у поверхности – к вогнутому.

15

Цель работы:

1)используя микроманометр многодиапозонный (ММН), вычислить местные и средние на вертикали скорости в заданном створе;

2)используя данные вычислений, построить эпюры распределения местных скоростей по вертикали, средней на вертикали продольной составляющей скорости течения по ширине русла и проанализировать изменение поля скоростей в заданном створе;

3)по вычисленным значениям построить эпюру удельного расхода и определить расход в заданном створе с использованием масштабного коэффициента;

4)построить план криволинейного участка русла с эпюрами продольных скоростей и проанализировать изменение поля скоростей на подходе к излучине русла, в излучине и ниже по течению.

Описание лабораторной установки и порядок выполнения работы

Модель криволинейного участка русла реки расположена на горизонтальном столе (рис.1). Сверху модель покрыта стеклом, на котором обозначены промерные створы. В каждом створе имеются 7 круглых отверстий в стекле, через которые производятся измерения скоростей воздушного потока и его глубин. Во избежание подсасывания воздуха через отверстия на работающей установке створы закрываются резиновыми пробочками. Перед проведением измерений на выбранной вертикали соответствующая пробочка вынимается. Для создания на модели потока воздуха установка оборудована вентилятором, работающим на всасывание.

Лабораторная работа начинается с изготовления плана криволинейного участка русла, который вычерчивается на миллиметровке в результате обмеров модели в выбранном линейном горизонтальном масштабе (рекомендуемый масштаб 1:10 ). На плане должны быть показаны створы и точками промерные вертикали в створах (рис. 4).

Мерной лентой измеряются расстояния от уреза левого берега (УЛБ) до скоростных вертикалей l в каждом створе. Одновременно с помощью мерного щупа производятся промеры глубин воздушного потока h на вертикалях. Результаты промеров заносятся в табл. 2.

16

Рис. 4. План криволинейного участка русла с эпюрами продольных скоростей в створах: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 – номера створов

Затем включают вентилятор и в каждое отверстие створа вводят металлическую трубку микроманометра ММН и снимают отсчёты a по наклонной трубке в трех точках на каждой вертикали: на дне (aдно ), середине скоростной вертикали (aср ) и поверхности воздушно-

го потока (aпов ). Отсчёты заносят в табл. 2.

Вследствие малости глубин можно считать, что указанные точки находятся от нижней поверхности стекла на расстояниях, соответствующих: первая – 0,8h, вторая – 0,6h, третья – 0,2h.

В конце работы необходимо снять показания с термометра и барометра.

Обработка результатов измерений

1.По формуле (10) вычислить местные скорости, т.е. скорости на вертикали в трёх заданных точках, и результаты занести в табл. 2.

2.Используя данные табл. 2, построить поперечный профиль заданного створа и эпюры распределения местных скоростей по вертикали (рис. 5). Рекомендуемые при построении масштабы: по горизонтали – масштаб ширины – МB 1:1, по вертикали – масштаб глубины – Мh 1:1, масштаб местных скоростей – в 1 см 10 м/с.

18

Рис. 5. Эпюры распределения скоростей на скоростных вертикалях

взаданном створе

3.Вычислить средние скорости на скоростных вертикалях по формуле для трёхточечного замера:

где u – средняя скорость на скоростной вертикали; uдно, uср, uпов – местные скорости соответственно на дне, середине, поверхности воздушного потока по вертикали.

4.Построить поперечный профиль заданного створа и эпюру средней на вертикали продольной составляющей скорости течения по ширине русла (рис. 6).

5.Вычислить удельные расходы q по формуле (12) и по число-

Рекомендуемые при построении масштабы: горизонтальный – масштаб ширины – МB 1:2, по вертикали – масштаб глубины – Мh 1:2, масштаб средних скоростей – в 1 см 2 м/с, масштаб удельного расхода

–в 1 см 0,2 м2/с.

6.Определить расход Q в заданном створе двумя методами и

проанализировать полученные числовые значения.

19

Рис. 6. Поперечный профиль створа с эпюрами средних скоростей и удельного расхода

Первый метод. Так как модель криволинейного участка русла закрыта стеклом, мощность вентилятора зафиксирована, то движение воздушного потока можно рассматривать как установившееся и расход вычислить по формуле

где – площадь живого сечения; V – средняя скорость по живому сечению, которая определяется по формуле

20