6. Открытые каналы

Безнапорное движение жидкости имеет место в открытых руслах и характерно тем, что на свободной поверхности жидкости давление равно атмосферному, например, реки, каналы, лотки и т.д. При равномерном движении гидравлические элементы потока – площадь сечения, глубина и т.д. не изменяются по его длине; следовательно, равномерное движение невозможно в естественных руслах. На рис. 6.1 показан профиль потока в условиях равномерного движения. Глубина вдоль течения постоянна, поэтому гидравлический уклон равен пьезометрическому, т.е. уклону свободной поверхности и оба они равны уклону дна канала i_o.

Рис.6.1

Применяя к двум сечениям, как на рис. 6.1 уравнение Бернулли с учетом потерь, можно получить (6.1) Δz=z1 – z2 = i0 l = hW где l – расстояние между сечениями 1 и 2. Из (6.1) следует, что жидкость в открытом канале движется под действием силы

тяжести. При этом потенциальная энергия переходит в кинетическую и кинетическая энергия за счет трения преобразуется в тепло. Из (6.1) также следует, что до тех пор, пока к потоку применимо уравнение Бернулли потери на участке не зависят от шероховатости, а зависят от уклона дна. В открытых руслах, как правило, наблюдается турбулентный режим движения.

О

(6.2)

сновным для гидравлического расчета равномерного движения жидкости является уравнение Шези

где S – площадь сечения, i – геометрический уклон, R – гидравлический радиус, С – коэффициент Шези, зависящий от гидравлического радиуса R и от шероховатости русла. Для коэффициента Шези предложено несколько зависимостей, одна из наиболее простых – формула И.И. Агроскина

С = 1/n + 17,72 lgR,

где n – коэффициент шероховатости определяется по таблицам.

При расчете открытых каналов встречаются следующие типовые задачи:

Задача 1. Заданы: глубина потока h, все геометрические элементы сечения, необходимые для определения гидравлического радиуса R и площади сечения S, коэффициент шероховатости стенок канала n и уклон дня канала i.

Определить: расход воды в канале Q.

Решение задачи сводится к определению R, S, C и к подстановке их в формулу (6.2).

Задача 2. Заданы: расход воды Q, все геометрические параметры кроме глубины, коэффициент шероховатости n и уклон дна канала i₀.

Определить: глубину потока h.

Для определения h необходимо решить уравнение (6.2) с одним неизвестным – h; оно решается на ЭВМ или графоаналитическим методом.

Задача 3. Заданы: расход воды Q, все геометрические параметры сечение и глубина, коэффициент шероховатости стенок канала n.

Определить уклон дня канала i.

Уклон определяется по формуле Шези (6.2)

7. Движение жидкости в трубах и каналах некруглого сечения

В технике часто применяют вентиляционные каналы прямоугольного или квадратного сечения, нагревательные приборы эллиптического сечения и другие устройства, где живое сечение потока имеет некруглую форму.

При рассмотрении равномерного движения в каналах произвольной формы (Кинематика) было введено определение гидравлического радиуса – линейного параметра, определяемого отношением площади живого сечения потока S к его периметру 

R = S/