Работа №3 Гидравлический прыжок и сопряжение бьефов Краткие теоретические сведенья

Гидравлический прыжок

При прохождении потока в открытых руслах движение потока неравномерное. Для данного типа движения потока существуют понятия бурное состояние потока (при h₁h_кр), где h₁ - глубина потока в русле, h_кр - критическая глубина потока, а также спокойное состояние потока (при h₂>h_кр).

Явление резкого перехода бурного состояния потока в спокойное называется гидравлическим прыжком.

На (рис. 13) представлена картина совершенного гидравлического прыжка.

Рис.13. Схема совершенного гидравлического прыжка:

К-К – линия критических глубин; h₁ – глубина потока в бурном состоянии;

h₂ – глубина потока в спокойном состоянии; L_п – длина гидравлического прыжка; а – высота гидравлического прыжка; L_{п у} – длина послепрыжкового участка

В зависимости от глубины потока в нижнем бьефе h_н и энергии при сходе с сооружения гидравлический прыжок может быть отогнанный (рис. 14).

Рис.14. Отогнанный гидравлический прыжок:

h_с – глубина потока в сжатом сечении; h₂ – сопряженная глубина;

L_п – длина отгона прыжка.

Прыжок может быть надвинутым (рис. 15).

Рис.15. Надвинутый гидравлический прыжок:

Р – высота водослива; Н – напор на водосливе; V₀ – скорость подхода потока к водосливу; z – перепад напоров; t – глубина потока в нижнем бьефе

Прыжок может находиться в предельном состоянии (рис. 16), затопленным.

Рис.16. Предельное состояние гидравлического прыжка:

У.В.Б. и У.Н.Б. – уровень воды верхнего нижнего бьефов; Р₀ – высота водослива; Н – напор на водосливе; V₀ – скорость подхода потока к водосливу;

t – глубина потока в нижнем бьефе; Н и z – напор и перепад на сооружении;

Н₀ и z₀ – напор и перепад с учетом скорости подхода потока

Для гидравлического прыжка существует понятие сопряженных глубин h’-глубина потока в бурунной зоне и h’’- глубина потока в конце водоворотной (бурунной) зоны. Между сопряженными глубинами существует аналитическая связь. Для прямоугольного русла и совершенного гидравлического прыжка применяются следующие формулы расчета:

(33)

(34)

где П_к – параметр кинетического потока:

(35)

- коэффициент Кориолиса.

Для определения длины прыжка существует несколько эмпирических формул.

Формула Пшкалова получена из опыта при П_к>10:

(36)

Павловский определяет длину прыжка по формуле

(37)

Формула Шаумена (35):

(38)

Потеря удельной энергии в прыжке может быть посчитана по формуле

(39)

Сопряжение бьефов

При проектировании и строительстве гидросооружений стараются получить сопряжение верхнего и нижнего бьефов по типу затопленного гидравлического прыжка (см. рис. 16).

Расчет начинают с определения глубины потока в сжатом сечении h_с, которая определяется по формуле (40), величины Q, b, E₀,  известны для исследуемого водослива.

(40)

После определения h_с, считая ее первый сопряженной глубиной (h_с= h’), для прямоугольного русла по уравнению (31) определяется вторая сопряженная глубина h’’. Далее необходимо сравнить полученное значение h’’с глубиной потока в нижнем бьефе h_н.

1. h’’>h_н значение прыжковой функции θ(h_с)=θ(h’’)>θ(h_с), это указывает на то, что удельная энергия потока в сжатом сечении больше, чем энергия потока в нижнем бьефе, что означает отогнанный прыжок. Чем разница больше между h’’ и h_н, тем зона отгона прыжка больше (рис. 14).

2. h’’=h_н значение прыжковой функции θ(h_с)=θ(h’’)=θ(h_с), здесь мы имеем дело с тем, что прыжок устанавливается непосредственно у сжатого сечения (рис. 15).

3. При h’’h_н (рис.16) значение прыжковой функции θ(h_с)=θ(h’’)θ(h_с), следовательно, удельная энергия нижнего бьефа больше удельной энергии потока в сжатом сечении, т.е. мы имеем дело с затопленным гидравлическим прыжком.

Таким образом, найдя и зная глубину потока в нижнем бьефе, можно определить вид сопряжения бьефов.