bonchosmolovskaya_n_e_mehanika_zhidkosti_i_gaza_laboratornyi

Сложность гидравлических процессов, протекающих в прыжке, многообразие форм, неустойчивый характер явления создают значительные трудности в его изз^ении. Этим обусловлено возникновение различных направлений и взглядов на природу прыжка.

Вгидравлическом прыжке еще слабо разработаны вопросы, касающиеся природы осредненных, пульсационных и актуальных скоростей, происхождения пульсащюнных и апериодически возникающих гидродинамических нафузок на водобои и крепления. Предполагается, что пульсащы скоростей вызывает и пульсационные гидродинамические давления на крепление дна, гасители, береговые устои, грунты и ложе отводящего русла. Это давление является причиной усталости материала, увеличивает общее давление, разрушает фильтры и дренаж, может вызвать вибрацию сооружения в целом.

Внастоящей лабораторной работе исследуется только совершенный гидравлический прыжок в горизонтальном лотке прямоугольного сечения, рис. 12.2.

Гидравлический

Спокойный

поток

Рис. 12.2

Для этого прыжка характерно наличие транзитной струи (основной поток), над которой образуется водоворотная область (поверхностный валец). Глубины в сечениях, где гидравлический прыжок начинается {h\) и заканчивается (Лг), называются сопряженными. Обычно эти глубины обозначают / г h " . Разность между сопряженными глубинами называют высотой прыжка: h^ -h" -h'.

При втекании транзитной струи в спокойный поток (согласно новым исследованиям) первоначально струя занимает придонное положение — рис. 12.3, а.

а)

in

1 2

ШТШТШШШШТГРШШ

1/ 2

Рис. 12.3

Под воздействием вязкости жидкости и возникающего перепада давления она интенсивно расширяется. При этом в соответствии с законами гидромеханики струе присуще явление отрьша от твердой поверхности. Она отклоняется к поверхности потока и, испьпъюая искривление, занимает крайнее положение, показанное на рис. 12.3, б.

Возникает придонный валец под струей. В результате отрыва струи возникают центробежные силы и встречное давление у дна падает. Поэтому струя возвращается в первоначальное положение, увеличивая давление на своем пути. Снова возникает отрыв и процесс повторяется. Таким образом, в совершенном гидравлическом прыжке транзитная струя апериодически то отрывается от дна, то возвращается в придонное положение, совершая колебательные движения в вертикальной плоскости. Это колебательное движение самовоспроизводится. Отрыв транзитной струи и особенно ее колебательное движение вызывают дополнительные потери энергии в гидравлическом прыжке.

Колебательное движение транзитной струи определяет разные условия скатывания масс жидкости по ее поверхности, что отража91

ется на длине поверхностного вальца, постоянно изменяющейся. Разница в длине вальца при крайних положениях транзитной струи достигает 50 %.

Местоположение транзитной струи в потоке сказывается на высотных характеристиках прыжка. Когда струя занимает крайнее верхнее положение, отметка поверхности воды в сечении 2-2 выше бытовой отметки в отводящем русле. А когда струя занимает крайнее нижнее положение, названная отметка понижается. Колебательное движение струи и изменение высотных размеров прыжка во времени вызывают возникновение волн в НБ.

Максимальное расширение транзитной струи достигается в сечении, в котором глубина транзитной струи Лт равна критической глубине Лк, а не глубине потока отводящего русла. За этим сечением транзитная струя перестает существовать, а само сечение примерно соответствует сечению 2-2, где заканчивается поверхностный валец и глубина потока становится в среднем равна глубине потока отводящего русла.

Длина участка потока между сечением 1-1, в котором транзитная струя втекает в спокойный поток, и сечением 2-2, в котором струя достигает своего минимума энергии, является интенсивной зоной перехода движения струи из бурного состояния в спокойное. Эту длину потока следует называть длиной гидравлического прыжка - /п, хотя устоявшееся представление прыжка требует считать за длину прыжка длину поверхностного вальца. На самом деле конец прыжка не совпадает с концом поверхностного водоворота, который может располагаться и выше и ниже по течению от конца прыжка. В частном случае осредненная длина поверхностного водоворота может равняться длине перехода потока от бурного состояния в спокойное, когда струя занимает придонное положение.

Совершенный гидравлический прыжок образуется, когда соблюдается любое из условий

Число Фруда Fr или параметр кинетичности Пк вычисляется по формуле

aV^

Рг = Пк = — , gh

где V- средняя скорость в сечении потока с глубиной h. Значение скорости вычисляется по формуле

где q = — - удельный расход, т. е. расход, приходящийся на еди-

Ъ

ницу ширины потока, т. е. когда Ь= 1\ Q - суммарный расход воды в сечении потока.

Зависимости для определения высотных характеристик прыжка получены из теорем количества движения или энергии с учетом колебательного отрывного движения струи, ее искривления и появления центробежных сил, когда во втором сечении учтено действительное количество движения, взамен фиктивного по старой модели гидравлического прыжка.

Когда струя занимает крайнее верхнее положение

Это будут максимальная и минимальная глубины в конце прыжка. Перепад между этими глубинами вызывает образование волн в НБ, и он равен 0,45Ак.

Бытовая глубина необходимая для поддержания прыжка в предельном положении, когда его начало приходится на сжатое сечение с глубиной he, должна соответствовать осредненной глубине ^"ср, определяемой по формуле, т. е. h"^ =

Гидравлический прыжок будет отогнанным^огда

а затопленным - когда

rop<ft6. (12.4)

Значение критической глубины А* в прямоугольном сечении потока вычисляют по формуле

(12.5)

g

где q = — - удельный расход; g - ускорение свободного падения;

Ъ

а - коэффициент Кориолиса, а = 1,05.

Как отмечено выше, за длину гидравлического прыжка /„ надо принимать длину участка потока, на которой транзитная струя интенсивно переходит из бурного состояния в спокойное. В связи с этим длина прыжка /„ равна

(.2.6)

tga

где а - угол расширения транзитной струи, значение угла а, полученное экспериментально, равно 3°30' [16].

С учетом угла а = 3°30' формула (12.6) преобразуется

l,=\6,l{K-h'). (12.7)

Формула (12.7) отражает длину прыжка, когда транзитная струя находится в крайнем нижнем положении, и тогда глубина в конце прыжка в среднем равна глубине в НБ, а глубина транзитной струи в этом сечении равна критической глубине hк, т. е, второе сечение совпадает в среднем с сечением, в котором заканчивается поверхностный валец.

Большая часть формул для определения длины совершенного гидравлического прыжка относится к этому частному случаю местоположения транзитной струи, т. е. когда струя пребывает в придонном положении. Широко известны формулы:

где Fk - средняя скорость потока в сечении с глубиной, равной критической Лк^

Для транзитной струи корректив кинетической энергии а = = 1,05... 1,1. После распада транзитной струи оставшаяся ее кинетическая энергия, т. е. энергия распадающихся струй, тратится на создание поступательного движения всего потока в начальной стадии его образования на расстоянии, которое называется послепрыжковым участком.

Теряемая на послепрыжковом участке энергия Эпп определяется

Сумма АЭп + АЭпп есть полная энергия, теряемая потоком в прыжке и на послепрыжковом участке, и она определяется

Описание опытной установки

Исследование проводится в гидравлическом лотке, описание которого дано в лабораторной работе № 10. Образование бурного потока обеспечивается истечением из-под щита, щит при необходимо-

сти может вертикально перемещаться с помощью подъемного механизма. Необходимое изменение бытовой глубины для образования отогнанного, затопленного прыжков и прыжка в сжатом сечении обеспечивается с помощью затвора-жалюзи, установленного в конце лотка. Для измерения глубин в потоке используется игольчатый уровнемер, перемещающийся по бортам лотка.

Порядок выполнения работы

1. Подъемным механизмом щит приподнять над дном лотка на высоту 2-3 см.

2.После включения насоса, питающего напорный бак, открыть задвижку на подводящем трубопроводе (см. лабораторную работу

№10), чтобы перед щитом установился напор Я, необходимый для истечения бурного потока.

3.Расход воды в лотке измерить с помощью водослива Томсона (как и в лабораторной работе № 4) и результаты измерения занести

втабл. 12.1.

V,CM

4. Регулируя открытие затвора-жалюзи, в НБ установить бытовую глубину Аб , необходимую для образования отогнанного совершенного гидравлического прыжка. При этом игольчатым уровнемером зафиксировать отметки дна лотка V] (см. рис. 12.2)

приведены результаты вычисления высоты прыжка, числа Фруда в первом сечении, критерий прыжкового сопряжения.

5. Увеличивая глубину в лотке с помощью затвора-жалюзи при постоянном расходе последовательно добиваются образования прыжка в сжатом сечении и затопленного прыжка. При этом игольчатым уровнемером зафиксировать отметки свободной поверхности потока за прыжком в сечении 2-2 и замеры занести в табл. 12.3, в которой представлены и критерии прыжкового сопряжения для этих условий.

6. Измерить среднюю опытную длину прыжка !„ и занести ее в табл. 12.4, в которой также представлены результаты вычисления /„ по формулам для сопоставления опытных данных с теоретическими.