- •А. М. Калякин
- •Открытые потоки
- •Саратов 2006
- •Введение
- •1. Вводная часть
- •1.1. Основные определения
- •Прямоугольное сечение Трапецеидальное сечение
- •1.2. Основные расчётные зависимости
- •2. Равномерное движение в открытых каналах
- •3.Задачи расчёта равномерного движения в открытых руслах
- •4. Удельная энергия потока и удельная энергия сечения
- •4.1. Удельная энергия потока
- •4.2. Удельная энергия сечения
- •4.3. Свойства функции (h) и её график
- •5. Критическая глубина. Критический уклон
- •5.1 Критическая глубина
- •5.2 Критический уклон
- •5.3 Параметр кинетичности и число Фруда.
- •6. Неравномерное движение в открытых руслах
- •6.1. Основные понятия
- •6.2 Основное дифференциальное уравнение установившегося неравномерного плавноизменяющегося движения жидкости в открытых руслах
- •6.2.1 Общий случай
- •6.2.2 Неравномерное движение в призматических руслах с прямым уклоном дна.
- •6.2.3 Неравномерное движение в призматических руслах с нулевым и обратным уклоном дна
- •6.3. Анализ кривых свободной поверхности
- •6.3.1 Общие положения
- •6.4 Построение кривых свободной поверхности в открытых руслах
- •6.4.1 Общие положения
- •6.4.2 Метод в.И. Чарномского
- •6.4.3 Метод непосредственного применения уравнения Бернулли
- •7. Гидравлический прыжок
- •7.1. Общие сведения
- •7.2. Основное уравнение гидравлического прыжка в призматическом русле
- •7.3. Свойства прыжковой функции и ее график
- •7.4. Определение сопряженных глубин в прямоугольном русле
- •7.5. Потери энергии в прыжке. Длина прыжка
- •8. Водосливы
- •8.1. Основные определения
- •8.2.Основные элементы водослива
- •8.3. Классификация водосливов
- •8.4.Основная формула расхода водослива
- •8.5. Водосливы с тонкой стенкой (с острым ребром)
- •8.6. Основные задачи гидравлического расчета водосливов
- •8.7.Водослив с широким порогом
- •8.8.Затопленный водослив с широким порогом
- •9. Число Фруда как отношение скоростей.
- •10. Волновые движения жидкости.
- •10.1 Основные понятия и определения.
- •10.2 Скорость распространения волн на поверхности потока.
- •10.3 Распространение волн на свободной поверхности потока жидкости.
- •11. Обтекание препятствий открытым потоком.
- •11.2 Волны при обтекании препятствий.
- •12. Движение наносов в открытых потоках.
- •12.1 Основные определения.
- •12.2 Задачи расчетов взвесенесущих потоков.
- •12.3 Движение наносов.
- •13. Распределение скоростей в открытых каналах при равномерном движении.
- •14. Гидравлический расчет открытых каналов замкнутого сечения.
- •Дополнительная часть д.1 Дифференциальное уравнение неравномерного движения в призматических руслах.
- •Д.2 Построение кривых свободной поверхности интегрированием уравнения неравномерного движения.
- •Д.3 о расчете водослива.
- •Д.4 Число Фруда. Д.4.1 Число Фруда как параметр подобия потоков.
- •Д.4.2 Число Фруда как безразмерный критерий.
- •Д.5 Спокойные и бурные потоки в каналах переменного сечения.
- •Обтекание потоками боковых стенок с изломами.
- •Пересечение и отражение линий возмущения.
- •Литература
9. Число Фруда как отношение скоростей.
На свободной поверхности могут возникать гравитационные волны и поведение свободной поверхности зависит от отношения скорости потока к скорости распространения волн. Скорость распространения малых гравитационных волн (малых возмущений) на поверхности потока, глубина которого мала по сравнению с длиной волны определяется по формуле (10.8)
.
Тогда получаем безразмерное отношение
,
где число называется числом Фруда.
Если , то скоростьназывается критической скоростью. Дляскоростьи поток называется спокойным (докритическим).
Для скоростьи поток называется бурным (сверхкритическим).
При изменении глубины изменяется и скорость распространения волн, поэтому число Фруда, в каналах переменной глубины или при обтекании препятствий потоком, возможно интерпретировать как отношение квадрата местной скорости потока к квадрату местной скорости распространения малых возмущений.
10. Волновые движения жидкости.
10.1 Основные понятия и определения.
С физической точки зрения разнообразие волн на воде велико, например, штормовые волны в океане, вызванные ветром, волны паводка на реках, корабельные волны, волны цунами, приливные волны и т.д.
С математической точки зрения, очевидно, что общего решения, охватывающего все возможные случаи, не существует. Главная трудность изучения волн на воде заключается в том, что одна из границ, а именно – свободная поверхность – является одной из неизвестных величин. Существуют два различных типа волн на воде – колебательные волны и волны перемещения. В колебательной волне расход жидкости равен нулю; волновые движения аналогичны поперечным колебаниям шнура. К этому типу волн относятся волны от брошенного в воду предмета, корабельные волны. В волне перемещения, как видно из названия, происходит перенос жидкости в направлении движения волны. Волной перемещения является, например, движущийся гидравлический прыжок.
Ещё раз необходимо подчеркнуть, что волны – это распространяющиеся колебания. В положении равновесия поверхность волны представляет горизонтальную плоскость. Если каким- то образом вывести из положения равновесия хотя бы незначительную часть поверхности воды, например, бросить камень, то это “возмущение” будет распространяться в виде волны. В данном случае колебания поверхности являются результатом взаимодействия двух факторов: силы, возвращающей в положение равновесия, и инерции, заставляющей проскакивать это положение равновесия.
Если на поверхности жидкости образуется «горб» (возвышение), то вернуть частицы жидкости в положение равновесия может, например сила тяжести P, рис. 10.1, пропорциональная ускорению свободного падения g. Двигаясь вниз, по инерции “горб” пройдёт ниже положения равновесия; рядом с ним будет вытеснен другой “горб” и т.д., в результате чего пробежит волна, характеризуемая некоторой скоростью и длинной(расстояние между горбами).
Заметим, что колебания происходят в вертикальной плоскости, а волны распространяются в горизонтальной, поэтому они являются поперечными волнами.
Если волны становятся очень мелкими (волны “ряби”) (их можно наблюдать в кювете с водой при возмущении поверхности жидкости иголкой) то “горб” стремится вернуть в положение равновесия другая сила – сила поверхностного натяжения, связанная с коэффициентом поверхностного натяжения.
В дальнейшем рассматриваются лишь поверхностные гравитационные волны, в распространении которых основное значение имеет сила земного притяжения.
Поверхностные волны с периодически повторяющимися характеристиками называются правильными или регулярными. Обычно ветровые волны или волны, вызываемые движением тел в жидкости, имеют трехмерный характер. Однако иногда, например, в случае волн зыби, картина волнового движения одинакова во всех плоскостях, совпадающих с направлением распространения волн, а образующие волновой поверхности – прямые линии. Такие волны называются плоскими.
Р
Рис. 10.2.
Длиной волны называется расстояние между соседними вершинами или подошвами, измеренное в направлении их распространения, а высотой волны – расстояние от её подошвы до вершины. Половина высоты правильных периодических волн называется их амплитудой.
Волны подразделяют на прогрессивные и стоячие. Профиль прогрессивных волн перемещается в пространстве; к ним относятся ветровые волны и волны, вызываемые движением тел в жидкости. Профиль стоячих волн не перемещается и лишь изменяет с течением времени свои ординаты в данной области пространства. Стоячие волны могут возникнуть, например, вследствие взаимодействия прогрессивных волн при их отражении от берегов и сооружений.
Скорость, с которой вершины прогрессивных волн перемещаются в пространстве, называют скоростью распространения волн или фазовой скоростью. Скоростьявляется скоростью перемещения профиля волн, и её не следует отождествлять со скоростью движения частиц, участвующих в волновом движении, которая обычно мала. Учитывая, что скорость распространения волн постоянна, её связь с длинойи периодомволн выражается формулой:
. (10.1)
Наблюдения показывают, что вязкость воды мало влияет на процессы распространения волн. Этим объясняется длительное существование морской зыби после окончания действия ветра.
Существенное влияние на характеристики волн оказывает их переход с глубокой воды на мелководный участок; происходит трансформация их профиля, возможно возникновение бурунов, а у побережья – волн прибоя.