книги из ГПНТБ / Быков В.Д. Гидрометрия учебник

вертушка опускается в воду на штанге, укрепленной на горизон­ тальной стреле, вращающейся вокруг оси, расположенной в центре бассейна. В настоящее время тарирование в таких бассейнах почти не производится.

Кольцевой бассейн состоит из двух концентрически располо­ женных цилиндров, пространство между которыми заполнено во­ дой (рис. 11.28). В центре бассейна на фундаменте укреплена ка­ русель с несколькими штангодержателями, на которых закрепля­ ются штанги с тарируемыми и образцовыми вертушками. Карусель вращается с различными скоростями с помощью электродвигателя. Минимальные размеры бассейна для обеспечения требуемой точ-

Рис. 11.28. Схема кольцевого тарировочного бассейна.

ности тарирования: диаметр наружного цилиндра 5,0 м, внутрен­ него 3,0 м, высота цилиндров 1,3 м, глубина воды 1,0 м.

Тарирование в кольцевых бассейнах производится методом сравнения, т. е. путем сравнения показаний испытываемой вер­ тушки с показаниями образцовой вертушки (эталона), которая предварительно подвергается тщательной поверке и тарированию в прямолинейном канале. В кольцевых бассейнах при движении вертушек возникает попутный поток, кроме того, направление оси вертушки не совпадает с направлением движения, так как вер­ тушка направлена по касательной; все это не позволяет вести не­ посредственное тарирование. В этом случае следует применять ука­ занный выше прием.

Тарирование методом сравнения производится также в лотке системы В. А. Урываева (рис. 11.29), в котором вода циркулирует по замкнутому трубопроводу. Для обеспечения равномерного дви­ жения воды в рабочей, верхней части лотка в нем устроены на­ правляющие лопатки и решетки. Тарируемые и образцовые вер­ тушки устанавливаются в рабочей части лотка через герметично закрываемые люки. Сигналы вертушек записываются на хроно­ графе. Для более точного определения начальных скоростей верту­ шек в воду пускается краска; наблюдая в смотровое окно, можно

140

при встрече красочного облачка с лопастным винтом легко заме­

Рис. 11.29. Схема лотка Урываева.

I — направляющие лопатки; 2 — горизонтальная перегородка; 3 — лоток;

ется в том, что по данным тарировочной таблицы вычерчивается кривая u=f(n). На оси абсцисс откладывают число оборотов в се­ кунду, а по оси ординат — соответствующие скорости в м/с. По на­ несенным точкам проводят плавную кривую. Нижняя ее часть, со­

получиться или в результате недостатков тарирования, или при не­ исправности вертушки; такие данные бракуются.

Аналитический способ обработки заключается в подборе уравнений тариро­ вочной кривой. Как было сказано ранее, тарировочная кривая разделяется на криволинейный и прямолинейный участки. Криволинейный участок аналитически

ная скорость вертушки по данным тарирования.

141

Рис. 11.30. Тарнровочная кривая вертушки.

Прямолинейный участок выражается уравнением прямой (11.4), проходящей через начало координат,

и = kn,

рости, соответствующую переходу криволинейного участка кривой в прямолиней­

Зная величину ик, можно по тарнровочной таблице отобрать значения ско­

ростей, больших мк , относящиеся к прямолинейному участку, и соответствующее им число оборотов в секунду. По этим значениям определяют гидравлический шаг по формуле

142

Тарировочная кривая является официальным документом вер­ тушки. Для практических целен, например при измерении скоро­ стей в полевых условиях, составляют специальную таблицу для определения скоростей по числу оборотов в секунду. Это удобно в работе и способствует сохранению тарировочной кривой. Таблица составляется на основе тарировочной кривой: основные значения берутся непосредственно с кривой (вторая графа табл. 11.2), а про­ межуточные значения определяются путем прямолинейной интер­ поляции.

Таблица 11.2

Таблица весьма проста. Например, если измеренное число обо­ ротов лопастного винта в секунду п = 0,35, то скорость течения со­ ставляет ц = 0,102 м/с.

Основные указания по уходу за вертушками. Гидрометрические вертушки являются точными измерительными приборами и тре­ буют внимательного ухода.

По окончании измерений вертушку и принадлежности к ней сле­ дует протереть сухой тряпкой и уложить в ящик. Укладывать надо

смазать тонким слоем масла. Ходовую часть разобрать, кроме под­

щетинным ершом. Контактный механизм следует промывать очень осторожно, без крайней необходимости не трогать контактных пру­

(6 мл). Если будут обнаружены существенные неисправности, на­ пример погнутость лопастного винта, неполадки в контактном ме­ ханизме или другие дефекты, то вертушку отправляют в ремонт и на тарирование.

При работе зимой вертушка при извлечении ее из воды может обледенеть, что прекратит ее работу. В этом случае нельзя скалы-

1 Следует применять бензин автомобильный, летний, ГОСТ 2084-52. Нельзя применять бензин этилированный. Вместо бензина мсжно использовать керосин" тракторный, ГОСТ 1842-52.

143

вать с вертушки лед, а следует погрузить вертушку в горячую воду или же опустить ее в реку и выждать, пока обледенение не ис­ чезнет.

Внимательный уход требуется за всеми принадлежностями к вертушке, а также за оборудованием. Штанги, трос, трущиеся части лебедок, грузы, карабины следует очищать от грязи и ржав­

стях течения вертушку рекомендуется дополнительно испытать на постоянство трения в ходовой части. Трение может изменяться при ухудшении состояния оси и подшипников, появлении ржавчины, не­ правильной сборке. При этом трение может значительно увеличи­ ться и показания вертушки будут неверными, особенно при малых скоростях.

Испытание проводят способом выбега. Вертушку закрепляют на штанге на высоте 1,2—1,3 м над полом; на зажимную муфту навивают в один ряд нить № 10 длиной 1 м с прикрепленным на конце грузиком весом 100 г. Начало нити прижимают к муфте вторым витком. Когда вся нить до грузика будет навита на муфту, грузик отпускают, и в момент, когда вся нить сойдет с муфты, а грузик упадет на пол, пускают секундомер. Лопастный вннт бу­ дет свободно вращаться. В момент прекращения его вращения ос­ танавливают секундомер и записывают продолжительность враще­ ния винта в секундах. Испытания проводят дважды. Разность продолжительности вращения должна быть не более 20%. При большей разнице вертушку надо разобрать и тщательно проверить, прочистить, вновь собрать, затем повторить испытание.

Полученную продолжительность свободного вращения винта (меньшую из двух) сравнивают со временем !"о, например:

где to— продолжительность свободного вращения лопастного винта, определенная сразу после тарирования; t — продолжительность свободного вращения по испытаниям.

При уменьшении продолжительности свободного вращения бо­ лее чем в 2,5 раза не допускается измерять скорости менее 0,5 м/с.

11.3. Поплавки

При определении скорости поплавком допускается, что скорость движения последнего равна скорости течения воды в месте нахож­ дения поплавка. Такое допущение значительно упрощает опреде­ ление скорости, хотя установлено экспериментально и теорети­ чески, что тело, плывущее по течению, движется быстрее окружаю­ щих его частиц воды. Этот факт был отмечен еще Дюбуа в 1786 г.'

Du Buat. ,,Principes d'hydraulique".

144

Причиной обгона является наличие неуравновешенной проек­ ции веса тела на ось движения. Рассмотрим силы, действующие на плывущее в воде в состоянии безразличного равновесия тело (рис. 11.31). Проведем прямоугольную систему координат, распо­ ложив начало координат в центре тяжести тела, а ось абсцисс на­ правим вниз по течению параллельно поверхности воды. Архиме­ дова подъемная сила действует перпендикулярно водной поверх-

Рнс. 11.31. Схема сил, действующих на плывущее тело.

ности; ее проекция на ось движения равна нулю. Сила тяжести направлена вертикально вниз. Вес тела равен

двигалось бы все время с ускорением, если бы не существовало сопротивление воды R.

Опущенное в поток тело не приобретает сразу скорость, рав­ ную скорости движения воды. В течение некоторого времени ско­ рость тела возрастает от нуля до скорости, равной скорости ок­ ружающих частиц воды. Далее тело начинает обгонять их, пока сила сопротивления воды не уравновесит движущую силу. После этого движение тела продолжается со скоростью, превышающей скорость потока. Превышение скорости плывущего тела над ско­ ростью потока зависит от веса, формы тела и уклона водной по­ верхности. Чем тяжелее плывущее тело, чем меньше величина

площади проекции тела на плоскость, перпендикулярную оси дви­ жения (мидель), чем более обтекаема форма тела и больше уклон водной поверхности, тем больше величина обгона. Для больших и тяжелых тел величина обгона получается довольно большая. На­ пример, еще В. М. Лохтин наблюдал, что сплавные суда на р. Чусовой двигались со скоростью, на 20—30% превосходящей ско­ рость текущей воды. По опытам в лотке получалось, что обгон бревна при уклоне 0,0014 достигал 40% по сравнению со средней скоростью воды.

Размеры обычно применяемых поплавков незначительны, вслед­ ствие чего ошибки из-за указанного превышения скорости малы, как правило, в пределах точности измерений. Однако из сказан­ ного выше следует сделать вывод, что размеры поплавков для гид­

ших реках приходится делать сравнитель­ но большие поплавки, то им следует придавать плохо обтекаемую форму, на­ пример в виде крестовин из досок (рис. 11.32).

интеграторы. Последние применяют в на­ стоящее время при измерениях расхода воды с самолета. Суще­ ствуют еще двойные поплавки, которые применяются в основном для изучения течений на морях, а также на озерах и водохрани­

Широко применяются различного рода поплавки при проведе­ нии научных исследований как в натурных, так и особенно в лабо­ раторных условиях. Иногда в качестве поплавка используют жид­ кий индикатор — раствор краски или радиоактивный изотоп.

шириной до 100 м можно делать поплавки в виде кружков, отпи­ ленных от сухого бревна (рис. 11.32 а); толщина их 3—5 см, ди­ аметр 15—25 см. Для рек шириной 100—300 м поплавки изготов­ ляют в виде крестовин из досок (рис. 11.32 б); для лучшей види­ мости их иногда снабжают флажком, а для устойчивости снизу подвешивают грузик.

К недостаткам поверхностных поплавков следует отнести огра­ ниченность их применения в ветреную погоду, особенно при неболь­ ших скоростях течения, менее 0,5 м/с. При ветре скоростью более 6 м/с применять поверхностные поплавки вообще не рекоменду­ ется.

146

Следует учитывать следующие особенности работы с поплав­

в определении длины пути поплавка, если она определена как рас­

•случае величина скорости течения есть средняя скорость на траек­

этому скорость движения всей системы приблизительно равна скорости течения на той глубине, на которую погружен нижний поплавок.

На рис. 11.33 показаны типы глубинных поплавков, применя­ емые для измерения малых скоростей течения, менее 0,15 м/с, ко­ торые недостаточно точно могут быть измерены гидрометрической вертушкой. Нижний поплавок опускается на глубину, где требу­ ется измерить скорость, а верхний оставляется на поверхности в качестве указателя. Такие поплавки употребляются при измере­ нии расходов воды, а также для определения границ мертвого про­

средней скорости течения на вертикали. Поплавок погружают на дно, затем в определенный момент выпускают, и он начинает всплывать. Подъем поплавка-интегратора со дна на поверхность происходит под действием Архимедовой силы. Под действием ско­ рости течения поплавок сносится вниз по течению. Рассматривая перемещение поплавка при всплытии (рис. 11.34) за время dt,

можем написать:

где / — расстояние от вертикали до точки всплытия поплавка; и — местная скорость течения (переменная по глубине); V\ — скорость

У1 -Ф

/dl=uctt

I

^\wл^v^лчVл^^^''Л\^JЛч\wч^w/>^^w^/\^\^^л\v••|<,'W7r7^^^'''«l,,^\ч\^^^

Рис. 11.34. Схема всплытия поплавка-интегратора.

вертикального подъема поплавка, приближенно принимаем ее за постоянную; h — глубина вертикали.

Из приведенных формул получаем:

Выражение j udh определяет собой, как известно, величину

площади эпюры скоростей течения на вертикали, поэтому можно написать

где vB — средняя скорость течения на вертикали; тогда получим

148