1.2.16. Спокійні та бурхливі потоки

Спокійні потоки характеризуються плавною формою водної поверхні. Перепони вони обтікають спокійно, без різких збурень, утворюючи перед ними плавну лінію підйому рівнів. Такий характер течії, як правило, властивий рівнинним річкам.

Вільна поверхня бурхливих потоків відрізняється значною нерівністю, мінливістю, наявністю різких збурених гребенів (підвищень) перед перепоною і відповідними пониженнями за ними. Різкі підвищення (підкидання води) називають гідравлічними стрибками. Вони утворюються у стрімких (бурхливих) потоках перед перешкодами, або при різкому переході від стрімкого до спокійного потоку (різке зменшення похилу дна).

Дослідження спокійної та бурхливої течії прийнято вести через розгляд питомої енергії перетину потоку. Вона може бути визначена з рівняння Бернуллі для потоку реальної рідини:

. (1.121)

Для того, щоб порівнювати цю енергію у різних перетинах потоку виключають вплив Z. Тоді:

, (1.122)

де (1.123)

Тобто енергія гідростатичного тиску виражається просто через потенційну енергію.

При заданій витраті води Q потік може протікати через заданий перетин з різними глибинами (і, відповідно, швидкостями). Оскільки глибини і швидкості однозначно взаєпов’язані, то можемо для Е вибрати тільки один аргумент і записати:

. (1.124)

Якщо дослідити цю функцію, то з використанням (1.122) бачимо, що при . А якщо то і рівняння (1.122) прямує до:

• . (1.125)

Та к и м у м о в а м в і д п о в і д а є ф у н к ц і я , г р а ф і к я к о ї п р е д с т.а в л е н и й н а р и с. 1.42.

Як бачимо, існує точка перетину функції, де при певному (критична глибина). Графік вище критичної точки відповідає спокійній течії, а нижче — бурхливій. При потік знаходиться у критичному (нестійкому) стані.

Можна встановити залежність, якою слід користуватися для визначення критичних характеристик потоку. У критичній точці .

Тоді, при , можемо отримати:

(1.126)

Враховуємо, що , тоді:

, (1.127)

де — ширина критичного потоку, — площа його перетину. Далі:

. (1.128)

Це рівняння критичного стану потоку. За його допомогою можна отримати критерії переходу від спокійного до бурхливого стану:

. (1.129)

Вираз у правій частині при прийнято називати числом Фруда:

, або . (1.130)

Для бурхливих потоків , а для спокійних . Це число можна інтерпретувати як співвідношення між показниками кінетичної та потенційної енергії в перетині потоку. З іншого боку існують трактовки пов’язані з наявністю так-званих хвиль, що зупинилися (стоячих хвиль у потоці). Відомо, що швидкості розповсюдження хвиль на мілкій воді (до якої відносяться руслові потоки) складає . Тоді при утворюються збурені стоячі хвилі. Відповідно можна записати новий (інший) критерій збурення:

. (1.131)

У критичній точці .

Слід також зауважити, що в реальних умовах поперечні перетини потоків самоформуються (розвиваються). Тому дослідження бурхливості течії повинні враховувати цей аспект.

Самі бурхливі потоки також можуть бути не однаковими. При подальшому наростанні швидкостей та поздовжніх похилів русел наступаютьумови коли у потоці утворюються специфічні системи хвиль і мають місце специфічні явища (аерація, кавітація та ін.). В природних умовах розвиток таких потоків досить обмежений. Але у штучних водних об’єктах (гідротехнічних системах) має досить велике значення. Прикладами можуть послужити водозливи високих гребель, швидкотоки, стрімкі водоскидні гідротехнічні тунелі та інші. Кути їх нахилу можуть досягти 40-50°, швидкості течії 30-40 м/с.

Принциповою особливістю відкритих високошвидкісних потоків є виникнення нових, додаткових сил, що пов’язано зі збуреннями вільної поверхні. Ці збурення приводять до локальних викривлень поверхні, викликають аерацію, утворення біжучих хвиль та інші супутні явища. Це супроводжується дією додаткових сил гравітації, поверхневого натягу, сил аеродинамічного опору.

Біжучі хвилі можуть довільно (самовільно) виникати при . Аерація, при збільшенні швидкостей, поступово охоплює все більшу товщину потоку. Повна аерація спостерігається при дуже великих числах Фруда.

У високошвидкісних потоках спостерігається ще одне цікаве явище — кавітація. Умови її виникнення можна знайти з рівняння Бернуллі:

, (1.132)

де h — висота над площиною порівняння. Збільшення швидкості потоку при h = const приводить до зменшення гідродинамічного тиску.

При певній швидкості воно досягає значення тиску (пружності) насиченої пари. Тому всередині потоку можуть утворюватися парогазові бульбашки. Вони порушують нерозривність (суцільність) потоку. Вони можуть самі руйнуватися (захлопуватися) в місцях локального підвищення тиску. Рух оточуючої води до центру бульбашки, при їх руйнуванні, приводить до значного миттєвого збільшення тиску. Він може перевищувати тиск в потоці у 1300 раз. Це може руйнувати матеріали технічних пристроїв та споруд (залізо, бетон та інші).

Найбільш інтенсивним видом руху є водоспади. При відповідних умовах тут спостерігається не тільки аерація, але і значне розпилення (руйнування, знищення цілісності) потоку.

Стрімкість природних потоків не може не впливати на характер транспортування наносів. Це також вносить певну специфіку у процеси розвитку русел та заплав. При переході Fr через одиницю в потоці можуть з’являтися специфічні утворення, пов’язані з рухом наносів — антидюни. Як правило вони розташовані ланцюгами поздовж найбільш інтенсивних струменів потоку. Закономірності їх розвитку досліджують динаміка руслових потоків та теорія руслового процесу. Антидюни (як форми) рухаються проти течії певний час, а потім можуть бути зруйновані. При цьому частки наносів рухаються тільки поздовж течії.

Ще більш інтенсивним рухом характеризуються потоки, що являють собою суцільну суміш води та наносів. Вони формуються при значних поздовжніх похилах водотоків. Це можуть бути селі (в межах суходолу), або намулові потоки (в межах океану).

Намулові потоки досить специфічні. Вони можуть мати швидкості до 25-30 м/с. При цьому у них немає вільної поверхні. Динаміка таких потоків ще вивчається.