Добавил:

Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Поволжский государственный технологический университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Учебник Ухин, Гусев / Глава 9.doc

Скачиваний:

256

Добавлен:

11.03.2016

Размер:

3 Mб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 78 / 88

9.9. Перепады

Перепадом называют сооружение, устанавливаемое в русле, имеющее существенно большой уклон дна и обеспечивающее сопряжение участков потока жидкости по ступеням (уступам). Ступень представляет собой, как правило, вертикальную стенку падения и горизонтальный участок русла. В зависимости от числа ступеней перепады делятся на одноступенчатые (рис. 9.27 и 9.28) и многоступенчатые (см. рис. 9.32).

В системах водоотведения при сопряжении двух потоков жидкости в случае резкого изменения рельефа местности устраивают перепадные колодцы. В таких колодцах сопрягается поток в подводящей трубе с потоком в отводящем коллекторе, расположенном на отметке ниже уровня подводящей трубы.

Рис. 9.28. Одноступенчатый перепад с уступом

Одноступенчатые перепады

В одноступенчатых перепадах форма сечения подводящего русла может отличаться от сечения самого перепада по высоте и ширине.

Одноступенчатый перепад состоит из входа, стенки падения, водобоя и выхода (см. рис. 9.27). Геометрические размеры входа и выхода могут быть различны. Водобой представляет собой горизонтальный участок русла, который воспринимает ударное воздействие падающего потока жидкости и гасит ее энергию. Стенка падения может быть вертикальной, с некоторым уклоном к поверхности русла или криволинейной.

На рис. 9.29 представлена схема одноступенчатого перепада, у которого высота стенки падения С_н. Глубина потока жидкости на подходе к стенке соответствует глубине h₀.

Рис. 9.29. Одноступенчатый перепад

В случае если поток жидкости в подводящем призматическом русле находится в спокойном состоянии, i₀ < i_кр , то в верхнем бьефе до ребра стенки падения возникает кривая спада. На этом участке будет иметь место плавно изменяющееся движение. В сечении непосредственно у ребра 1'-1', как показали экспериментальные исследования, устанавливается глубина

h'≈ 0,71h_кр. На расстоянии l = (2÷2,5)h_кр от ребра стенки падения глубина будет равна критической глубине h₁ = h_к_p .

В случае бурного состояния потока и неравномерного его движения глубина в сечении 1-1 должна определяться путем построения кривой свободной поверхности. В результате падения потока со стенки за счет ускорения силы тяжести и силы инерции на участке падения скорость увеличивается. В сечении с-с скорость V_c будет максимальная. В этом сечении будет происходить сжатие потока и глубина равна h_c. Сжатая глубина будет меньше критической глубины h_кр. Поскольку h_с < h_к_p , то за стенкой падения возникает гидравлический прыжок, в начале которого глубина равна h_с. В отводящем русле поток имеет глубину h_н.

Струя жидкости, обладая запасом кинетической энергии, определяемой скоростью V' у ребра стенки падения, отлетает на расстояние l₁ Расстояние отсчитывается от стенки до сжатого сечения с-с.

Уравнение для определения глубины в сжатом сечении h_сможет быть получено путем использования уравнения Бернулли для сечений 1-1 и с-с. Плоскость сравнения принимается на уровне дна нижнего бьефа перепада.

Уравнение, которое получим, будет аналогично уравнению (9.51):

Полная удельная энергия для сечения 1-1

, (9.78)

где V₁ — скорость в сечении 1-1, V₁ = V_кр:

. (9.79)

Согласно исследованиям ряда авторов, коэффициент скорости при находится в пределах φ= 0,750,88.

Модельные исследования перепадов прямоугольного сечения, проведенные Б. Ботуком, позволили определить функциональную зависимость коэффициента скорости от параметров С_н, Н_о, b, В:

f , (9.80)

где b — ширина перепада; B — ширина свободной входной части.

На рис. 9.30 приведен график функции коэффициента скорости φ перепада, если имеется доступ воздуха под струю жидкости.

В зависимости от глубины в нижнем бьефе перепада сопряжение потоков может иметь форму отогнанного прыжка или затопленного прыжка. Если h_c" > h_H — отогнанный прыжок, при h_c"< h_H — затопленный прыжок, h_c" — фиктивная глубина сопряжения со сжатой глубиной h_с.

Рис. 9.30. График функции f

На рис. 9.31 показана схема перепада, где сопряжение бьефов имеет форму отогнанного прыжка.

Рис. 9.31. Перепад с отогнанным прыжком

На участке отводящего русла, где заканчивается гидравлический прыжок, скорости потока существенно превышают скорости при нормальной глубине h₀. На этом участке длиной L требуется укрепление дна русла, чтобы предотвратить его гидравлический размыв. Участок длиной L называется водобоем. Общая длина водобойного участка

L = l₁+l₂+l_п+l₃, (9.81)

где l₁, — дальность отлета струи; l₂ — длина отгона прыжка; l_п — длина прыжка; l_з — длина запаса.

Длина запаса учитывает необходимость крепления дна водобоя за пределами гидравлического прыжка:

l₃ = (1÷2) h_н. (9.82)

Дальность отлета струи может быть вычислена по формуле, полученной согласно уравнению траектории физического тела, имеющего начальную скорость V' на уступе перепада, где глубина h' = 0,71h_кр (см. рис. 9.27):

. (9.83)

Дальность отлета также может быть вычислена по формуле (9.69).

Длина отгона прыжка l₂ находится, как длина кривой подпора (свободной поверхности). Начальная глубина свободной поверхности h_с, конечная длина h"_н — сопряженная глубина с глубиной в русле h_н.

Длина прыжка l_п определяется по формулам, приведенным в гл. 8.

В случае сопряжения бьефов в виде затопленного прыжка длина l₂ = 0.

Расчет одноступенчатого перепада заключается в определении глубины на входном участке и на водобое, высоты стенки падения и длины водобоя.

Многоступенчатые перепады

В случае больших уклонов местности при прокладке каналов устраивают многоступенчатые перепады.

Многоступенчатые перепады могут быть без водобойных стенок в конце каждой ступени (рис. 9.32, а), или с водобойными стенками колодезного типа (рис. 9.32, б).

Высота ступени принимается в пределах С_н = 13 м. Зная разность отметок поверхности Z (м), количество ступеней будет равно n=.

Рис. 9.32. Схемы многоступенчатого перепада

Многоступенчатые перепады без водобойных стенок применяются, как правило, в случае небольших расходов. Перепады без водобойных стенок рассчитываются аналогично одноступенчатым перепадам. Длина ступени перепада L определяется исходя из условия, что в конце ступени установится глубина, равная критической h_кр . Длина ступени перепада

L_c = l₁+l₂+l₃. (9.84)

где l₁ — дальность отлета струи; l₂ — длина отгона прыжка (длина кривой подпора), сопрягающая сжатую глубину h_сс критической глубиной h_кр ; l_з — запас длины:

l₃ = (2÷2,5) h_кр. (9.85)

При большой длине ступени перепада может образоваться гидравлический прыжок. Поток жидкости на ступенях многоступенчатого перепада без стенок характеризуется бурным состоянием.

Перепады колодезного типа (рис. 9.33) обычно устраивают исходя из условия, чтобы его ступени имели одинаковые размеры, а в колодцах образовывался гидравлический прыжок.

Рис. 9.33. Многоступенчатый перепад колодезного типа

Рассчитываются первый и второй перепады. На последней ступени необходимо учитывать глубину в нижнем бьефе, чтобы получить затопленный прыжок.

♦ Пример 9.9

На канале прямоугольной формы сечения шириной b = 4 м установлен перепад с вертикальной стенкой падения (см. рис. 9.29). Нормальная глубина в канале h₀ = 2 м. Высота перепада С_н = 3 м. Расход воды в канале 20 м³/с. Глубина воды в нижнем бьефе h_н = 1,8 м. Установить форму сопряжения потока воды, падающего с перепада, с нижним бьефом.

Удельный расход в канале

Критическая глубина .

Полная удельная энергия для сечения 1-1

Средняя скорость в сечении 1-1

Коэффициент скорости находим по графику Б. Батука (см. рис. 9.30) для перепада со свободным доступом воздуха под струю:

Параметр, тогда φ = 0,87.

Сжатая глубина определяется из уравнения

h_c вычисляется методом подбора, h_с = 0,62 м.

Скорость в сжатом сечении

Сопряженная глубина h_c" находится из уравнения гидравлического прыжка для прямоугольного русла:

Форма сопряжения бьефов — отогнанный прыжок.

♦ Пример 9.10

Согласно данным примера 9.9 определить длину водобоя одноступенчатого перепада для укрепления дна русла. Уклон дна канала i₀ = 0,0004 (см. рис. 9.31).

Длина водобоя находится по формуле (9.81):

L = l₁+l₂+l_п+l₃.

Длину отлета струи l₁ от вертикальной стенки вычисляем по формуле

Ю. Константинова.

Глубина воды на грани перепада