1.3. Основные правила к выбору размеров модели сооружений

При изготовлении модели инженерного сооружения основной величиной становится геометрический масштаб моделирования δ_l. Чем больше δ_l (чем меньше размеры модели по сравнению с сооружением), тем опыт дешевле. Но при выборе величины δ_l обязательно должны быть выполнены следующие условия:

1. Сила тяжести должна оставаться доминирующей и определять, в основном, характер течения.

2. Обработка поверхности модели, соприкасающейся с водой, должна создавать равенство коэффициентов Шези С_м=С_н (т.к. δ_с=1). Требуемый коэффициент шероховатости модели п_н может быть вычислен так

п_м=п_н / δ_l (4)

3. На модели должна сохраняться квадратичная зона сопротивления с числом Рейнольдса потока

, (5)

где R – гидравлический радиус;

 - абсолютная шероховатость.

Из (5) следует, что принятый масштаб моделирования δ_е должен удовлетворять условию (6)

4. Размеры и конструкция измерительных приборов и устройств, применяемых при изучении потока на модели, не должна вносит заметных изменений в его характер.

2.Гидравлические исследования моделей сооружений

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

Исследование гидравлического прыжка

1. Общие сведения

Различают спокойное и бурное состояние открытого потока.

Состояние открытого потока в каком-то сечении обычно определяют путем:

1) вычисления параметра его кинетичности:

(7)

где: Q - расход потока;

α- коэффициент Кариолиса, α=1,1;

g – ускорение силы тяжести;

– ширина сечения потока по свободной поверхности;

- площадь живого сечения;

2) сравнения глубины потока h с критической глубиной h_к

При этом соблюдаются следующие условия:

а) для потоков в спокойном состоянии

и

б) для потоков в бурном состоянии

и

По длине русла в зависимости от очертания его продольного профиля поток может переходить из одного состояния в другое. При этом поток переходит из спокойного состояния в бурное путем плавного уменьшения глубины, а из бурного состояния в спокойное – резким увеличением глубины.

Гидравлическим прыжком называется явление резкого увеличения глубины потока при переходе его из бурного состояния в спокойное (рис. 1)

Рис. 1

Принято считать, что гидравлический прыжок происходит между ближайшими к нему сечениями потока, движение в которых можно считать плавноизменяющимся. Глубины потока в этих сечениях называют сопряженным (первая сопряженная глубина - в сечении до гидравлического прыжка и вторая сопряженная глубина – в сечении после гидравлического прыжка).

Если соблюдаются условия, что и , то на наклонной поверхности тела гидравлического прыжка образуется поверхностный валец. Такой гидравлический прыжок называют совершенным.

Сопряженные глубины совершенного гидравлического прыжка характеризуется равенством значений прыжковой функции , величина которой может быть вычислена по формуле:

(8)

где: - коэффициент Буссинеска, ;

– глубина погружения центра тяжести сечения, а остальные обозначения прежние.

Минимум прыжковой функции , как и удельной энергии сечения Э(h), наблюдаются при критической глубине.

Для русел прямоугольной формы сечения шириной « » расчетные формулы получаются следующими:

Критическая глубина:

(9)

Параметр кинетичности:

(10)

Прыжковая функция:

(11)

Соотношение между сопряженными глубинами:

а) при известной второй сопряженной глубине h₂

(12)

б) при известной первой сопряженной глубине h₁

(13)

Потери удельной энергии в гидравлическом прыжке:

(14)

Высотой гидравлического прыжка считают разницу сопряженных глубин:

(15)

Длину прыжка – определяют по эмпирическим формулам; наибольшее распространение получили:

а) формула Н.Н. Павловского

(16)

б) формула М.Д. Чертоусова

(17)

в) формула Б.А. Бахметьева

(18)

Если и , то поверхностного вальца на теле прыжка не образуется, а поверхность воды за прыжком принимает волнистый характер в виде ряда затухающих волн. Такой гидравлический прыжок получил название прыжка-волны (рис. 2)

Рис. 2