Рудиков Д.А. Практикум по гидравлике . В 7 ч. Ч. 4 Лоток гидравлический
.pdf
Лабораторная работа № 4.02
ИССЛЕДОВАНИЕ ИСТЕЧЕНИЯ ЖИДКОСТИ ИЗ ОТВЕРСТИЯ КРУГОВОГО НЕПОДТОПЛЕННОГО ВОДОСЛИВА
Цель работы: изучение картины истечения жидкости из отверстия кругового неподтопленного водослива, экспериментальное определение коэффициента расхода и сравнение его с расчётными данными.
В работе необходимо:
–провести наблюдение за истечением жидкости из отверстия кругового неподтопленного водослива;
–сделать краткое описание явления истечения;
–определить коэффициент расхода кругового неподтопленного водослива.
Основные теоретические положения
Круговой водослив (рис. 4.02.1) был исследован Штаусом и Санденом.
|
Рис. 4.02.1. Круговой водослив |
|
|
|
|
Расход через такой водослив определяется по формуле |
|
|
|
|
Q Q d 5 2 , |
(4.02.1) |
||
|
1 |
|
|
|
где Q |
– условный расход, л/с, зависит от степени заполнения отверстия a |
h |
; |
|
|
||||
1 |
|
d |
||
|
|
|
||
d – диаметр отверстия в дм; – коэффициент расхода кругового водослива, который приближённо равен 0,6, а более точно:
0,555 |
1 |
|
d |
0,041 |
h |
. |
(4.02.2) |
|
|
|
|
|
|||||
|
100 |
|
h |
|
d |
|
||
Для разных значений а h
d Штаусом вычислены расходы Q1 , которые приведены в табл. 4.02.1.
11
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 4.02.1 |
|
Расход воды Q |
в зависимости от a |
h |
для кругового водослива (по Штаусу) |
|||||||
|
|
|||||||||
|
1 |
|
|
d |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
a |
Q1, л/с |
a |
Q1, л/с |
|
a |
Q1, л/с |
a |
Q1, л/с |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,05 |
0,027 |
|
0,30 |
0,912 |
|
|
0,55 |
2,821 |
0,80 |
5,372 |
0,10 |
0,107 |
|
0,35 |
1,223 |
|
|
0,60 |
3,294 |
0,85 |
5,913 |
0,15 |
0,238 |
|
0,40 |
1,571 |
|
|
0,65 |
3,79 |
0,90 |
6,451 |
0,20 |
0,417 |
|
0,45 |
1,957 |
|
|
0,70 |
4,305 |
0,95 |
7,016 |
0,25 |
0,643 |
|
0,50 |
2,373 |
|
|
0,75 |
4,834 |
1,00 |
7,471 |
Порядок выполнения лабораторной работы
1 Прочитать и изучить теоретические сведения к лабораторной работе.
2 Внимательно изучить описание лабораторного оборудования и технику безопасности.
3 Проверить подключение стенда к шине защитного заземления.
4 Подключить стенд к сети электропитания.
5 По электронному уровню установить проточную часть лотка в горизонтальное положение.
6 Установить круговой водослив (рис. 4.02.2).
а |
б |
Рис. 4.02.2. Круговой водослив: а – внешний вид; б – схема
7Включить автомат «Сеть» (QF 1).
8Запустить блок управления кнопкой «Вкл.» (SB 1).
9Включить насос и установить минимальное значение оборотов, при котором будет происходить перелив воды через водослив.
10Дождаться установления выставленного режима. Снять показания датчика расхода Q, результаты записать в табл. 4.02.2.
11При помощи линейки, расположенной на лицевой части лотка (можете использовать металлическую линейку для более точных измерений), опреде-
12
лить высоту подъёма воды до водослива. Зная, что значение Р (см. рис. 4.02.1) равно 100 мм, определить значение напор Н. Результат записать в табл. 4.02.2.
12 Повторить п. 10–11, увеличивая расход насосом.
13 После проведения эксперимента необходимо отключить насос.
14Выключить автомат «Сеть» (QF 1).
15Отключить блок управления кнопкой «Выкл.» (SB 3).
16Отключить стенд от системы электропитания 220 В, 50 Гц.
17Навести порядок на рабочем месте.
Обработка результатов
1Из формулы (4.02.1) выразить коэффициент расхода кругового водослива. Условный расход необходимо определить по табл. 4.02.1. Диаметр водослива равен 100 мм.
2Начертить кривую изменения глубины Н от расхода жидкости Q.
3Сделать выводы по проделанной работе.
|
|
|
|
|
Таблица 4.02.2 |
|
|
Результаты измерений и вычислений |
|
||
|
|
|
|
|
|
№ |
Q, л/с |
|
Н, мм |
Q0, л/с |
μ |
1 |
2 |
|
3 |
4 |
5 |
1 |
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Контрольные вопросы
1 Что такое круговой водослив?
2 Формула для определения расхода через круговой водослив.
3 Коэффициент расхода кругового водослива.
4 Что такое установившееся движение жидкости?
5 Что такое расход?
6 Что такое водослив?
7 Что такое безнапорное движение жидкости?
8 Что такое неустановившееся движение жидкости?
9 Что такое напорное движение жидкости?
10 Что такое равномерное движение жидкости?
11 Что такое неравномерное движение жидкости?
12 Что такое затопленный водослив?
13 Что такое незатопленный водослив?
14 Что такое живое сечение потока жидкости?
15 Что такое действительный расход и теоретический расход?
13
Лабораторная работа № 4.03
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ ВОДОСЛИВА С ТОНКОЙ СТЕНКОЙ
Цель работы: изучить картину протекания жидкости через водослив с тонкой стенкой, экспериментально определить коэффициента расхода и сравнить его с расчётными данными.
В работе необходимо:
–провести наблюдение за формой и характером переливающейся через порог водослива струи;
–сделать краткое описание явления истечения;
–определить коэффициент расхода прямоугольного неподтопленного водослива без бокового сжатия.
Основные теоретические положения
Водосливом называется безнапорное отверстие, через которое перетекает вода. (Для других жидкостей вместо термина «водослив» применяют термин, соответствующий данной жидкости, например «нефтеслив».)
Участок потока выше гидротехнического сооружения по течению называется верхним бьефом (ВБ), а ниже гидротехнического сооружения по течению – нижним бьефом (НБ). Верхняя часть водослива, через которую происходит истечение, называется гребнем (порогом). Наибольшее превышение уровня воды в верхнем бьефе над гребнем называется геометрическим напором Н, обычно фиксируется перед водосливом на расстоянии приблизительно (3…5) · Н от гребня, где ещё не наблюдается спад свободной поверхности, обусловленный истечением через водослив. Глубина воды в нижнем бьефе называется бытовой глубиной.
Водослив с тонкой стенкой образуется в случае, когда струя воды, переливающаяся через стенку водослива, формируется под действием только верховой грани этой стенки, а остальные грани – низовая и ограничивающая стенку сверху – не оказывают влияния на картину истечения. При вертикальной стенке протекание через водослив с тонкой стенкой происходит, когда её толщина δ удовлетворяет условию
0,1 0,5 H , |
(4.03.1) |
где H – геометрический напор на водосливе, т. е. превышение уровня воды верхнего бьефа над гребнем водосливной стенки, измеренное в сечении, где практически не наблюдается понижение свободной поверхности потока, обусловленное истечением воды через водослив (рис. 4.03.1).
По форме выреза водосливы с тонкой стенкой подразделяются на прямоугольные, трапецеидальные, треугольные, параболические, водосливы Пебинга и др.
14
Рис. 4.03.1. Истечение воды через водослив
По условиям протекания через прямоугольные водосливные отверстия и в зависимости от соотношения размеров ширины отверстия b и подводящего канала В водосливы могут быть:
1)без бокового сжатия потока, когда ширина водосливного фронта равна ширине подводящего канала;
2)с боковым сжатием, когда ширина водосливного фронта меньше ширины канала.
По типу сопряжения переливающийся струи через водослив с нижним бьефом различают водосливы:
1)подтопленные, если уровень нижнего бьефа оказывает влияние на истечение (рис. 4.03.1, а);
2)неподтопленные, если уровень нижнего бьефа не влияет на истечение
(рис. 4.03.1, б).
При истечении через прямоугольный водослив с острым гребнем струя может принимать различные формы; свободную (рис. 4.03.2, а), поджатую (рис. 4.03.2, б), подтопленную (рис. 4.03.2, в) и прилипшую (рис. 4.03.2, г).
Рис. 4.03.2. Формы струи при истечении через прямоугольный водослив
15
Свободная струя – это струя, в подструйной области которой (в пространстве под струёй) имеется атмосферное давление. В некоторых случаях это достигается искусственным подводом воздуха. Водослив с такими признаками называют совершенным (иногда нормальным).
Струя будет поджатая (в сторону водосливной стенки) неподтопленная с нижнего бьефа в том случае, если отсутствует доступ воздуха по струю. Давление под струёй меньше атмосферного, т. е. имеется вакуум, и уровень воды под струёй поднимается выше уровня в нижнем бьефе, но в подструйном пространстве ещё имеется воздух.
Подтопленная струя возникает в случае, когда весь воздух унесён потоком и подструйное пространство полностью заполнено водой.
Прилипшая струя образуется при малых удельных расходах в условиях постепенного нарастания напора на водосливе от нуля до некоторой небольшой величины. Под струёй образуется предельно возможный в этом случае вакуум, в этом состоянии струю удерживает поверхностное натяжение. Такая струя характеризуется наименьшей устойчивостью.
Тонкостенные водосливы часто используются как элементы гидротехнических сооружений (плоские затворы, шандоры и т. п.) и в качестве расходомеров в гидрометрической практике и гидравлических лабораториях.
Наибольший интерес для гидрометрических целей представляет водослив со свободной струёй, т. е. когда под струю свободно поступает воздух.
Прямоугольный водослив с тонкой стенкой всегда будет неподтопленным, если
h < PH , |
(4.03.2) |
или Z ˃ H.
Если же h PH , то водослив будет неподтопленным лишь при соблюдении следующего условия:
|
Z |
|
|
Z |
|
|
|
|
|
|
. |
(4.03.3) |
|||
|
|
||||||
|
PH |
|
PH кр |
|
|||
Вприведённых выражениях приняты обозначения: h – бытовая глубина
внижнем бьефе; PH – высота водослива со стороны нижнего бьефа; Z – пере-
пад (разность уровней в верхнем и нижнем бьефах); H |
|
Z |
|
|
|
– напор; |
|
– отно- |
|||
|
|||||
|
|
PH |
|
||
|
Z |
|
|
|
сительный перепад; |
|
– критическое значение относительного перепада. |
||
|
||||
|
PH кр |
|
||
Выражение (4.03.3) соответствует сопряжению в нижнем бьефе с так называемым отогнанным прыжком.
Критическое значение относительного перепада |
|
Z |
|
зависит от коэф- |
|
|
|
||||
|
|||||
|
|
PH кр |
|
||
фициента расхода m0, а также от величины относительного напора и определяется по соответствующим графикам (рис. 4.03.3).
16
Рис. 4.03.3. График определения критического значения относительного перепада
Расход через неподтопленный прямоугольный водослив с тонкой стенкой без бокового сжатия определяется по формуле
|
3 |
|
|
||
Q m b |
2g H 2 |
, |
(4.03.4) |
||
0 |
|
|
|
|
|
где m0 – коэффициент расхода с учётом скорости подхода потока к водосливу;
b – ширина водослива по ребру; Н – геометрический напор (без учёта скорости подхода).
Расход через подтопленный прямоугольный водослив с тонкой стенкой без бокового сжатия определяется по формуле
|
|
|
3 |
|
|
||
Q |
П |
m b |
2g H 2 |
, |
(4.03.5) |
||
|
0 |
|
|
|
|
|
|
где П – коэффициент подтопления, который определяется по зависимости
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
hП |
|
|
Z |
|
|
|
|||
П |
1,05 1 |
0, 2 |
|
|
, |
(4.03.6) |
|||||
|
|
||||||||||
|
|
|
РН |
|
|
H |
|
|
|
||
где hП – превышение уровня воды в нижнем бьефе над гребнем водослива
(глубина подтопления).
Коэффициент расхода водослива вычисляется по различным эмпирическим формулам (Базена, Ребока и др.).
В инженерных расчётах коэффициент расхода m для неподтопленного прямоугольного водослива определяют по формуле Базена:
|
|
|
|
0,0027 |
|
|
Н |
2 |
|
|
|
т0 |
|
0, 405 |
|
|
|
1 0,55 |
|
|
|
. |
(4.03.7) |
|
Н Р |
2 |
|||||||||
|
|
|
|
Н |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Отношение 0,0027 учитывает влияние поверхностного натяжения ( Н в
Н
метрах). Второй сомножитель (в квадратных скобках) учитывает влияние скорости подхода V .
Для того чтобы ошибка при определении расхода с помощью совершенного водослива составляла не более 1 %, необходимо, чтобы b , P и H находи-
17
лись в следующих экспериментально изученных диапазонах: 0,2 < b < 2 м; 0,24 < P < 1,13 м; 0,05 < H < 1,24 м. При H 0,05...0,07 м струя становится
прилипшей и явление перестаёт соответствовать истечению через совершенный водослив.
Наиболее рациональной является формула Р.Р. Чугаева, предложенная им при условии Н ≥ 0,1м и Рв ≥ 0,5Н:
|
|
Н |
|
|
Н |
|
|
|
|
m0 |
0, 402 0,054 |
|
0, 40 0,05 |
|
, |
(4.03.8) |
|||
|
|
||||||||
|
|
Рв |
|
Рв |
|
|
|||
где Рв – высота водослива со стороны верхнего бьефа, м.
Порядок выполнения лабораторной работы
1 Прочитать и изучить теоретические сведения к лабораторной работе.
2 Внимательно изучить описание лабораторного оборудования и технику безопасности.
3 Проверить подключение стенда к шине защитного заземления.
4 Подключить стенд к сети электропитания.
5 По электронному уровню установить проточную часть лотка в горизонтальное положение.
6 Установить водослив с тонкой стенкой (см. рис. 4.03.4).
7Включить автомат «Сеть» (QF 1).
8Запустить блок управления кнопкой «Вкл.» (SB 1).
9Включить насос и установить минимальное значение оборотов, при котором будет происходить перелив воды через водослив.
10Дождаться установления выбранного режима. Снять показания датчика расхода Q, результаты записать в табл. 4.03.1.
11При помощи линейки, расположенной на лицевой части лотка (можете использовать металлическую линейку для более точных измерений), определить высоту подъёма воды до водослива. Зная, что значение Р (см. рис. 4.03.4) равно 200 мм, определить значение напор Н. Результат записать табл. 4.03.1.
12Повторить п. 10–11, увеличивая расход насосом.
13После проведения эксперимента необходимо отключить насос.
14Выключить автомат «Сеть» (QF 1).
15Отключить блок управления кнопкой «Выкл.» (SB 3).
16Отключить стенд от системы электропитания 220 В, 50 Гц.
17Навести порядок на рабочем месте.
18
а |
б |
Рис. 4.03.4. Водослив с тонкой стенкой:
а – общий вид; б – основные размеры водослива
Обработка результатов
1 Определить коэффициента расхода по формуле:
|
|
|
|
0,0027 |
|
|
Н |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
т0 |
|
0, 405 |
|
|
|
1 0,55 |
|
|
|
. |
Н |
Н Р |
2 |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 Вычислить коэффициент расхода т0 23 по данным измерений рас-
хода при помощи формулы:
Q0 23 b H 
2g H ,
где b – ширина лотка.
3 Сравнить опытные и вычисленные значения коэффициента расхода и определить процент отклонения.
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 4.03.1 |
||||
|
|
Результаты измерений и вычислений |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
Высота |
|
|
Коэффициент расхода |
% откло- |
|||||||
|
Высота |
|
|
|
|
|||||||
|
уровня перед |
Расход |
|
|
|
|
|
нения |
m0 |
|
||
№ |
напора |
по измере- |
по формуле m0 |
|||||||||
водосливом |
Q0, л/с |
m0 |
||||||||||
|
||||||||||||
|
Н, мм |
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
Р+Н |
|
нию m0 |
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
Базена |
Чугаева |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
|
|
6 |
7 |
8 |
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Контрольные вопросы
1 Что называется водосливом? В чём его отличие от нефтеслива? 2 Назначение и виды водосливов.
19
3 Классификация водосливов в зависимости от толщины водосливной стенки.
4 Что называется верхним бьефом и нижним бьефом?
5 Что такое геометрический напор?
6 Формы струй при истечении через водослив с тонкой стенкой: свободная струя.
7 Что такое поджатая струя? Виды поджатой струи. 8 Что такое прилипшая струя?
9 Охарактеризуйте подтопленный и неподтопленный водосливы.
10 Формула для определения коэффициента расхода водослива с тонкой стенкой.
11 Какая глубина называется бытовой?
12 Что такое подтопленная струя?
13 Виды водосливов в зависимости от формы выреза отверстия.
14 Формула для определения расхода через неподтопленный прямоугольный водослив с тонкой стенкой без бокового сжатия.
15 Формула для определения расхода через подтопленный прямоугольный водослив с тонкой стенкой без бокового сжатия.
20