3.10.2. Описание экспериментальной установки

Для проведения исследования используют гидравлический лоток, описание которого приведено в разделе 3.7.2.

3.10.3. Порядок проведения опыта

1) В лоток с установленным в нем водосливом подают расход воды Q, при котором >2Н (т.е. водослив будет с широким порогом). При открытом концевом затворе в лотке водослив будет неподтопленным.

2) Мерной иглой измеряют отметки дна лотка, порога и поверхности потока на водосливе.

3) Оставляя расход Q без изменения, увеличивают глубину в нижнем бьефе (НБ) путем частичного прикрытия концевого затвора и улавливают начало подтопления.

В начале подтопления со стороны НБ на водосливе будет повышаться свободная поверхность воды. Когда волна повышения достигает ВБ, напор Н начнет увеличиваться. Начало подъема в ВБ фиксируют предварительно установленной там мерной иглой и измеряют затем отметки поверхности воды.

4) Прикрытием затвора в лотке подтопление увеличивают и снова измеряют отметки поверхности воды.

Измерения нужно выполнять лишь тогда, когда движение полностью установилось, т.е. уровень воды в ВБ не будет изменяться во времени.

5) Подаваемый расход измеряется в начале и в конце опыта с помощью мерного водослива и определяют по тарировочной кривой Q=f(H).

3.10.4. Обработка опытных данных

1. Вычисляют

• глубину перед водосливом ;

• напор ;

• высоту порога ;

• глубину на пороге ;

• критическую глубину по выражению (3.92);

• глубину за водосливом ;

• скорость V_о и полный напор.

Таблица 3.19

Опытные данные

№ опыта	Расход воды Q	Ширина водослива b	Отметка порога водослива 3	Отметка дна		Отметка поверхности воды			Характер истечения
				ВБ 1в	НБ 1н	ВБ 3в	НБ 3н	На пороге 3
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
1									Неподтопленный
2									В начале подтопления
3									Подтопленный

После этого вычисляют коэффициенты расхода, подтопления, скорости и сопоставляют их с данными из справочника. Проверяют условие подтопления водослива.

Рекомендуется исследовать (по разделу УНИРС) влияние перепада восстановления Z_вс на величину коэффициента подтопления , для чего – сопоставить 3–4 значения и .

Таблица 3.20

Результаты вычислений

№ п/п	Показатели	единица измерения	Опытные и табличные данные водослива
			неподтопленного	В начале подтопления	подтопленного
1	2	3	4	5	6
1	Глубина перед водосливом hв
2	Напор Н
3	Высота порога Р
4	Глубина на пороге h
5	Критическая глубина hк
6	Глубина за водосливом hн
7	Скорость подхода Vо
8	Скоростной напор
9	Полный напор Но
10	Коэффициент расхода m из опыта
11	Коэффициент расхода mо­ по справочнику
12	Коэффициент подтопления  из опыта
13	Коэффициент подтопления с по справочнику
14	Коэффициент скорости  из опыта
15	Коэффициент скорости с по справочнику
16	Проверка условия подтопления

Вопросы для самопроверки

1. Каковы условия существования движения жидкости через водослив с широким порогом?

2. Каковы условия подтопления водослива с широким порогом?

3. Какой водослив называют «водослив с боковым сжатием»?

4. Как определить коэффициент расхода через водослив?

5. Как влияет подтопление, боковое сжатие на расход через водослив?

Биографический словарь

Базен Анри Эмиль (1829-1917) – французский ученый, член французского корпуса «Пон э шоссе», член Парижской академии наук (с 1913 г.). Базен был учеником Дарси (1805 – 1858) и после смерти которого закончил его исследования, посвященные сопротивлениям в открытых каналах, дал при этом ( в 1897 г.) известную формулу для коэффициента Шези. Безен изучал распространение волн на поверхности; он провел весьма обширные и точные опыты по истечению через водосливы, установив при этом известные расчетные зависимости, которые не потеряли значение в настоящее время. Им было найдено значение коэффициента Кориолиса a (1865 г.), который он рекомендовал принимать a=1,1.

Бахметьев Борис Александрович (1880-1951 г.) – русский ученый, родился в Тбилиси, окончил Петербургский институт инженеров путей сообщения; стажировался в г. Цюрихе, работал до 1905 г. в США в бюро инженеров – консультантов. По возвращению в Россию работал в Петербургском политехническом институте; вел исследования в области гидравлики и руководил составлением проектов многих гидротехнических сооружений. С 1912 г. возглавил кафедру гидравлики политехнического института. В 1918 г. эмигрировал в США. Б.А. Бахметьев заложил основы современной русской гидравлической школы. Изучал гидравлику водосливов, дал решение ряда задач по неравномерному движению, внес значительный вклад в теорию турбулентности.

Бернулли Даниил (1700-1782) – выдающийся физик и математик. Родился в Гронингоне (Голландия), в 1725…1733гг. жил в Петербурге, являлся профессором и почётным членом Петербургской АН. Здесь он написал знаменитый труд «Гидродинамика», который был опубликован в Страсбурге (Франция) в 1738г., где и даёт вывод уравнения баланса удельной энергии для установившегося движения жидкости, носящего его имя.

Блазиус Пауль Рихард (1883-….) – немецкий учёный, получивший в 1913г. формулу для определения гидравлического коэффициента трения в области «гладких труб».

Борда Жан Шарль (1733-1799 гг.) – французский физик. Геодезист. Автор ряда исследований по гидродинамике, обобщённых в работе «Опыт по сопротивлению жидкостей». В 1766 г. вывел формулу для потерь напора при внезапном расширении, названную его именем.

Вейсбах Юлиус (1806 – 1871) – саксонец, учился в Фрейберге, Гентингепе и Вене. Опубликовал много работ по гидравлике и геодезии. Рассматривал следующие вопросы: математическая теория движения жидкости; сжатие струй; течение воды в трубах; потери напора на местные сопротивления; движение воды через водослив. В решении многих задач использовал уравнение Бернулли, которому придал современную форму.

Вентури Джованни Баттиста (1746–1822) – исследовал истечение жидкости через отверстия и насадки. Предложил принцип измерения расхода.

Дарси Анри Филибер Гаспар (1805-1858) – французский учёный-гидравлик. Исследовал движение воды в трубах с различной шероховатостью, а также распределение скоростей. Предложил первую формулу для расчёта гладких труб. Вёл широкие исследования по ламинарной фильтрации грунтовых вод. Усовершенствовал прибор Пито.

Кориолис Гаспар Гюстав (1792-1843) – французский ученый-механик, член Парижской академии наук (с 1836 г.), директор политехнической школы в Париже; составил современное уравнение неравномерного движения воды в непризматических открытых руслах; имеет труды по теории относительного движения, ввел понятия так называемые силы Кориолиса и ускорения Кориолиса, а так же корректив кинетической энергии .

Манинг Роберт (1816-1897) – ирландский инженер-гидролог и гидравлик, Президент ирландского института гражданских инженеров в Ирландии. Получил формулу для определения гидравлического коэффициента трения в области квадратичных сопротивлений в 1889г. в довольно сложном виде (в формуле присутствовало слагаемое, учитывающее барометрическое давление, но отсутствовал коэффициент шероховатости), которая получила современный вид на основании исследований учёных ряда западных стран.

Исаак Ньютон (1642–1727) – великий английский физик и математик. В области механики жидкости сформулировал закон вязкости или внутреннего трения, открыл явление сжатия струи при истечении через отверстие, исследовал относительное равновесие жидкости, приливно-отливные явления.

Павловский Николай Николаевич (1886-1937) – профессор, академик (с 1932 г.) – окончил Петербургский институт инженеров путей сообщения; с 1921 г. – зав. кафедрой гидравлики Петроградского политехнического института. Издал первый в России гидравлический справочник. Опубликовал более 100 научных работ, в том числе: «Теория движения грунтовых вод под гидротехническими сооружениями и её основные приложения», «Гидравлический справочник», «Курс гидравлики». Преложил метод электромоделирования фильтрационных потоков (метод ЭГДА). Предложил метод построения кривых свободной поверхности потока в каналах и естественных руслах. Принимал участие в создании таких гидротехнических объектов, как Волховская, Днепровская и Свирская ГЭС; проектов орошения долины р. Салгир (Крым), Голодной степи и др. Был организатором ВНИИГ.

Паскаль Блэз (1623–1662) – выдающийся французский математик, физик, философ. Кроме ряда математических работ, установил закон о влиянии изменения внешнего давления в покоящейся жидкости, носящий его имя. Нашёл свойства гидростатического давления, решил вопросы о природе вакуума.

Пито Анри (1695–1771) – французский математик, физик, гидротехник; член Парижской академии наук. В 1732г. изобрёл прибор для измерения скорости в потоке. Этот прибор в дальнейшем получил название «трубка Пито».

Полени Джиованни (1683-1761 г.) – итальянский ученый. Родился в Венеции. В 26 лет становится профессором астрономии университета в Падуе, а затем профессор физики и, наконец, математики. Проявлял широкий интерес к иностранным языкам, философии. Общался со многими научными обществами Европы. Как инженер Полени был консультантом по вопросам водоснабжения и утилизации рек. Большой вклад внес в экспериментальную гидравлику. В 1718 г. измерил коэффициент расхода через отверстие в тонкой стенке, получил значение его m=0,62. Провел исследования с коротким цилиндрическим патрубком (насадок) и установил, что при определенной длине он увеличивает расход по сравнению с отверстием в тонкой стенке. Много уделил внимания изучению гидравлики водосливов с тонкой стенкой.

Прандтль Людвиг (1875-1953 гг.) – один из крупнейших гидроаэродинамиков XX века. Занимался также теорией упругости и другими вопросами механики твёрдого тела. Наиболее значительные результаты получил в области течений вязких жидкостей и газов. Создал полуэмпирическую теорию турбулентности, нашедшую широкое применение. Получил фундаментальные результаты в теории пограничного слоя, проявив при этом уникальную физическую интуицию и глубокое понимание сущности явлений. В Геттингемском университете создал школу гидроаэродинамики, которая известна крупными научными достижениями.

Пуазейль Жан Луи Мари (1799-1868гг.) – французский врач, изучавший законы движения крови. Установил эмпирическую формулу для зависимости коэффициента вязкости воды от температуры, а также опытным путём открыл закон ламинарного течения в трубе.

Рейнольдс Осборн (1842-1912) – английский физик и инженер. Занимался теорией турбулентности. В1894г. Экспериментально установил критерий перехода ламинарного движения в цилиндрических трубах в турбулентное. Он распространил уравнение Навье-Стокса на случай турбулентного движения, введя понятия осреднённых и пульсационных скоростей, турбулентных напряжений. Изучал кавитацию и первый продемонстрировал это явление и объяснил сопровождающий её шум. Внёс большой вклад в развитие гидродинамической теории смазки.

Стокс Джордж Габриель (1819-1903 гг.) – выдающийся английский физик и математик, профессор Кембриджского университета, автор ряда исследований по математике и гидромеханике. Дал вывод уравнения движения вязкой жидкости, исследовал закон медленного движения шара в жидкости и волны на поверхности жидкости.

Торичелли Эванджелиста (1608–1647) – итальянский физик и математик, ученик Г.Галилея, измерил барометром вес атмосферы. Открыл принцип истечения жидкости из отверстий и дал формул, приближенно определяющую скорость истечения жидкости из малого отверстия.

Фруд Уильям (1810-1879) – английский учёный. Занимался исследованиями гидравлических сопротивлений судов на моделях. На основе закона подобия Рида развил теорию моделирования при преобладающем действии сил тяжести. Внёс огромный вклад в изучение пограничного слоя.

Шези Антуан (1718–1798) – сформулировал параметры подобия течения в каналах; являющиеся основой для «формулы Шези».

Эйлер Леонард (1707–1783) – один из крупнейших математиков мира. Швейцарец по происхождению, он длительное время жил и работал в Петербурге (1726-1741 гг.), и с 1766 г. до конца жизни являлся действительным членом Петербургской академии наук. Помимо выдающихся математических работ, Л.Эйлер опубликовал ряд основополагающих результатов по гидромеханике, в том числе дифференциальные уравнения равновесия и движения невязкой жидкости.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Чугаев P.P. Гидравлика. - М.: Энергия, 1982.

2. Киселев П.Г. Справочник по гидравлическим расчетам. - М.: Горэнергоиздат, 1974.

3. Константинов И.М, Петров Н.А, Высоцкий Л.И. Гидрав­лика, гидрология, гидрометрия. - М.: Высшая школа, 1987.

4. Попова М.В. Лабораторный практикум по гидравлике. - М.: Энергия, 1969.