bonchosmolovskaya_n_e_mehanika_zhidkosti_i_gaza_laboratornyi
.pdfгде Э] - удельная энергия сечения в сечении 1-1, вычисляемая по формуле
(12.15)
.-2g
h'
Результаты вычислений энергии и её потерь занести в табл. 12.5.
Таблица 12.5
Потери энергии |
|
|
|
|
<N |
|
Расхождение опьп'- |
г? |
|
|
ных и теоретиче- |
|||
|
|
ских значений по- |
CS |
|
<N |
|
терь энергии |
|
|
<N |
/ АЭр |
•100 |
|
|
|
|
- - 1 |
|
|
Проверить условия образования гидравлического прыжка в сжатом сечении и затопленного прыжка по соотношениям (12.3), (12.4) путем сопоставления глубин А"ср и Ag с занесением результатов в табл. 12.3.
В соответствующие таблицы занести и другие результаты обработки экспериментальных данных.
Вычертить в масштабе участок потока с отогнанным, затопленным гидравлическим прыжком и с прыжком в сжатом сечении (рис. 12.4) с указанием параметров прыжка, отметок дна и свободной поверхности потока.
100
Затопленный прыжок Прыжок в сжатом сечении
Отогаанный гфыжок
Рис. 12.4
Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 1 3
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА РАСХОДА ПРЯМОУГОЛЬНОГО ВОДОСЛИВА С ТОНКОЙ СТЕНКОЙ
Цель работы
1. Экспериментальное определение коэффициента расхода неподтопленного и подтопленного водосливов с тонкой стенкой без бокового сжатия и сравнение их с результатами расчетов по формуле P.P. Чугаева.
2. Наблюдение свободной, отжатой, подтопленной и прилипшей струй при истечении через водослив с тонкой стенкой.
Общие сведения
Водосливом называется безнапорное отверстие, через которое перетекает вода. (Для других жидкостей вместо термина «водослив» применяют термин, соответствующий данной жидкости, например, «нефтеслив»).
Водослив с тонкой стенкой образуется в случае, когда струя воды, переливающаяся черет стенку водослива, формируется под действием только верховой грани этой стенки, а остальные грани - низовая и ограничивающая CTCHIQ' сверху - не оказывают влияния на
101
картину истечения. При вертикальной стенке протекание через водослив с тонкой стенкой происходит, когда ее толщина 6 удовлетворяет условию
8 <(0,1.-.0,5) Я, |
(13.1) |
где Н— 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. 13.1).
а) |
б) |
Рис. 13.1
По форме выреза водосливы с тонкой стенкой подразделяются на прямоугольные, трапецеидальные, треугольные, параболические, водосливы Пебинга и др.
По условиям протекания через прямоугольные водосливные отверстия и в зависимости от соотношения размеров ширины отверстия Ъ и подводящего канала В водосливы могут бьггь: 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 переливающейся струи через водослив с нижним бьефом различают водосливы: 1) неподтопленные, если уровень нижнего бьефа не влияет на истечение (см. рис. 13.1, а); 2) подтопленные, если уровень нижнего бьефа оказывает влияние на истечение (см. рис. 13.1,6).
При истечении через прямоугольный водослив с острым гребнем струя может принимать различные формы: свободную (рис. 13.2, а), отжатую (рис. 13.2 б), подтопленную (рис. 13.2, в) и прилипшую (рис. 13.2, г).
102
'':/•//•/•/'///У//у///•//.//•,
Рис. 13.2
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 струей, т. е. когда под струю свободно поступает воздух. Именно такой водослив прямоугольной формы рассматривается в данной работе.
Прямоугольный водослив с тонкой стенкой всегда будет неподтопленным, если
(13.2)
или
2>Н.
Если же Аб > Рд, то водослив будет неподтопленным лишь при соблюдении следующего условия:
> |
(13.3) |
103
в приведенных выражениях приняты обозначения: Аб - бытовая глубина в нижнем бьефе; Р„ - высота водослива со стороны нижнего бьефа; Z - перепад (разность уровней в верхнем и нижнем бье-
фах); Н - напор; |
относительный перепад; |
- критиче- |
|
|
н укр |
ское значение относительного перепада.
Выражение (13.3) соответствует сопряжению в нижнем бьефе с
так называемым отогнанным прыжком. |
|
|
|
||||
Критическое значение относительного перепада |
р , |
зависит |
|||||
от коэффициента расхода т^, а также от величины |
относительного |
||||||
напора — и |
определяется |
по |
соответствующим |
графикам |
|||
(рис. 13.3). |
|
|
|
|
|
|
|
1.00 |
м |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,75 |
Е |
|
|
|
|
|
|
0.30, |
0,5 |
1.0 |
1,5 |
2,0 |
2,5 |
3,0 |
|
О |
|
||||||
Рис. 13.3
Расход через неподтопленный прямоугольный водослив с тонкой стенкой без бокового сжатия определяется по формуле
Q = rnob^ |
(13.4) |
где /ио - коэффициент расхода с учетом скороста подхода потока к водосливу; b - ширина водослива по ребру; Н~ геометрический напор (без учета скорости подхода).
Расход через подтопленный прямоугольный водослив с тонкой
стенкой без бокового сжатия определяется по формуле |
|
ъп |
(13.5) |
|
где On - коэффициент подтопления, который определяется по зависимости
ап=1,05 1+0,2 К |
(13.6) |
|
Н |
где h„ - превышение уровня воды в нижнем бьефе над гребнем водослива (глубина подтопления).
Коэффициент расхода водослива вычисляется по различным эмпирическим формулам (Базена, Ребока и др.). Наиболее рациональной является формула P.P. Чугаева, предложенная им при условии
Я > 0 , 1 м и Р , > 0 , 5 Я : |
|
|
/ио = 0,402 + 0,054 Н |
• 0,40 + 0,05 н |
(13.7) |
|
в у |
|
где Рв - высота водослива со стороны верхнего бьефа, м.
Описание опытной установки
Опыты проводятся в гидравлическом лотке, описание которого приведено в лабораторной работе № 10 (см. рис. 10.3). К горизонтальному дну лотка крепится модель исследуемого водослива. На бортах лотка установлен игольчатый уровнемер для измерения высоты водослива с тонкой стенкойр, напора Н и бытовой глубины h^.
Атмосферное давление под струей поддерживается воздухопроводящей трубкой. Для регулирования глубины в нижнем бьефе служит затвор-жалюзи 5, установленный в конце лотка.
Порядок выполнения работы
1.Замерить ширину гребня водослива (ширину лотка).
2.Включить центробежный насос, подающий воду в напорный бак. В последнем поддерживается постоянный напор.
3.Открытием регулирующей задвижки 2 на подводящем трубопроводе установить необходимый расход воды в лотке.
4.Под переливающуюся через водослив струю ввести воздухоподводящзто трубку.
5.с помощью затвора-жалюзи установить такой уровень воды в нижнем бьефе, при котором происходит истечение, как через неподтопленный водослив.
6.С помощью того же затвора-жалюзи установить такой уровень воды в нижнем бьефе, при котором происходит истечение, как через подтопленный водослив.
7.Игольчатым уровнемером зафиксировать отметки дна лотка V1, гребня водослива V2, уровней воды в верхнем и нижнем бье-
фах V 3 и V 4 для неподтопленного и подтопленного водосливов.
8.Треугольным водосливом Томсона определить расход воды в лотке (более подробно см. в лабораторной работе № 4).
9.В такой же последовательности провести еще два-три опыта при других расходах.
10.Все результаты измерений занести в табл. 13.1.
Таблица 13.1
|
|
g |
Ш |
ю |
|
|
§ |
|
i |
f |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
1 |
^ |
1 § |
i S |
1 - |
ьг |
i S i |
|
| |
l |
I s |
|
|
|
|
| 1 S |
|
|
||||||||
ЛЕНИЯ |
1 |
| |
| | |
|
II |
Jl |
s |
5 |
^ |
|
|||
1>" |
|
|
|
N |
0, |
a. |
|
1 f 1 l l |
|||||
|
ей |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Вид ПОДТОП- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
I |
S |
|
|
|
1 |
|
M |
M |
|
|
|
Нешд- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
тошенньй |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
водослв |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Псщгоппей- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Hbffl |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
водослив |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
П р и м е ч а н и я . Ширина водослива b = |
|
см |
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
Высота водослива Р = |
|
|
см. |
|
|
|
|
|||
11. Для одного из расходов при истечении через водослив зарисовать схему истечения со свободной, отжатой, подтопленной и щ)илипшей струями, а также схему истечения через неподтоплен-
ный и подтопленный водослив с указанием напора, отметок, уровней и глубин.
12. Для получения отжатой и подтопленной струй удалить воздухоподводящую трубку. Чтобы получить прилипшую струю, необходимо уменьшить напор над гребнем водослива, что достигается некоторым закрытием регулирзтощей задвижки на подводящем трубопроводе.
Обработка опытных данных
1. По разностям измеренных отметок для каждого расхода подсчитать: напор над гребнем водослива Н, высоту водослива р, бытовую глубину глубину подтопления К и перепад Z.
2.По выражениям (13.2) и (13.3) проверить подтопляемость водослива. Полученные результаты занести в табл. 13.1.
3.На основании результатов измерений по формуле (13.4) определить экспериментальные значения коэффициента расхода для неподтопленного и подтопленного водосливов:
" |
- |
^ |
(13.8) |
4.Подсчитать значения коэффициентов расхода по формуле (13.5).
5.Подсчитать коэффициент подтопления а^ по формуле (13.6).
6.Подсчитать коэффициент расхода для подтопленного водослива по формуле
т„ = а,,топ, |
(13.9) |
где коэффициент подтопления а„ определяется по формуле (13.6) и коэффициент расхода Шоп по формуле (13.8).
7. Сравнить найденные экспериментальные значения коэффициентов расхода со значениями, подсчитанными по формулам (13.7) и
г
(13.9). Процент отклонения равен |
- - 1 100 %. |
|
У |
Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 1 4
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА РАСХОДА ВОДОСЛИВА ПРАКТИЧЕСКОГО ПРОФИЛЯ
Цель работы
1.Опытное определение коэффициента расхода т безвакуумного водослива практического профиля без бокового сжатия: а) неподтопленного; б) подтопленного.
2.Сравнение опытного значения коэффициента расхода т с расчётными значениями.
3.Опытное определение коэффициента подтопления а„ и сравнение его значения со справочными.
4.Построение кривой зависимости коэффициента расхода т для неподтопленного водослива от напора И.
5.Наблюдение за характером истечения через другие водосливы практического профиля.
Общие сведения
Водосливы практического профиля занимают промежуточное положение между водосливами с тонкой стенкой и с широким порогом. Большинство современных водосливных плотин выполнено по этому типу водосливов.
Водосливы практического профиля в зависимости от формы поперечного сечения подразделяются на криволинейные, прямо-
угольные, трапецеидальные н полигональные.
Криволинейные водосливы могут быть безвакуумными и вакуумными*. В безвакуумных водосливах низовая грань (или сливная поверхность) очерчена по форме переливающейся струи (рис. 14.1). Давление под струей в этом случае, как правило, выше атмосферного.
* Один и тот же водослив в зависимости от напора Н может работать и как безвакуумный, и как вакуумный.
108
Рис. 14.1
Лучше других удовлетворяет требованиям, предъявляемым к безвакуумным водосливам, профиль, очерченный по координатам Кри- гера-Офицерова.
В вакуумных профилях между нижней поверхностью переливающейся струи и сливной поверхностью водослива образуется область вакуума. Наличие вакуума под струей увеличивает пропускную способность водослива. Однако возможные срывы вакуума приводят к вибрации плотины, преждевременному разрушению ее облицовки и, в частности, к эрозии бетона.
Водосливы практического профиля могут быть без бокового сжатия и с боковым сжатием, неподтопленные и подтопленные. Подтопление водослива и связанное с этим уменьшение пропускной способности имеют место при одновременном наличии следующих двух условий (рис. 14.2):
1) отметка горизонта жидкости в НБ выше отметки гребня водослива, т. е.
hfz > Ри\
2) сопряжение потока в НБ происходит в форме надвинутого прыжка, т. е. h^ > hly,^, где /г^ж ~ так называемая вторая сопряженная глубина (см. лабораторную работу № 12), или при
(z//')<(z/P),p,
где 2 ~ перепад горизонтов воды в верхнем и нижнем бьефах; (г/Р)кр - критическое значение относительного перепада, определяется по рис. 13.3 (см. лабораторную работу № 13).