bonchosmolovskaya_n_e_mehanika_zhidkosti_i_gaza_laboratornyi

Z, см

Ф

Лт.см

6.По опытным данным в масштабе на миллиметровой бумаге вычертить схему быстротока с линиями критической (К-К) и нормальной (N-^N) глубин и по опьггным и теоретическим глубинам в сечениях построить обе кривые свободной поверхности воды на водоскате (опьггную и теоретическую). Определить тип кривой.

7.В целях сопоставления кривых вычислить в процентах отклонения ординат АЛ теоретической кривой свободной поверхности воды от ординат опытной кривой и результаты внести в табл. 18.8:

/ir, см h, см А/г%

Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 1 9

ИЗУЧЕНИЕ ДВИЖЕНИЯ ВОДЫ В ПРЕДЕЛАХ ДВУХСТУПЕНЧАТОГО ПЕРЕПАДЛ КОЛОДЕЗНОГО ТИПА И ПРОВЕРКА УСЛОВИЙ СООТВЕТСТВИЯ МОДЕЛИ СООРУЖЕНИЯ ПРОПУСКАЕМОМУ РАСХОДУ

ВОДНОГО ПОТОКА

Цель работы

1. Наблюдение движения потока на модели перепада при различных сбросных расходах, когда длина ступеней достаточна, и в случае, когда длина их недостаточна.

2.Подбор основных размеров модели перепада, в наибольшей мере соответствующих опытному расходу в условиях нормальной работы перепада.

3.Выполнение измерений, необходимых для построения продольного профиля свободной поверхности потока в пределах перепада при опытном расходе.

4.Проверка на основе гидравлического расчета основных размеров модели перепада при опытном расходе воды.

Общие сведения

Перепады устраиваются на каналах, пролегающих на местности, имеющей большой уклон. Благодаря устройству перепада можно уменьшить величину уклона дна канала и тем самым снизить в нем скорость движения воды. Иногда перепады входят в комплекс гидротехнических сооружений различного назначения. При сооружении автомобильных дорог перепады применяются в кюветах,на косогорах, на выходе потока из-под мостов и труб, при сбросе воды из водоотводных каналов в пониженные места и т. п. В зависимости от высоты падения местности перепады могут быть одноступенчатыми и многоступенчатыми, колодезного и бесколодезного типа. В местность лучше вписываются перепады колодезного типа.

Двухступенчатый перепад колодезного типа представлен на рис. 19.1.

вения затопленного гидравлического прыжка. В значительной мере этой цели способствует устройство водобойной стенки или уступа в конце водобоя, при этом же сокращается длина водобойной части.

Из вышесказанного становится ясным, что у многоступенчатых перепадов колодезного типа гидравлическому расчету надо подвергать только три ступени - первую, вторую и последнюю, так как условия протекания воды в пределах этих ступеней различные. Условия протекания на промежуточных ступенях такие же, как и на второй ступени. Поэтому промежуточные ступени не рассчитывают, а размеры их принимают такими, как и размеры второй ступени.

На водобоях перепадов колодезного типа предусматривается образование подпертых гидравлических прыжков, начало которых совпадает со сжатым сечением или с незначительным затоплением сечения. Степень затопления принято характеризовать коэффициентом запаса (или коэффициентом затопления) а^, представляющим собой отношение затапливающей глубины h^^ ко второй сопряженной глубине прыжка И', т. е. а, = h^J К' Значение О3 принимают аз=1...1,1.

Длину водобоя увязывают с длиной подпертого прыжка, а не с наличием водоворотных областей и их размерами - как в прошлые годы. Это означает, что водобой надо устраивать только там, где наблюдается бурное движение потока. Конец этого потока совпадает с сечением, в котором транзитная струя достигает минимума энергии, т. е. с местом, где начинается спокойное движение потока. Глубина транзитной струи в этом сечении равна критической глубине (Ат = Ак)- Очевидно, что под подпертым прыжком надо понимать такой прыжок, в котором транзитная струя перед гасителем успевает расшириться до критической глубины при наличии достаточно развитого поверхностного водоворота.

Подпертые прыжки образуются в результате дополнительного воздействия на поток гасителей энергии. Это воздействие характеризуется: 1) совместным влиянием на поток гасителя энергии и давления воды в отводящем русле; 2) только реактивным действием гасителя; когда уровень воды в НБ не влияет на образование подпертого прыжка, последний называют самообразующимся (см. рис. 19.2).

На водобоях перепада предусматривают несамообразующиеся подпертые прыжки (рис. 19.3).

N

XI

б)

Геометрические размеры элементов перепада колодезного типа, а именно - высоты водобойной стенки, глубины водобойного колодца, длины водобоев определяются гидравлическим расчетом по заданному или расчетному расходу воды. Если ориентироваться на общепризнанную схему подпертых прыжков (рис. 19.4), то гидравлический расчет надо выполнять при рассмотрении движения воды из водобойного колодца, аналогичного ее движению через водосливы за счет перепада уровней AZ перед гасителем и за ним.

Рис. 19.4

Согласно же новейшим исследованиям нижнего бьефа движение воды за гасителем, когда прыжок находится в предельном положении (см. рис. 19.3), происходит не за счет превращения потенциальной энергии АЭ в кинетическую, а за счет кинетической энергии транзитной струи. Энергия струи частично диссипируется, а частично затрачивается на создание первоначального движения на послепрыжковом участке. Перепада AZ не наблюдается. Уровни воды на гасителе и за ним выше, чем перед гасителем.

Для сопряженных глубин подпертых прыжков записывают теорему количества движения, но в традиционное уравнение согласно новой модели прыжка надо дополнительно ввести члены, учитывающие:

1)реакцию гасителя;

2)центробежные силы инерции;

3)импульс турбулентных напряжений;

4)изменение количества движения в объеме прыжка в зависимости от изменения скоростей в точках по времени.

При учете реакции гасителя в уравнение войдет высота гасителя <3?- высота стенки Рс или высота водобойного уступа колодца do-

Преобразованное исходное уравнение, записываемое относительно второй сопряженной глубины непосредственно у гасителя, имеет вид 156

где d - высота гасителя (высота водобойной стенки или высота водобойного уступа, т. е. глубина колодца); А' - первая сопряженная глубина, равная глубине потока в сжатом сечении he, К - критическая глубина, вычисляемая по формуле

ент:а=1,05.

Глубина в сжатом сечении h^ определяется из основного уравнения теории сопряжения бьефов, получаемого на основе уравнения Бернулли

(19.3)

где Ео - полная энергия в левой части уравнения Бернулли, значение Ео будет определяться в разделе «Обработка опьггных данных»; Ф - коэффициент скорости, учитывающий потери напора между рассматриваемыми сечениями потока, которые связываются уравнением Бернулли.

Уравнение (19.3) можно решать методом последовательных приближений. Значение к^^у) в первом приближении вычисляется по выражению

Значение Лс(2) во втором приближении

(19.5)

Количество приближений должно быть таково, чтобы расхождение между значениями последующего и предшествующего вычислений не превышало 5 %.

По уравнению (19.1) можно определять высоту гасителя, если известна вторая сопряженная глубина подпертого прыжка на водобое И'\

(19.6)

Уравнение (19.1) содержиг два параметра - вторую сопряженную глубину А" и высоту гасителя d, значения которых надо определить.

Поскольку в разделе «Цель работы» указывается на необходимость подбора размеров элементов модели, то при выполнении расчетов по настоящей работе можно считать высоту водобойной стенки заданной и с учетом ее величины вычислять А" по уравнению (19.1).

Можно предварительно вычислить значение второй сопряженной глубины на первом водобое h" по уравнению гидравлического прыжка старой модели:

а затем, подставляя это значение в уравнение (19.6), определить требуемую высоту водобойной стенки.

При расчете глубины водобойного колодца на второй ступени перепада в качестве второй сопряженной глубины принимается сумма

где Ас - сжатая глубина на водобое второй ступени перепада, её значение определяется в разделе «Обработка опытных данных»; Аб - бытовая глубина, известная по данным измерений.

Горизош-альные размеры сооружения представлены длиной водобоев. Из рис. 19.1 видно, что длина водобоя складывается из длины подпертого прыжка /„.„р и дальности отлета струи /„ '

(19.9)

Длина подпертого прыжка при истечении через водосливы определяется по формуле

где Р - коэффициент, учитывающий влияние гасителя на длину прыжка, Р = 0,7...0,8; т - коэффициент расхода водослива; для водобойной стенки прямоугольного очертания т = 0,42; для водослива с широким порогом значение т устанавливается по справочным данным, приводимым в лабораторной работе № 15; Р ~ высота стенки падения; Но - полный напор на водосливе:

ный расход; Ъ - ширина сечения потока).

Длина отлета струи /„ зависит от условий истечения через водосливы.

При переливе струи через водослив с широким порогом (входная

Когда струя переливается через водослив со стенкой практиче-

Описание опытной установки

Работа проводится в гидравлическом лотке (см. лабораторную работу № 10) на модели двухступенчатого перепада колодезного типа (см. рис. 19.1).

Размеры модели замеряются в процессе проведения работы. Предусматривается возможность изменения размеров модели.