1530

где Su – площадь эпюры средних скоростей, м2/с; B– ширина русла в заданном створе.

Второй метод (графический). Как известно, расход жидкости связан с ее погонным расходом (удельным расходом) следующим выражением:

q f(B) и осью абсцисс с учетом масштабов чертежа. На рис. 6 эта фигура заштрихована и является эпюрой удельного расхода.

(16)

где MQ – масштабный коэффициент расхода воздуха, определяющий величину расхода воздуха в каждой единице заштрихованной площади; Sq – площадь заштрихованной фигуры.

В качестве единицы площади берется площадь квадрата со стороной, равной линейной единице. Если в качестве этой единицы принять 1 см, то площадь квадрата равна 1 см2. Соответственно площадь заштрихованной фигуры Sq должна измеряться в см2. По вертикали в

каждом сантиметре площади Sq содержится Mq единиц удельного расхода, а по горизонтали – MB линейных единиц, где Mq и MB –

масштабные коэффициенты соответственно удельного расхода и ширины. Отсюда в каждом квадратном сантиметре этой площади содержится расход воздуха, равный произведению этих масштабных коэффициентов:

Врасчетах линейный масштабный коэффициент нужно привести

всоответствие с масштабным коэффициентом удельного расхода. Оба они должны показывать количество соответствующих единиц в

одной линейной единице чертежа. Так, размерности масштабного коэффициента удельного расхода м2/с∙см будет соответствовать размерность линейного масштабного коэффициента м/см. Таким образом, размерность масштабного коэффициента расхода воздуха MQ будет

м3/с∙см2.

21

Например, при использовании рекомендуемых масштабов для построения масштабный коэффициент удельного расхода Mq = 0,2,

тогда линейный масштабный коэффициент MB = 0,02.

7. На плане криволинейного участка русла построить эпюры продольных скоростей во всех створах и проанализировать изменение поля скоростей на подходе к излучине русла, в излучине и ниже по течению.

Контрольные вопросы

1.Какая теория положена в основу гидравлического моделирования и в чём она заключается?

2.Назовите критерии подобия и объясните, что они выражают.

3.Для определения каких величин используют микроманометр многодиапазонный? Объясните принцип работы ММН.

4.Перечислите типы руслового процесса.

5.Какое явление называют меандрированием русла? Перечислите стадии развития меандр.

6.Как определяется средняя скорость на вертикали?

7.Каковы особенности распределения продольных скоростей по ширине русла и длине криволинейного участка?

8.В чём заключается особенность определения расхода графическим методом?

9.Что показывает масштабный коэффициент расхода воздуха?

Лабораторная работа № 2

ТРАНСПОРТИРУЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ ПОТОКА

Естественные русла рек сложены аллювием, который чаще всего на равнинных реках представлен песками различного гранулометрического состава. Твердые частицы, формирующие русло и перемещаемые водным потоком при скоростном режиме, характерном для рек, называют наносами. В зависимости от формы передвижения раз-

личают наносы взвешенные, влекомые и донные.

Очевидно, что для перемещения наносов крупных фракций необходима большая скорость водного потока, чем скорость, поднимающая мелкие частицы песка. Скорость течения воды (донная, средняя), при которой происходит первоначальное нарушение равновесия час-

22

тиц наносов, формирующих русло, называется неразмывающей скоростью. Она представляет собой начальную предельную скорость движения твёрдых частиц. Скорость течения воды, при которой движение донных частиц наносов становится массовым и поддерживается непрерывно, называется размывающей скоростью потока. Естественно, что существует скорость течения воды, при которой останавливается движение наносов. Такая скорость называется непередви-

гающей.

Транспорт наносов обусловлен способностью потока поднимать наносы со дна и поддерживать их во взвешенном состоянии. Первый фактор обусловлен подъёмной силой потока, второй – интенсивностью турбулентного перемешивания. При определённых гидравлических элементах потока и характеристиках наносов возникает некоторое равновесие между процессами поступления твёрдых частиц в поток и их осаждением. В результате поток переносит транзитом определённое количество наносов на большие расстояния по длине русла.

Предельный расход наносов определённой гидравлической крупности, отвечающий условию равновесия процессов размыва и осаждения при данном гидравлическом режиме потока, называется транс-

портирующей способностью потока.

Относительное содержание твердого материала в переносимой его среде называется мутностью, при этом учитывается, что переносимая среда включает в себя твердую и газообразную фазы (вторая фаза может быть жидкой). Для мутности приняты различные единицы измерения. Например, массовая мутность S характеризует массу твердого материала, содержащегося в единице объема переносимой его среды (часть этого объема занята воздухом, другая часть представляет собой объем, занятый частицами песка). В связи с тем, что массовая мутность при транспорте песка воздушным потоком достигает значительных величин, плотность воздушно-песчаной среды может существенно превышать плотность воздуха.

Цель работы:

1)определить неразмывающую скорость и транспортирующую способность потока для песка заданной фракции;

2)установить зависимость расхода донных наносов (массового расхода) от средней скорости потока и зависимость массовой мутности от относительной скорости;

23

3)проанализировать и сделать вывод о влиянии скорости течения

игеометрической крупности наносов на транспортирующую способность потока.

Описание лабораторной установки и порядок выполнения работы

Лабораторная установка состоит из четырех прямолинейных ка- налов-лотков (см. рис. 2), покрытых стеклом, в которых уложен песок различной геометрической крупности (фракции): (0,25 0,5) мм, (0,5 1,0) мм, (1,0 2,0) мм, (2,0 3,0) мм. Для созда-

ния на модели движущегося потока воздуха установка оборудована вентилятором, работающим на всасывание, который с помощью гибкого рукава может присоединяться к каждому каналу-лотку. Расход воздуха в лотке регулируется заслонкой вентилятора: при закрытой заслонке расход равен 0, а при полном открытии заслонки расход максимальный.

Втумбе, на которой установлен вентилятор, кроме камеры воздухозабора имеется песколовка (камера забора песка). Унесенный воздушным потоком из лотков песок собирается в песколовке в ящикподдон, а затем взвешивается на весах.

Вповерхностном стекле в пределах каждого лотка имеется отверстие для ввода мерного щупа и трубки микроманометра многодиапозонного ММН – 2400.

Лабораторная работа начинается с измерения температуры воздуха, атмосферного давления и ширины каждого лотка b.

Начинать исследования рекомендуется с лотка, заполненного песком самой мелкой геометрической крупности. В опытах необходимо определять расходы воздуха в лотке при разных режимах всасывания. Но процедура определения средних скоростей движения воздуха на вертикалях и нахождения расхода воздуха требует больших затрат времени, в течение которого песок может быть полностью унесен из лотка воздушным потоком. В этой связи приходится использовать приближенный метод определения скорости потока в лотках. Он заключается в том, что скорость измеряют трубкой полного напора ММН на одной вертикали в центре лотка (в стекле на каждом лотке в этом месте имеется отверстие) и только в одной точке, распо-

24

ложенной на расстоянии 0,6 h от нижней поверхности стекла. В этой точке скорость потока близка к средней на вертикали.

Определенная таким образом скорость воздушного потока будет отличаться от средней скорости по живому сечению. Но в процессе проведения расчетов потребуется величина отношения скорости потока к неразмывающей, соответствующей началу трогания частиц песка в лотке. Последняя также определяется в одной точке описанным выше методом. Тем самым возможные ошибки измерений существенно уменьшаются.

Для определения скорости, при которой происходит первая подвижка грунта, так называемой неразмывающей скорости u0 (опыт № 1), необходимо после включения вентилятора медленно открывать заслонку, визуально фиксируя в лотке тот момент, когда песчинки начинают шевелиться, и отдельные из них, срываясь со своего места, совершают на дне скачкообразные перемещения. В этот момент снимают отсчет a по наклонной трубке микроманометра, предварительно измерив глубину воздушного потока h при полностью закрытой заслонке вентилятора. Завершив опыт, вентилятор выключают.

Для проведения опыта № 2 заслонку немного дополнительно открывают. Глубина потока h остаётся прежней. При включении вентилятора скорость потока в лотке увеличивается, становится больше неразмывающей, и начинается транспорт наносов. Моменты включения и выключения вентилятора фиксируются с помощью секундомера, тем самым устанавливается продолжительность опыта t. За это время нужно взять отсчет a по наклонной трубке микроманометра, которая устанавливается на глубине 0,6h от нижней поверхности стекла. После выключения вентилятора из песколовки извлекают поддон с унесенным во время опыта песком. Песок высыпают из поддона в мерные чаши и взвешивают на весах, определяя его массу m.

Для проведения опыта № 3 заслонку ещё немного дополнительно открывают. Измеряют глубину потока на вертикали в центре лотка, и устанавливают в отверстие стекла, покрывающего модель, трубку ММН. Опыт проводится по предыдущей схеме.

Рекомендуется распределить изменение мощности вентилятора на 4 – 5 опытов. Чтобы во время очередного включения вентилятора из лотка не был унесен весь песок, продолжительность опыта с транспортом наносов должна быть не более 60 секунд. Результаты всех измерений заносят в табл. 3.

25

Обработка результатов измерений

Результаты расчётов по каждому опыту заносят в табл. 3.

1. Определить массовый расход (транспортирующую способность потока) Qm по формуле

где m – масса песка, унесённого в песколовку воздушным потоком; t – продолжительность опыта (продолжительность работы вентилятора во время проведения опыта).

2.По формуле (10) определить среднюю скорость движения воздушного потока в лотке u, предварительно вычислить плотность воздуха с учётом его температуры и атмосферного давления.

3.Установить зависимость массового расхода от средней скорости потока Qm f u , выбрав подходящие масштабы и нанеся опыт-

ные точки на плоскость декартовой прямоугольной системы координат с вертикальной осью Qm и горизонтальной u (рис. 7).

опытные точки на плоскость декартовой прямоугольной системы ко-

ординат с вертикальной осью S и горизонтальной u (рис. 7). u0

Не исключается, что опытные точки могут расположиться на координатной плоскости со значительным разбросом, который можно объяснить ошибками измерений, а также связанными с принятым приближенным методом определения скоростей воздушного потока, колебаниями напряжения в электрической цепи вентиляторов и т. п.

26

Рис. 7. Предполагаемые зависимости: а – массового расхода от средней скорости потока Qm f u ;

Поэтому студентам предлагается провести на графиках осредняющие

u

(сглаживающие) кривые зависимостей Qm f u и S f .

u0

7. Проанализировать и сделать вывод о влиянии средней скорости течения и геометрической крупности наносов на транспортирующую способность потока.

Контрольные вопросы

1.Какие силы действуют на частицу наносов в момент её отрыва от дна?

2.Какие условия являются необходимыми при изучении водных потоков на аэродинамических моделях?

3.Что называют наносами и какие виды наносов вы знаете?

4.Какую скорость называют неразмывающей и как она определяется в конкретных лабораторных условиях на аэродинамической модели?

5.Что называют транспортирующей способностью потока и как она определяется в лабораторных условиях?

6.Что называют мутностью потока и как определяется массовая мутность в лабораторных условиях?

7.Что называют геометрической крупностью наносов?

8.Что называют гидравлической крупностью наносов?

9.Каково влияние средней скорости течения и геометрической крупности наносов на транспортирующую способность потока?

Лабораторная работа № 3

ИССЛЕДОВАНИЕ РУСЛОВЫХ ДЕФОРМАЦИЙ В СТВОРЕ МОСТОВОГО ПЕРЕХОДА

Трасса автомобильных дорог часто пересекает реки. При стеснении бытового потока мостовым переходом интенсифицируется естественный русловой процесс, причём, чем больше стесняется поток, тем в большей степени развиваются деформации. Размывы русел на

мостовых переходах угрожают устойчивости опор, подъездных насыпей и регуляционных сооружений.

Мостовой переход, стесняющий поток, приводит к увеличению руслового расхода и размеров русла. По этой причине под мостом скорости течения увеличиваются, что приводит к общему размыву русла в створе мостового перехода.

Кроме общего размыва, у каждой опоры моста и береговых устоев (как правило, в периоды половодий и высоких паводков) наблюдается местный размыв русла. Он объясняется особенностями обтекания опор, которые по терминологии, принятой в гидромеханике, относятся к категории «плохо обтекаемых тел». При обтекании таких тел водным потоком образуются зоны отрыва потока от тела с возвратными течениями в них, что приводит к увеличению турбулентности потока в районе опоры. Одновременно опора стесняет поток, что в сочетании с повышенной его турбулентностью способствует увеличению в районе опоры силового воздействия на частицы грунта у опоры.

Этим объясняется известный факт, свидетельствующий о том, что первые подвижки грунта у опоры начинаются при скорости потока меньше той, которая соответствует началу движения того же грунта в русле вдали от опоры. Иными словами, неразмывающая скорость потока у опоры всегда меньше неразмывающей скорости потока в русле вдали от нее. Неразмывающей скоростью потока у опоры на-

зывается такая средняя скорость потока вдали от опоры, при которой у опоры наблюдаются первые подвижки частиц грунта («начало трогания частиц грунта»). Если средняя скорость течения вдали от опоры превышает неразмывающую у опоры, начинается местный размыв русла непосредственно около опоры.

При дальнейшем увеличении скорости потока наступает такой момент, когда начинаются первые подвижки грунта в створе мостового перехода, между опорами моста. Неразмывающей скоростью по-

тока в створе мостового перехода называется такая средняя ско-

рость потока вдали от створа, при которой в створе наблюдаются первые подвижки частиц грунта.

Воронка размыва в створе мостового перехода достигает максимальной глубины в тот момент, когда средняя скорость течения в русле вдали от опоры станет равной неразмывающей в русле. Если средняя скорость течения вдали от опоры превысит неразмывающую в русле реки, в русле начнется движение наносов. Движущиеся в рус-