Гидравлика (стр. 18 )

Рис. 25. Схема гидравлического лотка с переменным уклоном.

Проведение опытов. В работе выполняется три опыта, различающихся между собой расходами потока.

Порядок проведения опытов приведен ниже.

1. При уклоне дна лотка в пределах i = 0,0003...0,0009 определяется высота

hi = il,

где hi – высота опускания лотка относительно горизонтальной плоскости;

l – расстояние от оси поворота лотка до выходного сечения (рис. 25).

2. Подъемным устройством 7 опускается лоток на высоту hi.

3. Задвижкой 4 устанавливается постоянный расход воды в лотке.

4. Замеряется отметка уровня воды на мерном водосливе M и по графику связи Q = f(M ) определяется расход.

5. Шпицмасштабом замеряется глубина в начале лотка. Маневрируя концевым затвором 9, добиваются такой же глубины в конце лотка, а когда глубина h0 в лотке стабилизируется, замеряется ее значение.

При постепенном увеличении расхода потока опыты повторяют.

Результаты измерений и вычислений заносятся в табл. 19.1 журнала лабораторных работ.

Т а б л и ц а 19.1. Результаты измерений и обработки опытных данных

№ п. п.	Наименование	Единица измерения	Номера опытов
1	2	3
1	Расход потока Q	л/с
2	Отметка дна лотка д	мм
3	Отметка поверхности воды п	мм
4	Глубина воды в лотке h0	см
5	Площадь живого сечения	см2
6	Смоченный периметр	см
7	Гидравлический радиус R	м
8	Эквивалентный коэффициент Шези Сэ	м0,5/с
9	Кинематический коэффициент вязкости	см2/с
10	Число Рейнольдса ReR	–
11	Число Рейнольдса Reкв (по формуле)	–
12	Область сопротивления
13	Опытный коэффициент шероховатости	–
14	Справочный коэффициент шероховатости	–
15	Относительная разность	%

Постоянные величины: ширина лотка b = см; уклон дна лотка i = h/ℓ = ; коэффициенты шероховатости: стекла nс = и окрашенного металла nм = ; температура воды t = ˚С.

Обработка результатов.

1. Определяется площадь живого сечения потока = bh0, смоченный периметр χ = b+2h0 и гидравлический радиус R =/.

2. Так как шероховатость по периметру лотка неоднородна, то из формулы (19.3) вычисляется значение эквивалентного коэффициента Шези:

.

3. Из формулы (19.6) определяется значение эквивалентного коэффициента шероховатости:

.

4. Аналогичные вычисления проводятся для всех остальных опытов, по которым строится график связи = f(h0).

5. По справочной литературе принимаются коэффициенты шероховатости для материала лотка (стекло, окрашенная металлическая поверхность) и по формуле (19.9) рассчитывается теоретическое значение эквивалентного коэффициента шероховатости птэ для разных глубин наполнения потока.

6. По данным расчета строится теоретический график связи nтэ = = f(h0) и сопоставляется с опытным, на основании чего делается вывод о применимости расчетной зависимости (19.9).

Контрольные вопросы

1. Объяснить условия равномерного движения жидкости в открытом русле.

2. Написать и объяснить основные параметры зависимости для равномерного движения жидкости.

3. Как определить коэффициент шероховатости при неоднородной шероховатости русла?

4. Почему изменяется эквивалентный коэффициент шероховатости в зависимости от глубины потока?

Работа 20. ФОРМИРОВАНИЕ СВОБОДНОЙ

ПОВЕРХНОСТИ ПОТОКА ПРИ УСТАНОВИВШЕМСЯ

НЕРАВНОМЕРНОМ ПЛАВНО ИЗМЕНЯЮЩЕМСЯ

ДВИЖЕНИИ

При установившемся неравномерном плавно изменяющемся движении жидкости в открытом призматическом русле глубины вдоль потока изменяются. При этом в зависимости от причины нарушения равномерности движения скорости течения в потоке будут или уменьшаться, а глубина потока увеличиваться вдоль по течению – в русле формируется кривая подпора, – или же, наоборот, скорости будут увеличиваться, а глубина уменьшаться – формируется кривая спада.

Расчетные уравнения для установившегося неравномерного движения жидкости в зависимости от уклона дна русла имеют различный вид. Имеющиеся лабораторные установки позволяют исследовать свободную поверхность потока при положительном (i>0) и нулевом (i = 0) уклонах дна русла. Поэтому для этих уклонов и приводятся расчетные зависимости, которые имеют следующий вид:

для I > 0

; (20.1)

для i = 0

, (20.2)

где ℓ1–2 – расстояние между сечениями потока с глубинами h1 и h2;

– переменная величина, зависящая от глубины потока h;

i′ – любой положительный уклон дна русла;

– переменная величина, зависящая от глубины потока h;

Q – расчетный (постоянный для всех сечений) расход;

Q' – фиктивный расход, который пропускало бы данное живое сечение при равномерном движении с глубиной h;

П'к. ср =1/2(П'к1+П'к2) – среднее арифметическое значение параметра кинетичности для первого и второго сечений;

– параметр кинетичности, который для русла прямоугольной формы можно записать в виде

V' – средняя скорость потока, определяемая по фиктивному расходу V' = Q'/;

и – переменные функции, зависящие от глубины потока h.

При показателе степени х = 2,0 и с = 0 вышеприведенные интегралы являются стандартными и имеют простые конечные решения следующего вида:

(20.3)

(20.4)

Приведенные зависимости (20.1) и (20.2) справедливы как для спокойного, так и для бурного состояния потоков, которое можно определить с помощью критической глубины. Она для русла прямоугольного сечения определяется по формуле

(20.5)

где α – коэффициент Кориолиса. При прямолинейном турбулентном движении в земляных каналах α = 1,10...1,25;

q = Q/b – удельный расход, т. е. расход потока на единицу его ширины.

Пользуясь понятием критической глубины, устанавливают состояние потока: при h > hкp – спокойное; h < hкp – бурное; h = hкp – критическое.

Анализ кривой свободной поверхности потока (СПП) и ее тип устанавливаются на основании общего дифференциально­го уравнения установившегося неравномерного движения:

(20.6)

где к0, к – соответственно расходные характеристики потока при равномерном движении с глубиной h0 и установившегося неравномерного движения с глубиной h, которые рассчитываются по следующим зависимостям: