bonchosmolovskaya_n_e_mehanika_zhidkosti_i_gaza_laboratornyi
.pdfПри затопленном истечении гидравлический прыжок в нижнем бьефе отсутствует.
Согласно работе [31] коэффициент расхода практически оста-
а
ется одинаковым для данного открытия затвора (при — <0,8) неза-
Н
висимо от вида истечения.
Описание опытной установки
Работа проводится в гидравлическом лотке, описание которого приведено в лабораторной работе № 10. Вертикальный плоский щит (затвор) поднимается от дна лотка на высоту а = 2-3 см.
Порядок выполнения работы
1. Измерить вьЕСОту открытия затвора а и ширину гидравлического лотка Ъ.
2.Игольчатым уровнемером определить отметку дна лотка.
3.Открытием регулирующей задвижки на трубопроводе установеть необходимый расход воды Q в лотке. Величину расхода определить при помощи мерного водослива Томсона. Подсчитать критическую глубину Лкр (см. лабораторную работу № 12).
Данные по определению расхода, значения Лкр, высоты открытия затвора, ширины лотка и отметки дна лотка внести в табл. 17.1 в графу опыта 1.
Таблица 17.1
|
|
Измерение расхода |
|
ее |
|
|
-Q |
> |
|
|
|
Отметка |
|
|
|
|
|
л |
|
|
Отметка |
|
|
|
|
|
§ |
E-i |
|
|
уровня |
|
|
|
|
|
|||
1 |
вершины |
Напор на |
О) |
|
|
|
« |
О |
|
воды пе- |
а |
l |
l |
Ч |
|||||
о |
|
|
« |
(0 |
|||||
& |
угла во- |
ред водо- |
мерном |
|
|
|
|
№ |
|
|
|
|
|
« |
|||||
S |
дослива |
сливом |
водосливе |
1 |
|
оs |
CO^ 1 |
Я |
|
|
Томсона |
Я ' = У - У о |
|
|
|||||
|
Томсона |
|
3 |
|
|
|
|||
|
Vo |
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
V |
|
|
t) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
4.При помощи затвора-жалюзи, установленного в конце лотка, сформировать глубину потока в нижнем бьефе, способствующую отгону гидравлического прыжка на некоторое расстояние от затвора (щита).
5.При установившемся движении и свободном истечении из-под затвора с помощью игольчатого уровнемера измерить отметки свободной поверхности воды перед затвором и в сжатом сечении нижнего бьефа, отстоящем от затвора на расстоянии, примерно равном высоте открьггия а.
По разности отметок свободной поверхности и дна лотка определить напор перед затвором Я и глубину в сжатом сечении Ас, данные измерений и вычислений занести в табл. 17.2.
6.Некоторым прикрытием затвора-жалюзи в конце лотка и соответствующим увеличением глубины в нижнем бьефе (при тех же значениях расхода Q и высоты поднятия затвора а) гидравлический прыжок надвигается на щит и достигается подтопленное истечение. При этом уровень в верхнем бьефе повышается.
7.При установившемся движении и подтопленном истечении изпод затвора измерить отметки свободной поверхности в верхнем и нижнем бьефах и непосредственно за затвором.
По разности отметок свободной поверхности и дна лотка определить напор перед затвором Я, бытовую глубину h^ и глубину данные занести в табл. 17.2.
8. Для исследования затопленного истечения из-под затвора следует или изменить высоту открытия затвора, чтобы удовлетворялось условие а>кщ, для данного расхода Q, или, оставив прежнее открытие затвора, уменьшить расход воды. Во втором случае затопленное истечение достигается при а = Акр = 2 см пропуском удельного' расхода q = 900 CMVC на погонной длине 1 см ширины гидравлического лотка, при а = Акр = 3 см q = \ 600 см^/с на погонной длине 1 см.
Данные по определению расхода, высоты открытия затвора и значение Акр для затопленного истечения занести в табл. 17.2 в графу опыта 2.
9. Измерениями в верхнем и нижнем бьефах, аналогично изложенным в пп. 5 и 7, определить напор в верхнем бьефе Я и бытовую глубину Аб при затопленном истечении, данные занести в табл. 17.2.
ZPl
00 |
|
0 |
i |
|
ся |
« |
|
а |
л |
1 |
|
§ |
к |
|
§ |
8 |
|
|
0 |
|
Э |
1 |
|
л
Номер опыта
перед затвором V3
в сжатом сечении или за затвором V?
внижнем бьефе V4
всжатом сечении Ас бытовая Лб
^
опытный
по справочнику
опытный
по справочнику
опытный
по справочнику
опытная
по зависимости fl7.5)
опытный
критический
« g>9
iii ilg
1
№
Mil
X sя Йя §о 2 "О"t
•5= '
Q
d 0 m
0 Is ^ 8 1 1
-e
s a
№
slS § = a El'lilNI 01 1 0 Ja T
Обработка опытных данных
1. Определить полный напор перед затвором Яо для всех опытных случаев истечения из-под затвора. Скорость подхода жидкости
к затвору подсчитать по зависимости у^ = -Я-, коэффициент Ко-
ЬН
риолисаа= 1,05.
2.Подстановкой опытных данных по зависимостям (17.2), (17.4)
и(17.7) определить коэффициент расхода ц для всех случаев истечения из-под затвора.
3.При опытной глубине потока в сжатом сечении Ас и высоте открытия затвора а по зависимости (17.1) вычислить коэффициент вертикального сжатия е для случая свободного истечения.
4.По вычисленным в пп. 2 и 3 экспериментальным значениям ц
и8 и зависимости (17.3) определить коэффициент скорости <р для свободного истечения.
5.При подстановке экспериментальных данных в формулу (17.5) с использованием зависимости (17.6) (глубина Ас принимается как для свободного истечения) определить глубину Ih за затвором при подтопленном истечении.
6.Для затопленного истечения определить перепад свободной поверхности ZQ.
Результаты вычислений занести в табл. 17.2 для всех случаев истечений из-под затвора; в таблице для сравнения приводятся также соответствующие справочные значения величин.
По данным опытных измерений для каждого сличая истечения из-под зэ^твора в масштабе выполнить схему опыта с указанием всех основных размеров модели и потока.
Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 1 8
ИССЛЕДОВАНИЕ СВОБОДНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ВОДЫ НА БЫСТРОТОКЕ
Цель работы
1.Сравнение уклона модели быстротока с критическим уклоном.
2.Построение по опытным данным кривой свободной поверхности на быстротоке и определение ее типа.
3.Сравнение глубины потока на входе быстротока с критической глубиной и глубины на выходе быстротока с нормальной глубиной.
4.Расчет по одному из методов теоретической кривой свободной поверхности воды на быстротоке, ее построение и сопоставление с построенной опытной кривой.
Общие сведения
Быстроток относится к сопрягающим сооружениям, которые обеспечивают сопряжение потоков, протекающих на разных уровнях в местах с резким изменением отметок поверхности земли. Он состоит из входной части, рис. 18.1, лотка или водоската с JTOIOHOM i, превышающим критический уклон i^, и выходной части.
Входная часть
^ |
_ |
ВыхсЮная часть |
9 ' / / / / / / / / т
•Лоток (водоспат)
Критическим уклоном называют такой уклон, при котором одинаковыми по значению будут критическая и нормальная глубины в водотоке с неизменным расходом воды. Критическая глубина К соответствует минимальной удельной энергии сечения (см. лабораторную работу № 12) и зависит только от расхода Q, а нормальная глубина Ао является глубиной наполнения водотока при равномерном движении воды в нем и зависит от расхода Q и уклона водотока /.
Входная часть обеспечивает поступление воды на водоскат и выполняется по типу водослива или по типу сооружения, работающего по схеме истечения из-под затвора, и поэтому ее расчет ведется по формуле расхода водослива или по формуле при истечении из-под затвора (см. лабораторные работы № 15, 17).
Водоскат быстротока имеет призматическую форму. Движение воды на водоскате неравномерное. Основной задачей гидравличе-
ского расчета водоската является расчет и построение кривой свободной поверхности воды. В зависимости от соотношения начальной глубины, с которой начинается кривая свободной поверхности на транзитной части быстротока, и нормальной глубины на водоскате могут бьггь различные формы кривой свободной поверхности - и кривые спада, и кривые подпора. Но в любом случае эти кривые асимптотически стремятся к линии нормальных глубин N-N, см. рис. 18.1.
Иногда на водоскатах для специальных целей устраивают искусственную повышенную шероховатость для уменьшения скорости движения и увеличения глубины потока, и тогда движение воды на таких быстротоках возможно даже в спокойном состоянии, т. е. с глубиной, большей критической.
При определенных условиях происходят аэрация потока и волнообразование на быстротоках, но эти условия в данной работе не рассматриваются.
Выходная часть быстротока предназначена для гашения энергии бурного потока, сходящего с водоската, и сопряжения этого потока с потоком отводящего русла. Чаще всего она представляет собой расширяющуюся в плане воронку с водобойным уступом в конце.
Модель опытной установкн
Модель быстротока прямоугольного сечения шириной b устанавливается в гидравлическом лотке с углом между дном быстротока и горизонтальным дном лотка Р ~ 10°, рис. 18.2.
Рис. 18.2
Поступление воды с входной части на водоскат аналогично истечению через свободный водослив с широким порогом.
Порядок выполнения работы
1. После включения насоса, подающего воду в напорный бак, открытием регулирующей задвижки на питающем трубопроводе установить необходимый расход воды в гидравлическом лотке.
2. С использованием измерительного водослива, установленного в мерном лотке, измерить расход воды (подробнее см. лабораторную работу № 4) и данные по измерению расхода занести в табл. 18.1.
|
|
|
Таблица 18.1 |
|
Отметка вершины |
Оплетка свобод- |
Напор на |
Измеренный |
|
треугольного изме- |
ной поверхности |
|||
водосливе |
расход воды |
|||
рительного водосли- |
юды перед водо- |
|||
V2-VbCM |
а л/с |
|||
ва Vi, см |
сливом V2, см |
|||
|
|
3.С помощью затвора-жалюзи, установленного в конце лотка в нижнем бьефе, установить глубину потока h , необходимую для образования отогнанного совершенного гидравлического прыжка.
4.При установившемся движении воды на быстротоке игольчатым уровнемером зафиксировать отметки дна модели и свободной поверхности на входе, в сечениях 1-1, 2-2, 3-3 и на выходе с водоската. Одновременно измерить расстояния от входного сечения на водоскате до сечений 1-1, 2-2, 3-3 и выходного сечения. Расстояние L от входного до выходного сечения есть длина водоската.
По разности отметок определить глубины h в соответствующих сечениях и уклон дна быстротока / . Результаты измерений и подсчетов занести в табл. 18.2.
|
Расстояние |
Отметка |
Отмепса |
Глубина |
|
Место измере- |
от входного |
свободной |
днаводо- |
||
|
|||||
ния |
сечения во- |
поверхно- |
CKai-aV, |
см |
|
|
доската, см |
сти V', см |
см |
||
|
|
||||
Навходе водо- |
|
|
|
|
|
ската |
|
|
|
|
|
В сечении 1-1 |
|
|
|
|
|
В сечении 2-2 |
|
|
|
|
|
В сечении 3-3 |
|
|
|
|
|
На выходе с |
|
|
|
|
|
водоската |
|
|
|
|
|
Длина водоската L = |
см. |
|
|
||
Обработка опытных данных
1. Вычислить уклон дна водоската i = sinp, т. е.
i— VВХ - V вых
2.Вычислить критический уклон дна по формуле
Хк^
аС^Ь
где b - ширина модели (лотка) быстротока; х - смоченный периметр при глубине потока, равной критической глубине которая вычисляется по формуле
-V
а= 1 - коэффициент Кориолиса (корректив кинетической энергии); g - ускорение силы тяжести; Q - коэффициент Шези, вычисляемый при критической глубине по формуле
п
п - коэффициент шероховатости водоската, значение которого устанавливают по справочным данным [30, 35]; i?K - гидравлический радиус, определяемый по формуле при критической глубине
Лк
(«к - площадь живого сечения, при критической глубине
q - удельный расход, равный Q/b .
Результаты вычислений занести в табл. 18.3.
п |
i(Я |
о |
|
S |
|
3S |
|
и (N |
о. |
|
§ |
S |
|||
S |
9 |
S |
и |
|
|||
1 |
|
|
|
|
0 |
„ |
|
|
|
1 |
^ |
|
|
||
а. |
|
о |
|
1 |
I |
||
|
S |
1 |
|
|
|
||
|
|
|
|
1 1 |
|||
|
MQ |
|
|
|
|||
|
S |
о |
|
2 |
|
||
|
|
|
|
О |
|
|
|
Значения
Таблица 18.3
S
(U
X 'Л
о о"
•е-
о
bd
3. Определить значение нормальной глубины ho графическим способом, используя уравнение
(18.1)
замеренные значения расхода воды Qf ширины быстротока Ъ и уклона быстротока /. Для этого задаться произвольными значениями глубины йо , по которой вычислить параметры, входящие в формулу (18.1), и расход воды Q, добиваясь равенства вычисленного расхода измеренному расходу. Результаты вычислений занести в табл. 18.4.
Глубина |
Площадь |
Смоченный |
Гидрав- |
Коэффи- |
Вычис- |
|
лический |
циенг |
ленный |
||||
сечения |
периметр X, |
|||||
h,M |
|
ШезиС, |
расход |
|||
|
м |
м |
||||
|
|
м'^/с |
|
|||
|
|
|
|
По данным табл. 18.4 на миллиметровой бумаге строится график зависимости 0 =ХА), рис. 18.3.
Рис. 18.3
По измеренному расходу бизм снять с графика искомую нормальную глубину на водоскате Ло-
4. Сравнить опытное и вычисленное значения уклонов дна модели быстротока i с критическим уклоном глубины на входе быстротока Авх с критической глубиной h^, так как на входной части быстротока спокойный поток переходит в бурный и это явление сопровождается переходом через критическую глубину; глубины на выходе быстротока Лвы* с нормальной глубиной ho, так как в пределе неравномерное движение воды вырождается в равномерное, которому свойственна нормальная глубина. Результаты внести в табл. 18.5.