Гидравлика (стр. 26 )

3. Как определить расход из-под затвора при свободном, подтопленном и затопленном истечении?

4. От каких величин зависит коэффициент сжатия при истечении из-под затвора?

Работа 26. ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРА

СОПРЯЖЕНИЯ ПОТОКА И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЛИНЫ

КРЕПЛЕНИЯ РУСЛА В НИЖНЕМ БЬЕФЕ ВОДОСЛИВА

ПРАКТИЧЕСКОГО ПРОФИЛЯ

Поток, переливающийся через водослив или вытекающий из-под затвора, всегда за сооружением достигает наименьшей глубины при вступлении его на водобой. Сечение, в котором глубина ниспадающего потока делается наименьшей, называют сжатым. Глубина в сжатом сечении hc независимо от уклона дна отводящего русла меньше критической hK. Таким образом, поток вступает на водобой в бурном состоянии. В зависимости от состояния потока в отводящем русле за сооружением, которое может быть бурным или спокойным, будет наблюдаться различное его сопряжение.

В работе предусмотрено сопряжение переливающейся струи через водослив практического профиля со спокойным состоянием потока в отводящем русле. В этом случае переход от бурного состояния при hc в спокойное с hб произойдет только через гидравлический прыжок, вид которого будет зависеть от кинетичности потока в НБ, а местоположение – от соотношения удельной энергии в сжатом сечении с глубиной hб в отводящем русле.

Удельной энергией потока в сжатом сечении является вторая сопряженная глубина h"c с глубиной в этом сечении, т. е. c hc=h'c. Связь между h"c и hc для русла прямоугольной формы выражается зависимостями (21.3), а для русла произвольной формы – по уравнению прыжковой функции (21.2).

Глубина в сжатом сечении определяется по формуле (23.7) или с помощью вспомогательной функции Ф(), значение которой определяется по формуле (23.8). По величине Ф()определяется относительная сжатая глубина (табл. 9 приложения) и по формуле (23.9) – сжатая глубина.

Сопоставляя энергию потока в сжатом сечении h"c с энергией потока в отводящем русле hб, получим местоположение гидравлического прыжка:

при h"c > hб – прыжок отогнан (рис. 32, а);

при h"c = hб – предельное местоположение гидравлического прыжка (рис. 32);

при h"c < hб – надвинутое местоположение гидравлического прыжка.

При отогнанном местоположении гидравлического прыжка поток на участке отгона находится в бурном состоянии и скорость v достигает значительной величины. В целях устойчивости отводящего русла предусматривается крепление этого участка. Его длина определяется как

lкр = lотг + lпр + lп. п, (26.1)

где lотг – длина отгона гидравлического прыжка;

lпр – длина прыжка;

lп. п – длина послепрыжкового участка.

Так как работа выполняется в лотке с i = 0, то длину отгона рассчитывают по уравнению (20.2). Длина отгона распространяется между глубиной в сжатом сечении hc и первой сопряженной глубиной гидравлического прыжка h' (рис. 32, а). Глубину h' для русла прямоугольной формы рассчитывают по зависимости (21.3) , а для русла произвольной формы – по уравнению прыжковой функции (21.2) , приняв вторую сопряженную глубину гидравлического прыжка h", равную бытовой hб.

Пояснение параметров, входящих в уравнение (20.2), и методика его решения приведены в работе 20.

Длину гидравлического прыжка в зависимости от его вида рассчитывают по формулам (21.4…21.6) или (21.12). Длиной послепрыжкового участка называют длину lп. п, в пределах которой происходит переход осредненных и пульсационных кинематических (скорость) и динамических (давление) характеристик от величин, соответствующих концу гидравлического прыжка, к величинам и распределениям этих характеристик, которые свойственны потоку, находящемуся в невозмущенном (бытовом) состоянии. При этом длина участка перехода к характеристикам плавно изменяющегося движения может быть различна для пульсационных и осредненных характеристик.

Зависимости для определения длины послепрыжкового участка выведены на основе экспериментальных исследований и натурных наблюдений и имеют следующий вид:

по

lп. п = (2,5 . . . 3,0) lпр; (26.2)

по

lп. п = 0,4h6/n, (26.3)

где n – коэффициент шероховатости русла.

Длина крепления отводящего русла при предельном местоположении гидравлического прыжка (рис. 31, б)

lкр = lпр + lп. п. (26.4)

Рис. 32. Схема сопряжения потока в нижнем бьефе водослива

практического профиля: а – отогнанное местоположение прыжка;

б – предельное местоположение прыжка.

При надвинутом местоположении гидравлического прыжка, когда степень затопления составляет производится также крепление отводящего русла, длина которого

lкр = l′пр + lп. п, (26.5)

где l′пр = 6(h"c – hc ) – длина надвинутого прыжка.

При увеличении степени затопления длина крепления может быть уменьшена.

Задачи исследований:

1) продемонстрировать сопряжение потока в НБ сооружения при различном местоположении гидравлического прыжка;

2) определить опытным путем длину крепления отводящего русла при отогнанном, предельном и надвинутом местоположении гидравлического прыжка;

3) сравнить опытную величину длины крепления отводящего русла с рассчитанным по существующим формулам .

Опытная установка. Работа выполняется в гидравлическом лотке с нулевым уклоном (см. рис. 26), в котором установлена модель водослива практического профиля криволинейной или трапецеидальной форм. Для водослива практического профиля криволинейной формы проектный напор Нпр = 0,1 м, а для водослива трапецеидальной формы размеры указаны на схеме, которая вывешена в лаборатории на гидравлическом лотке.

Проведение опытов. В лабораторной работе проводятся три опыта, различающихся между собой местоположением гидравлического прыжка относительно сооружения.

Рекомендуется следующий порядок проведения опытов:

1) задвижкой устанавливается постоянный расход в лотке;

2) замеряется отметка уровня воды на мерном водосливе , и по графику связи Q = f() определяется расход;

3) при маневрировании концевым затвором достигается отогнанное местоположение гидравлического прыжка (рис.32, а);

4) переносным шпицмасштабом замеряются отметки дна лотка, порога водослива, уровней воды в верхнем и нижнем бьефах, в сжатом сечении и непосредственно перед прыжком;

5) мерной линейкой замеряются длина отгона гидравлического прыжка, находящегося между глубиной в сжатом сечении hc и первой сопряженной глубиной гидравлического прыжка h', и непосредственно длина прыжка. Длина послепрыжкового участка устанавливается визуально и замеряется ориентировочно от сечения за прыжком до сечения, где движение потока становится спокойным (рис.32, а);

6) увеличивается глубина потока в отводящем русле, чем достигается предельное и надвинутое местоположение гидравлического прыжка;

7) измерение величин производится в аналогичной последовательности, как и для отогнанного местоположения гидравлического прыжка.

Результаты измерений и наблюдений заносятся в табл. 26.1 журнала лабораторных работ.

Т а б л и ц а 26.1 Результаты измерений и обработки опытных данных

№ п. п.	Наименование	Ед. изм.	Местоположение прыжка
отог- нанное	предель- ное	надви- нутое
1	Расход потока Q	л/с
2	Отметка уровня воды в НБ	мм
3	Глубина воды в НБ hб	см
4	Отметка уровня воды в сжатом сечении	мм
5	Опытная и вычисленная глубины воды в сжатом сечении	см
6	Разность	%
7	Отметка уровня воды перед прыжком	мм
8	Опытная и вычисленная глубины воды перед прыжком	см
9	Разница	%
10	Опытная длина отгона гидравлического прыжка	см
11	Опытная и вычисленная длины прыжка	см
12	Разница	%
13	Опытная и вычисленная длины послепрыжкового участка	см
14	Разница	%
15	Опытная и вычисленная длины крепления русла в НБ	см
16	Разница	%

Постоянные величины: ширина лотка b= см; отметка дна лотка = мм; отметка порога водослива = мм; отметка уровня воды в ВБ = мм; высота порога водослива P = – – = см; напор на водосливе Н = – = см; полный напор Н0 = см; полная удельная энергия Е0=Н0+Р = см.