ЛР-8 Фёдорова В. Т-910
.pdf
Лабораторная работа «Водосливы» |
стр. 2 |
Лабораторная работа
ВОДОСЛИВЫ
Цели работы:
1)Ознакомиться с работой неподтопленного и подтопленного водослива с тонкой стенкой.
2)Определить коэффициент расхода неподтопленного водослива с тонкой стенкой.
3)Ознакомиться с работой неподтопленного и подтопленного водослива с широким порогом.
4)Определить коэффициент расхода неподтопленного водослива с широким порогом.
5)Определить коэффициент скорости подтопленного водослива с широким порогом.
Основные теоретические сведения.
В о д о с л и в о м называется преграда на пути потока, через которую переливается вода. Также водосливом называется замкнутое безнапорное отверстие.
Часть потока, расположенная ниже по течению от водосливной стенки, называется н и ж н и м б ь е ф о м , а часть потока, расположенная выше по течению от водосливной стенки - в е р х н и м б ь е ф о м .
По ширине порога водослива δ различают водосливы с тонкой стенкой (рис. 1 а), с широким порогом (рис. 1 б), и со стенкой практического профиля (рис. 1 в).
а) водослив с тонкой |
б) водослив со стенкой |
в) водослив с широким |
стенкой |
практического профиля |
порогом |
δ= (0,1... 0,5)Н |
δ= (0,5... 2)Н |
δ= (2... 8)Н |
Рис. 1 Классификация водосливов по ширине порога водослива |
||
Н - г е о м е т р и ч е с к и й |
н а п о р н а в о д о с л и в е – это превышение уровня воды в |
|
верхнем бьефе над порогом водослива, единицы измерения – м.
По соотношению уровней воды в нижнем и верхнем бьефах различают подтопленные
инеподтопленные водосливы. До тех пор, пока уровень воды в нижнем бьефе не влияет на расход и напор в верхнем бьефе, водослив считается н е п о д т о п л е н н ы м . Когда уровень воды в нижнем бьефе оказывает влияние на расход и напор в верхнем бьефе, водослив считается п о д т о п л е н н ы м .
На подходе к водосливу свободная поверхность потока понижается. Это объясняется следующим: как видно из рис. 2, при подходе к водосливу живое сечение потока уменьшается, следовательно, согласно уравнению неразрывности потока, скорость над порогом водослива
икинетическая энергия возрастает. По закону сохранения энергии при увеличении кинетической энергии уменьшается потенциальная энергия. Уменьшение потенциальной энергии ведёт за собой снижение свободной поверхности воды.
Это понижение становится заметным на расстоянии 1В =(3...5)Н от водосливной стенки. Поэтому геометрический напор следует измерять на расстоянии L ≥ 1В от водосливной стенки.
Лабораторная работа «Водосливы» |
стр. 3 |
ВОДОСЛИВ С ТОНКОЙ СТЕНКОЙ.
Водосливная стенка считается тонкой в случае, когда на неподтопленном водосливе нижняя граница потока после прохождения верхового ребра порога водослива не касается водосливной стенки вплоть до падения струи в нижний бьеф (см. рис. 2, а). Это происходит в том случае, если δ ≈ (0,1…0,5)Н.
При уменьшении Н дальность полёта струи на неподтопленном водосливе уменьшается, а при δ> (0,1... 0,5)Н поток будет стекать из верхнего в нижний бьеф по поверхности водосливной стенки. При этом водослив уже не будет водосливом с тонкой стенкой, а перейдёт в класс водосливов со стенкой практического профиля (изменится его коэффициент расхода).
На рис. 2, а изображён водослив с тонкой стенкой в гидравлическом лотке. Поперечное сечение лотка прямоугольной формы. Вертикальная плоская водосливная стенка 1 устанавливается под прямым углом к продольной оси лотка. Ширина прямоугольного водосливного отверстия b равна внутренней ширине лотка1 . При этом поток, проходя через водослив, не испытывает бокового сжатия.
а) Неподтопленный водослив с тонкой стенкой
Вид сверху |
На рисунке цифрами обозначены: |
|||
|
1 |
- водослив; |
|
|
|
2 |
- нижний бьеф; |
|
|
|
3 |
- верхний бьеф; |
|
|
|
4 - трубка |
для |
поддержания |
|
|
атмосферного давления под струей. |
|||
Другие обозначения на рисунке:
б) Подтопленный водослив с тонкой стенкой hб - глубина в нижнем бьефе (бытовая глубина);
hп - высота подтопления;
C - высота водосливной стенки; δ - толщина стенки;
1 - отметка уровня воды в верхнем бьефе; 2 - отметка уровня воды в нижнем бьефе;
3 - отметка гребня водосливной стенки; 4 - отметка уровня дна канала;
Рис. 2. Схема водослива с тонкой стенкой а) неподтопленный водослив; б) подтопленный водослив.
Форма продольного разреза потока, преодолевающего неподтопленный водослив с тонкой стенкой, изображённая на рис. 2, а, наблюдается только в условиях свободного доступа
1b = 16 см.
Лабораторная работа «Водосливы» |
стр. 4 |
воздуха под летящую струю. На рассматриваемом водосливе ширина потока, проходящего через водосливное отверстие, равна ширине лотка. Поэтому под летящей струёй образуется замкнутое воздушное пространство. Воздух из него постепенно выносится потоком воды в виде пузырей, снижается давление под струёй. Это сказывается на расходе и нарушает чистоту эксперимента. Для поддержания гидравлического режима неподтопленного водослива с тонкой стенкой в поток вводится трубка 4, как показано на рис.2, а, чтобы обеспечить сообщение воздушного пространства под струёй с атмосферой.
В случае водослива с тонкой стенкой, подтопление начинается тогда, когда уровень воды нижнего бьефа поднимется выше уровня стенки (рис. 2, б) – это можно определить визуально.
При этом вводится понятие высоты подтопления: |
h |
h |
С. |
|
п |
б |
|
(1) |
|
|
|
|
|
Если hп<0, то водослив - неподтопленный; визуальный признак – уровень воды в нижнем бьефе находится ниже порога водослива.
Если hп> 0, то водослив - подтопленный; визуальный признак – уровень воды в нижнем бьефе находится выше порога водослива.
Расход воды, протекающей через прямоугольный водослив с тонкой стенкой,
определяется по формуле:
Q m b |
2g H |
1,5 |
, |
|
|
|
(2)
где m - коэффициент расхода водослива. Коэффициент расхода учитывает конструктивные и гидравлические особенности водослива.
ВОДОСЛИВ С ШИРОКИМ ПОРОГОМ.
Рис. 3. Водослив с широким порогом. Продольный разрез потока.
а - неподтопленный водослив; б - подтопленный водослив.
На рисунке:
hб - глубина воды в нижнем бьефе; hп - высота подтопления;
C - высота порога; δ - ширина порога;
H - геометрический напор на водосливе; h0 - глубина воды в верхнем бьефе;
1 - отметка уровня воды в верхнем бьефе; 2 - отметка уровня воды на пороге водослива; 3 - отметка уровня воды в нижнем бьефе; 4 - отметка уровня дна канала; 5 - отметка гребня водосливной стенки;
Лабораторная работа «Водосливы» |
стр. 5 |
В дорожном строительстве теория водослива с широким порогом используется в гидравлическом расчёте малых мостов и водопропускных труб. При этом условие δ< 8H не всегда применяется, тогда в этом случае потери напора по длине учитываются с помощью эмпирических коэффициентов.
Водосливы с широким порогом, так же как и водосливы с тонкой стенкой, делятся на неподтопленные и подтопленные. Визуальный признак неподтопленного водослива с широким порогом – два перепада высот на пороге водослива (рис.3а), а визуальный признак подтопленного водослива с широким порогом – один перепад высот (рис.3б).
Для расчёта неподтопленного водослива с широким порогом в случае отсутствия
|
|
|
|
|
бокового сжатия применяется формула: |
Q m b |
2g H1,5 , |
(3) |
|
где m - коэффициент расхода водослива; b - ширина канала, в котором установлен водослив. Водослив с широким порогом становится подтопленным, когда выполняется условие
hn> (0,75... 0,85)H0, где H0 - полный напор на водосливе, который определяется с учётом
|
|
|
2 |
|
скоростной высоты на подходе к водосливу: |
|
= + |
0 |
(4) |
|
||||
|
0 |
|
2 |
|
где скоростьV0 вычисляется для прямоугольного подходного сечения по формуле 0 = 0(5) Для подтопленных водосливов с широким порогом, может применяться формула:
Q b h |
2g |
H |
0 |
h , |
|
|
|
|
(6)
где h – глубина над порогом водослива (рис.3).
Величины коэффициентов расхода m и скорости φ в формулах (3) и (6) для различных конструктивных вариантов неподтопленного водослива с широким порогом приводятся в литературе (например, в [1]).
Выполнение лабораторной работы
При выполнении работы добиваются установившегося течения через водослив, соответствующего описанным выше требованиям. Заполняют таблицу 1 (для водослива с тонкой стенкой) и таблицу 3 (для водослива с широким порогом).
Обе таблицы предполагает, что расход измеряется объёмным способом. Однако лабораторная установка позволяет измерять расход также при помощи треугольного водослива с тонкой стенкой (рис. 4).
|
|
|
|
Треугольный |
водослив |
лабораторной |
|||
|
|
|
|
установки имеет центральный угол а = 90° и |
|||||
|
|
|
|
расход воды через него может определяться, |
|||||
|
|
|
|
например, по методике [1]. Расчётная формула в |
|||||
|
|
|
|
этом случае имеет вид: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Q 1,366 H |
5/2 |
, |
|
|
|
|
|
|
|
тр |
|
(7) |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где Hтр. - геометрический напор на треугольном |
|||||
|
|
|
|
водосливе, м. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
При расчёте по формуле (7), расход получаем |
|||||
|
|
|
|
в м3/с, но для дальнейших расчётов его |
|||||
Рис. 4. Треугольный водослив |
необходимо перевести в см3/с. |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
||||
После заполнения |
таблицы вычисляется коэффициент расхода |
водослива m по |
|||||||
формуле: = |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
и |
сравнивается с характерным для |
водослива |
с |
тонкой стенкой |
||||
∙√2 ∙1,5 |
|||||||||
значением2.
2 Для водосливов с тонкой стенкой m ≈ 0,40
Лабораторная работа «Водосливы» |
стр. 8 |
Лабораторная работа
ВОДОСЛИВЫ
Вопросы к лабораторной работе:
1.Дайте определение водослива. Что такое верхний бьеф, нижний бьеф?
2.Назовите типы водосливов (по ширине порога водослива).
3.Назовите типы водосливов (по условию влияния НБ на ВБ).
4.Нарисуйте схему неподтопленного водослива с тонкой стенкой. Визуальный признак неподтопленного водослива с тонкой стенкой.
5.Нарисуйте схему подтопленного водослива с тонкой стенкой. Назовите условие подтопления водослива с тонкой стенкой. Визуальный признак подтопления водослива с тонкой стенкой.
6.Почему свободная поверхность потока понижается на подходе к водосливу?
7.Что такое геометрический напор на водосливе? Покажите геометрический напор и полный напор на водосливе с тонкой стенкой.
8. Для чего применяется формула
Q mb |
2gH |
3 |
|
? Поясните входящие в нее
величины и единицы их измерения.
9. Нарисуйте схему неподтопленного водослива с широким порогом. Визуальный признак неподтопленного водослива с широким порогом.
10.Нарисуйте схему подтопленного водослива с широким порогом. Визуальный признак подтопления водослива с широким порогом. Назовите условие подтопления водослива с широким порогом.
11.Покажите геометрический напор и полный напор на водосливе с широким порогом.
12.Напишите формулу для определения расхода для неподтопленного водослива с широким порогом.
13.Напишите формулу для определения расхода для подтопленного водослива с широким порогом.
Список литературы:
1)Чугаев Р.Р. Гидравлика: Учебник для вузов. - 6-е изд., репринтное. - М.: Издательский Дом «БАСТЕТ», 2013. - 672 с.; ил.
2)Штеренлихт, Д.В. Гидравлика. [Электронный ресурс] - Электрон. дан.-
СПб.:Лань,2015.-656с.-Режим доступа: http://e.lanbook.com/book/64346
3)Гидравлика: метод.указания к лабораторным работам/Сост.А.Б. Пономарёв, И.П. Пылаев, Е.В. Русанова, Е.А. Соловьёва, В.И. Штыков, А.А.
Яковлев; под общ. ред. В.И. Штыкова.–СПб.: ФГБОУ ВПО ПГУПС, 2015. – 56 с.