close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

430. Гидравлика открытых потоков

код для вставкиСкачать
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Воронежский государственный архитектурно-строительный университет »
Кафедра гидравлики, водоснабжения и водоотведения
Гидравлика открытых потоков
Методические указания
к выполнению лабораторных работ
для студентов 2-4-го курсов, обучающихся по направлению 270800
«Строительство» всех форм обучения
Воронеж 2014
УДК 532.1+ 532.5 (072)
ББК 30.123 я 7
Составители
В.Ф. Бабкин, Е.В. Дроздов, В.Н. Яценко, Е.А. Завалина
ГИДРАВЛИКА ОТКРЫТЫХ ПОТОКОВ: метод указания к выполнению лабораторных работ./ Воронежский ГАСУ; сост.: В.Ф. Бабкин, Е.В. Дроздов, В.Н. Яценко, Е.А. Завалина. – Воронеж, 2014. – 34 с.
В методических указаниях “Гидравлика открытых потоков” излагается
теоретическая основа и порядок выполнения лабораторных работ по специальным вопросам гидравлики, которые необходимо знать студентам специальностей: Водоснабжение и водоотведение, строительство автомобильных дорог и
аэродромов, мостов и тоннелей. Рассматриваются вопросы по гидравлики с ооружений и грунтовым потокам, которые проводятся на базе Воронежского
ГАСУ в гидравлической лаборатории кафедры “Гидравлики, водоснабжения и
водоотведения” на имеющихся устройствах.
Предназначены для студентов 2-4-го курсов, обучающихся по направлению «Строительство» 270800 всех форм обучения
Ил. 18. Табл. 14. Библиогр.: 6 назв.
УДК 532.1+ 532.5 (072)
ББК 30.123 я 7
Печатается по решению научно-методического совета
Воронежского ГАСУ
Рецензент - Д.Н. Китаев, к.т.н., доцент кафедры теплогазоснабжения
и нефтегазового дела Воронежского ГАСУ
2
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение………………………………………………………………………..
1. Работа №1 Измерение скорости воды…………………………………...
1.1. Изменение скорости воды в гидравлическом лотке с помощью
гидрометрической вертушки…………………………………………………..
1.2. Измерение поверхностной скорости открытого потока
с помощью поплавков………………………………………………………….
2. Работа №2 Исследование истечение воды через водосливы…………
2.1. Водослив с тонкой стенкой (неподтопленный)…………………….
2.2. Водослив с тонкой стенкой (подтопленный)……………………….
2.3. Водослив с широким порогом (неподтопленный)………………….
2.4. Водослив с широким порогом (подтопленный)…………………….
2.5. Истечение жидкости через водослив практического профиля
(неподтопленный)………………………………………………………………
2.6. Истечение жидкости через водослив практического профиля
(подтопленный)…………………………………………………………………
3. Работа №3 Гидравлический прыжок и сопряжение бьефов…………
3.1. Отогнанный гидравлический прыжок…………………………………
3.2. Затопленный гидравлический прыжок………………………………..
4. Работа №4 Истечение жидкости из-под плоского затвора……………
5. Работа №5 Определение коэффициентов фильтрации песчаного
грунта на приборе Дарси……………………………………………………..
5.1. Ламинарная фильтрация………………………………………………..
5.2. Описание прибора Дарси и методики измерения коэффициента
фильтрации……………………………………………………………………..
Библиографический список……………………………………………………
3
4
5
5
7
11
11
17
18
20
22
23
24
27
27
28
30
30
31
33
ВВЕДЕНИЕ
Методические указания к выполнению лабораторных работ способствуют
более полному усвоению теоретического курса по данному разделу, пониманию процессов прохождения потоков в открытых руслах (реки, ручьи, каналы,
трубы). На лабораторных работах студенты учатся самостоятельно работать с
различными измерительными приборами, обрабатывать данные проводимых,
измерений и исследований конкретных водных объектов, учатся проводить
гидравлические эксперименты, выполнять гидравлические работы и обрабатывать экспериментальные данные, делать выводы.
Для лучшего усвоения материала рекомендуется использовать следующую литературу:[1-6].
Перед выполнением работы следует познакомиться с целью работы,
краткими теоретическими сведениями, заготовить таблицы для занесения лабораторных результатов, изучить последовательность выполнения работы.
После выполнения работы, занесения результатов в таблицы, следует рассчитать гидравлические параметры и добавить их в таблицы.
Анализируя полученные параметры и отвечая на контрольные вопросы,
следует сделать вывод и сдать преподавателю выполненную работу.
4
Работа №1
Измерение скорости воды
1.1.
Изменение скорости воды в гидравлическом лотке с помощью
гидрометрической вертушки
Цель работы
1) изучение устройства гидрометрической вертушки; 2) знакомство с методикой измерения скорости U; 3) измерение поверхностной скорости Uпов с
помощью поплавков; 4) определение переходного коэффициента К от поверхностной Uпов к средней скорости V по потоку.
Краткие теоретические сведения
Устройство (рис. 1) и принцип работы гидрометрической вертушки
Рис. 1. Устройство вертушки:
1 - горизонтальная ось с лопастным винтом ходовой части;
2 - клеммы;
3 - отверстия в корпусе для мерной штанги;
4 - зажимные венты;
5 - хвостовое оперение
В тело вертушки вмонтирован контактный механизм, служащий для регистрации числа оборотов вертушки.
Все вертушки подвергаются тарировке. Существует определенная зависимость между скоростью движения воды в открытом русле и числом оборотов
вертушки в одну секунду, выражаемая формулой
5
(1)
где U - местная осредненная скорость, м/с;
U0 - начальная скорость вращения вертушка;
h - глубина по вертикали лотка, м;
K - коэффициент, зависящий от шага лопастного винта и его формы.
K - коэффициент численно равен тангенсу угла наклона тарировочной кривой к
горизонтальной оси (рис. 2).
U,
м/с
U0
h, м
Рис. 2. Тарировочная кривая вертушки
Исходя из тарировочной кривой для данной вертушки составляется тар ировочная таблица (табл. 1), содержащая значения скоростей движения жидкости в открытом потоке м/с, соответствующих значению h по тарировочной кривой для данной вертушки.
При вращении лопастного винта через 20 оборотов винта замыкается
контактное устройство и через клеммы на вертушке (см. рис.1) по присоединенным проводам передается сигнал (световой или звуковой) на принимающие
устройство. Производя 3-5 замеров в данной точке потока, рассчитываем среднее значение числа оборотов за секунду, используя кривую (рис. 2) и тарир овочную таблицу (табл. 1), прикладываемую к каждой конкретной вертушке.
6
Таблица 1
Результат измерений и вычислений скорости воды
в канале с помощью гидрометрической вертушки
Наименование измеренных и
вычисленных значений параметров
Обозначения, формулы, размерность
Скорость на вертикали
U, м/с
Глубина по вертикали
h, см
Глубина от поверхности воды
0,6h, см
Отсчет по штанге
(h-0,6h), см
Результаты опытов
и вычислений
Время по секундомеру:
1-го приема
t1, с
2-го приема
t2, с
3-го приема
t3, с
4-го приема
t4, с
5-го приема
t5, с
Число оборотов за прием
20 об.
Число приемов за опыт
m
Число оборотов за опыт
N=20m, об.
Время за опыт
t, с
Число оборотов за секунду
Скорость
, об./с
U (по табл. м/с)
1.2. Измерение поверхностной скорости открытого потока
с помощью поплавков
Краткие теоретические сведения
Как известно, основной характеристикой потока является его расход
Q, м /с. Применение поверхностных поплавков обычно используют для определения расхода потока по поверхностным скоростям.
3
7
Как известно, измерение скорости в открытых потоках осуществляют как
по вертикали (рис. 3), так и по горизонтали (рис. 4).
h, м
Uпов.
h1
U1; U2; U3; U4 – местная скорость потока на глубине h1; h2;
h3; h4 от дна;
Uдон. – донная скорость потока;
Uпов. – поверхностная скорость
U1
h2
h3
U2
U3
h4
U4
Uдон..
U, м/с
Рис. 3. Изменение величины местных скоростей U
в вертикальной плоскости для открытых потоков
1
Umax
3
1 - левый урез потока;
2 - правый урез потока;
3 - ось потока;
Umax – максимальная поверхностная скорость в потоке
2
Рис. 4. Изменение скорости движения потока по свободной поверхности
от уреза до уреза
Исходя из вышеизложенного измерение скорости с помощью поплавков
основывается на определении времени (t) прохождения поплавков на рассматриваемом участке L. Поплавки необходимо запускать по свободной поверхности и на оси потока, Uпов и Umax.
Поверхностная скорость рассчитывается по формуле
.
8
(2)
В качестве поверхностных поплавков могут быть использованы различные мягкие предметы (пенопласт, пробка, дерево и т.д.), у которых удельный
вес меньше удельного веса воды.
Для измерения скорости потока с помощью поверхностных поплавков
необходимо выбрать прямой участок открытого потока и разбить створы, как
показано на (рис. 5): один створ пусковой и два промерных.
п
1
2
п-п - пусковой створ;
1-1; 2-2 - промерные
створы;
L - расстояние между
промерными створами
п
1
2
L
Рис. 5. Схема участка открытого потока
для измерения поверхностной скорости
Створы как промерные, так и пусковой должны быть строго перпендикулярны потоку. Поплавки запускаются в пусковом створе на оси потока. При
прохождении промерных створов 1-1 и 2-2 засекается время прохождения поплавками расстояние, равное L.
Необходимо использовать как минимум пять поплавков для получения
более точных результатов.
Соотношение между скоростью потока и его расходом определяется по
формуле
(3)
где - площадь живого сечения, м2;
b - ширина экспериментального лотка, м;
h - глубина воды в экспериментальном лотке, м.
Расход воды в лабораторном лотке определяется измерительным устройством в виде треугольного водослива с тонкой стенкой и углом выреза 90 0 (рис. 6).
9
2
1 - треугольный вырез водослива;
2 - мерная шкала;
Н1 - глубина воды в мерном водосливе;
Н2 - глубина воды от нижней точки
мерного водослива до дна;
Нт - Напор на водосливе
НТ
1
Н1
900
Н2
Рис. 6. Определение геометрического напора на водосливе
Расчетная формула данного типа водослива
(4)
где Нт - геометрический напор на водосливе.
Практическая величина расхода, л/с, устанавливается с помощью таблицы по
измеренному значению Нт - на водосливе, который рассчитывается по формуле
(5)
Для перехода от поверхностной скорости, которую измерили с помощью поплавков, рассчитывают переходный коэффициент К п по формуле
(6)
Все измерения и вычисления записываются в табл. 2.
Таблица 2
Результат измерений и вычислений
Ширина лотка
Обозначения, формулы,
размерность
b, см
Глубина воды в лотке
h, см
Расстояние между промерными створами
L, см
Время прохождения поплавков
t1 , t2 , t3 , c
Наименование
,с
Среднее время
Поверхностная скорость
Uпов, м/с
Напор на водосливе
Нт, см
Расход
Q, см3 /с
Средняя скорость
V, см/с
Переходной коэффициент
Кп
10
Результаты опытов и
вычислений
Контрольные вопросы
1. Расскажите об устройстве геометрической вертушки.
2. Какие типы поплавков используются для измерения скорости потока?
3. Что такое коэффициент К п и как он рассчитывается?
4. Как рассчитывается скорость потока по показаниям гидрометрической
вертушки?
5. Для чего используется мерный водослив?
Работа №2
Исследование истечения воды через водосливы
2.1. Водослив с тонкой стенкой (неподтопленный)
Цель работы:
1. Визуальное наблюдение механизма движения жидкости через водослив
с тонкой стенкой и зарисовка картины движения жидкости.
2. Определения экспериментальным путем коэффициента расхода
, коэффициента подтопления п и сопоставление полученных значений
и пс
расчетными по формулам.
Краткие теоретические сведения
Водосливом называется преграда на пути потока, через которую происходит перелив воды.
Прохождение жидкости через водослив называется “истечение через водослив”.
Обычно такой преградой на пути потока является гидротехническое с ооружение.
Водосливы могут быть классифицированы по форме и относительной
толщине стенки
а) водослив с широким порогом (рис. 7)
11
Рис. 7. Схема водослива с широким порогом
Сооружения этого типа характерны тем, что при переливе через него на
среднем участке гребня Lср движение потока плавно изменяется, а на участке
входа Lвх и слива Lсл поток является резкоизменяющимся.
Р - высота водослива;
δ - ширина водослива;
Н - напор на водосливе.
Для водослива с широким порогом характерно δ/Н>(2/3). Многие дорожные водопропускные трубы (безнапорные) при относительных длинах
L|H≥работают как водослив с широким порогом.
Часть потока, расположенного выше водослива по течению, называется
верхним бьефом. Часть потока, расположенная за водосливом - нижним бьефом.
Гребнем водослива называется линия, проведенная в пределах водосливного отверстия.
При подходе к водосливу скорость потока возрастает, а свободная поверхность понижается.
Н - геометрический (статический) напор на водосливе есть разница отметок гребня водослива и свободной поверхности потока перед ним на расстоянии (3-5) Н;
б) водослив с тонкой стенкой (рис. 8)
Рис. 8. Схема водослива с тонкой стенкой
12
К такому типу водосливов относится сооружения, для которых
δ≤(0,1-0,5) Н на (рис. 8) показана величина z - геометрический перепад на водосливе. Это есть разность отметок свободной поверхности в верхнем бьефе;
в) водослив практического профиля (рис. 9)
Рис. 9. Схема водослива практического профиля
Такие типы водосливов занимают промежуточное положение (между водосливом с тонкой стенкой и водосливом с широким порогом).
Для такого водослива характерно 0,67≤ δ/Н≤(2-3).
У.В.Б и У.В.Б - уровень воды верхнего и нижнего бьефов;
V0 - скорость подхода потока к водосливу, м/с;
Рв - высота водослива, м;
T - бытовая глубина (глубина потока за водосливом), м;
H и z - напор и переход на водосливе, м;
H0 и z0 - напор и переход на водосливе с учетом скорости подхода потока, м.
По характеру сопряжения потока с нижним бьефом водосливы делятся на
неподтопленные (рис. 8) и подтопленные (рис. 10).
Рис. 10. Подтопленный водослив с тонкой стенкой
13
Неподтопленными называется водосливы (см. рис. 8), когда параметры
потока в нижнем бьефе не оказывают влияния на пропускную способность водослива.
Подтопленными являются водосливы, у которых пропускная способность изменяется с изменением уровня воды нижнего бьефа.
Величина расхода жидкости Q - через водослив зависит от геометрического напора Н на водосливе. Между этими величинами существует взаимное
соответствие: Q=f(H).
На рис. 11 показана зависимость Q=f(H) для водослива
Н, м
Н2
Н1
Q1
Q2
Q, м3/с
Рис. 11. Зависимость Q=f(H) для определенного типа водослива
Зная один из параметров Q-H, можно по кривой рассчитать другой параметр. Так, зная Н-напор на водосливе, можно определить Q - расход данного
водослива и наоборот.
Основываясь на этом, водосливы применяются для измерения расходов в
каналах, канализационных трубах и т.д.
Исходя из уравнения Д.Бернулли, была получена формула расхода на водосливе:
(7)
или
(8)
Формулы (7) и (8) получены исходя из того, что истечение через водослив
рассматривается как истечение из большого прямоугольного отверстия в то нкой стенке шириной b и высотой Н,
14
где
и - соответственно коэффициенты расхода и скорости для различных
водосливов;
- условная площадь поперечного сечения, выражаемая через измеряемые величины.
Так для прямоугольного русла
,
здесь b - ширина прямоугольного русла, м;
Н - напор на водосливе (измеряется на расстоянии (3-5)Н от гребня водослива в
верхнем бьефе), м.
После преобразования формулы (7), получается удобная для вычисления
расхода на водосливе формула
(9)
Если поток подходит к водосливу с большой скоростью, то вместо фо рмулы (9) применяют формулу
(10)
где Н0 полный напор на водосливе:
(11)
V0 - средняя скорость движения в верхнем бьефе.
Скорость V0 может быть рассчитана по формуле
(12)
Как показывает опыт, коэффициент расхода на водосливе
рассчитан по формуле
может быть
(13)
Порядок выполнения работы
Измерительной линейкой:
1. Измерить ширину гидравлического лотка;
2. Измерить высоту водослива;
3. Измерить уровень воды в верхнем бьефе hв и нижнем бьефе hн и значение записать в табл. 3.
4. Определить напор на мерном водосливе Нм;
5. Полученные и расчетные данные внести в табл. 3.
Основные расчетные зависимости
Коэффициент расхода водослива можно определить из уравнения (10):
15
(14)
Для этого из опыта определяют: b - ширина водослива, Q - расход жидкости и Н - напор на водосливе.
Коэффициент
может быть рассчитан по эмпирической формуле Базена:
(15)
Данная формула справедлива, когда 0,2 b 2,0 м и 0,05 Н 1,24 м,
0,24 р 1,13 м.
Коэффициент
можно определить по формуле Чугаева:
(16)
Формула применима при р>0,5Н и Н≥0,1 м.
Для подтопленного водослива расход жидкости через водослив уменьшается и может быть определен по формуле
(17)
- коэффициент подтопления, может быть определен по формуле
(18)
Значение коэффициента подтопления
формуле Базена:
можно определить по эмпирической
(19)
Рис. 12. Экспериментальная установка для проведения опытов
16
Таблица 3
Наименование измеренных
величин
1. Ширина лотка
Обозначения, размерность измерений
В=b, м
2. Высота водослива
Р, м
3. Уровень воды верхнего бьефа
hв, м
4. Уровень воды нижнего бьефа
hн, м
5. Напор на мерном водосливе
Нм, м
Значения
вычислений
Q, м3 /с
6. Расход жидкости
7. Коэффициент расхода из опыта
mоп
8. Коэффициент расхода по формуле
mрас
9. Разница (mрас –mоп) в %
2.2. Водослив с тонкой стенкой (подтопленный)
Порядок выполнения работы
1. Поднять щит 4 (см. рис.10) и установить уровень воды в нижнем бьефе
выше гребня водослива, т.е. hп>0;
2. Измерить уровень воды в верхнего бьефа hв и нижнего бьефа hн;
3. По мерному водосливу определить Нм. Измерения занести в табл. 4.
Таблица 4
Наименование измеренных
величин
1. Ширина лотка
Обозначения, размерность измерений
В=b, м
Р, м
2. Высота водослива
hв, м
3. Уровень воды верхнего бьефа
hн, м
4. Уровень воды нижнего бьефа
Нм, м
5. Напор на мерном водосливе
Q, м3 /с
6. Расход жидкости
п оп
7. Коэффициент подтопления из опыта
п рас
8. Коэффициент подтопления по формуле
9. Разница (
п рас – п оп) в
%
17
Значения
вычислений
2.3. Водослив с широким порогом (неподтопленный)
Цель работы
1. Визуальное наблюдение механизма движения жидкости через водослив
с широким порогом и зарисовка картины сопряжения верхнего и нижнего бьефов
неподтопленного (работа № 4) и подтопленного (работа № 5) водосливов (рис. 12).
2. Определение коэффициента расхода водослива
, коэффициента
скорости , коэффициента подтопления п экспериментальным путем и сопоставление полученных значений m, и п с расчетными по формулам.
Основные расчетные зависимости
Для неподтопленного водослива при В=b основным расчетным уравнениям является уравнение
(20)
где - коэффициент скорости; h- уровень воды на пороге водослива.
Для определения коэффициента расхода используем уравнение
(21)
Чтобы определить m из опыта по формуле (21), необходимо знать b, Q, H,
α и V0.
Коэффициент расхода водослива с широким порогом при В=b можно
определить по формуле Березинского:
(22)
Эта формула применима при 2,5≤
≤10 и 0
3. При
m=0,32.
Если входная кромка водослива имеет округленную форму, коэффициент
расхода водослива m, коэффициент скорости можно определить по табл. 5.
18
Таблица 5
Коэффициенты скорости и расхода в зависимости
от условия истечения жидкости
Условия истечения
При отсутствии гидравлических сопротивлений
1
m
0,385
При хорошо подобранной форме входа
0,95
0,365
Порог с закругленным входным ребром
0,92
0,350
При притупленном входном ребре
0,88
0,335
При незакругленном входном ребре (острая кромка)
0,85
0,320
При неблагоприятных гидравлических условиях входа
0,80
0,300
(острое и неровное входное ребро)
Коэффициент скорости
экспериментально определяется по формуле
(23)
Значение коэффициента скорости можно определить по табл. 6 из данных Д.И. Кузьмина, по предварительно найденному коэффициенту расхода m.
Таблица 6
Коэффициенты скорости в зависимости от коэффициента расхода
m
0,30
0,32
0,34
0,36
0,38
0,943
0,956
0,97
0,983
0,998
Подтопленным водосливом считается такой водослив с широким пор огом, когда hп>1,2-hкр , т.е. глубина подтопления hп больше критической глубины
hкр . В случае подтопленного водослива расход жидкости через водослив
уменьшается. Влияние условий подтопления на величину расхода определяется
коэффициентом п:
(24)
19
Коэффициент подтопления определяется экспериментально:
(25)
Порядок выполнения работы
Тот же, что и для водослива с тонкой стенкой. Измеренные и рассчитанные
величины вносятся в табл. 7.
Таблица 7
Результат измерений и вычислений
Обозначения,
размерность
измерений
В=b, м
Наименование измеренных
величин
Ширина лотка
Высота водослива
Р, м
Уровень воды верхнего бьефа
hв, м
Уровень воды нижнего бьефа
hн, м
Уровень воды на пороге водослива
h, м
Значения
вычислений
Нм, м
Напор на мерном водосливе
Q, м3/с
Расход жидкости
Коэффициент расхода из опыта
mоп
Коэффициент расхода по формуле
mрас
Разница (mрас –mоп) в %
Коэффициент подтопления из опыта
п оп
Коэффициент подтопления по формуле
Разница ( п рас – п оп) в %
п рас
2.4. Водослив с широким порогом (подтопленный)
Порядок измерений, как и в работе 2.3. Измеренные и рассчитанные величины вносятся в табл. 8.
20
Таблица 8
Результаты исследования водослива с широким порогом
Уровень воды верхнего бьефа
Обозначения, размерность измерений
hв, м
Уровень воды нижнего бьефа
hн, м
Уровень воды на пороге водослива
h, м
Наименование измеренных величин
Нм, м
Напор на мерном водосливе
Q, м3/с
Расход жидкости
Коэффициент подтопления из опыта
п оп
Коэффициент подтопления по формуле
п рас
Разница (
п рас
–
Значения
вычислений
п оп)
в%
Следует различать:
1. Вакуумные водосливы, когда на поверхности водослива под струей образуется вакуум;
2. Безвакуумные водосливы, когда на поверхности водослива под струей
образуется давление близкое к атмосферному или больше атмосферного;
3. В зависимости от напора Н один и тот же водослив может быть вакуумным и безвакуумным.
Расход через непотопляемый водослив практического профиля рассчитывается по формуле
(26)
где
- глубина воды в сжатом сечении нижнего бьефа;
- полная удельная энергия верхнего бьефа относительно плоскости сравнения, проходящей по дну нижнего бьефа:
(27)
Коэффициент расхода водослива m рассчитывается
(28)
Коэффициент скорости может быть рассчитан по формуле
(29)
21
Расход жидкости для подтопленного водослива практического профиля
определяется по формуле
(30)
Коэффициент подтопления рассчитывается по формуле (31), а также по
эмпирической формуле Базена (32):
(31)
(32)
2.5. Истечение жидкости через водослив
практического профиля (неподтопленный)
Порядок выполнения работы
1. Установить водослив практического профиля:
2. Щитом 4 (см. рис. 10) установить уровень воды для неподтопленного
водослива:
3. Измерить высоту Р и ширину лотка b:
4. Измерить уровень воды в верхнем бьефе hв:
5. Измерить глубину в нижнем бьефе hс:
6. Измерить напор на мерном водосливе Нм:
7. Рассчитать расход, коэффициенты m и . Полученные и расчетные результаты занести в табл. 9.
Таблица 9
Параметры исследования водослива практического профиля (неподтопленного)
Обозначения, размерность измерений
В=b, м
Р, м
hв, м
hн, м
Нм, м
Q, м3/с
m
Наименование измеренных величин
Ширина лотка
Высота водослива
Уровень воды верхнего бьефа
Уровень воды в сжатом сечении
Напор на мерном водосливе
Расход жидкости
Коэффициент расхода из опыта
Коэффициент скорости из опыта
22
Значения
вычислений
2.6. Истечение жидкости через водослив
практического профиля (подтопленный)
Порядок выполнения работы
1. С помощью щита 4 (см. рис. 10) произвести подтопление водослива.
2. Зарисовать картину прохождения потока через водослив;
3. Измерить уровень воды в верхнем бьефе hв;
4. Измерить уровень воды в нижнем бьефе hн;
5. Измерить напор на мерном водосливе Нм.
6. Выполнить расчет. Все полученные экспериментально и расчетные
данные занести в табл. 10.
Таблица 10
Параметры исследования водослива практического профиля (подтопленного)
Наименование измеренных
величин
Ширина лотка
Уровень воды верхнего бьефа
Уровень воды в сжатом сечении
Напор на мерном водосливе
Расход жидкости
Коэффициент подтопления из опыта
Коэффициент подтопления по формуле
Разница ( п рас – п оп) в %
Обозначения, размерность измерений
В=b, м
hв, м
hн, м
Нм, м
Q, м3/с
Значения
вычислений
п оп
п рас
Контрольные вопросы
1. Что такое водослив?
2. Какие критерии классификации водосливов вам известны?
3. Какие водосливы называются подтопленными и неподтопленными?
4. Как рассчитывается расход на водосливе?
5. Как рассчитываются коэффициенты подтопления п и скорости на
водосливе?
23
Работа №3
Гидравлический прыжок и сопряжение бьефов
Краткие теоретические сведенья
Гидравлический прыжок
При прохождении потока в открытых руслах движение потока неравномерное. Для данного типа движения потока существуют понятия бурное состояние потока (при h1 hкр ), где h1 - глубина потока в русле, hкр - критическая
глубина потока, а также спокойное состояние потока (при h2>hкр ).
Явление резкого перехода бурного состояния потока в спокойное называется гидравлическим прыжком.
На (рис. 13) представлена картина совершенного гидравлического прыжка.
Рис.13. Схема совершенного гидравлического прыжка:
К-К – линия критических глубин; h1 – глубина потока в бурном состоянии;
h2 – глубина потока в спокойном состоянии; Lп – длина гидравлического прыжка; а – высота гидравлического прыжка; Lп у – длина послепрыжкового участка
В зависимости от глубины потока в нижнем бьефе hн и энергии при сходе
с сооружения гидравлический прыжок может быть отогнанный (рис. 14).
Рис.14. Отогнанный гидравлический прыжок:
hс – глубина потока в сжатом сечении; h2 – сопряженная глубина;
Lп – длина отгона прыжка.
24
Прыжок может быть надвинутым (рис. 15).
Рис.15. Надвинутый гидравлический прыжок:
Р – высота водослива; Н – напор на водосливе; V0 – скорость подхода потока к
водосливу; z – перепад напоров; t – глубина потока в нижнем бьефе
Прыжок может находиться в предельном состоянии (рис. 16), затопленным.
Рис.16. Предельное состояние гидравлического прыжка:
У.В.Б. и У.Н.Б. – уровень воды верхнего нижнего бьефов; Р0 – высота водослива; Н – напор на водосливе; V0 – скорость подхода потока к водосливу;
t – глубина потока в нижнем бьефе; Н и z – напор и перепад на сооружении;
Н0 и z0 – напор и перепад с учетом скорости подхода потока
Для гидравлического прыжка существует понятие сопряженных глубин
h’-глубина потока в бурунной зоне и h’’- глубина потока в конце водоворотной
(бурунной) зоны. Между сопряженными глубинами существует аналитическая
связь. Для прямоугольного русла и совершенного гидравлического прыжка
применяются следующие формулы расчета:
(33)
(34)
где Пк – параметр кинетического потока:
(35)
- коэффициент Кориолиса.
25
Для определения длины прыжка существует несколько эмпирических
формул.
Формула Пшкалова получена из опыта при Пк>10:
(36)
Павловский определяет длину прыжка по формуле
(37)
Формула Шаумена (35):
(38)
Потеря удельной энергии в прыжке может быть посчитана по формуле
(39)
Сопряжение бьефов
При проектировании и строительстве гидросооружений стараются получить сопряжение верхнего и нижнего бьефов по типу затопленного гидравлич еского прыжка (см. рис. 16).
Расчет начинают с определения глубины потока в сжатом сечении hс, которая определяется по формуле (40), величины Q, b, E0, известны для исследуемого водослива.
(40)
После определения hс, считая ее первый сопряженной глубиной (hс= h’),
для прямоугольного русла по уравнению (31) определяется вторая сопряженная
глубина h’’. Далее необходимо сравнить полученное значение h’’с глубиной
потока в нижнем бьефе hн.
1. h’’>hн значение прыжковой функции θ(hс)=θ(h’’)>θ(hс), это указывает
на то, что удельная энергия потока в сжатом сечении больше, чем энергия потока в нижнем бьефе, что означает отогнанный прыжок. Чем разница больше
между h’’ и hн, тем зона отгона прыжка больше (рис. 14).
2. h’’=hн значение прыжковой функции θ(hс)=θ(h’’)=θ(hс), здесь мы имеем
дело с тем, что прыжок устанавливается непосредственно у сжатого сечения
(рис. 15).
3. При h’’ hн (рис.16) значение прыжковой функции θ(hс)=θ(h’’) θ(hс),
следовательно, удельная энергия нижнего бьефа больше удельной энергии по26
тока в сжатом сечении, т.е. мы имеем дело с затопленным гидравлическим
прыжком.
Таким образом, найдя и зная глубину потока в нижнем бьефе, можно
определить вид сопряжения бьефов.
3.1. Отогнанный гидравлический прыжок
Порядок выполнения работы
1. Измерить ширину гидравлического лотка В=b.
2. Измерить высоту водослива Р.
3. Измерить уровень воды в верхнем бьефе hв.
4. Измерить уровень воды в нижнем бьефе hн.
5. Измерить уровень воды в сжатом сечении hс.
6. Определить напор на мерном водосливе Нм.
7. Измерить длину прыжка Lпр .
8. Измерить длину отгона прыжка Lотг.
Полученные и расчетные данные внести в табл. 11.
Результат измерений и вычислений
Наименование измеренных
величин
Ширина лотка
Высота водослива
Уровень воды верхнего бьефа
Уровень воды нижнего бьефа
Уровень воды в сжатом сечении
Напор на мерном водосливе
Расход жидкости
Длина прыжка из опыта
Длина прыжка расчетная
Разница Lпр рас - Lпр оп,%
Определение второй сопряженной глубины по формуле
Определение разницы h’’-hн
Обозначение, размерность измерений
Таблица 11
Значения
вычислений
В=b, м
Р, м
hв, м
hн, м
hс, м
Нм, м
Q, м3 /с
Lпр оп, м
Lпр рас, м
h’’, м
3.2. Затопленный гидравлический прыжок
Порядок выполнения работы
1. Измерить уровень воды в верхнем бьефе hв.
2. Измерить уровень воды в нижнем бьефе hн.
3. Определить напор на мерном водосливе Нм.
4. Определить расход жидкости Q. Полученные и расчетные данные внести в табл. 12.
27
Таблица 12
Результат измерений и вычислений
Наименование измеренных
величин
Уровень воды верхнего бьефа
Уровень воды нижнего бьефа
Напор на мерном водосливе
Расход жидкости
Определение разницы h’-hн
Обозначение, размерность измерений
hв, м
hн, м
Нм, м
Q, м3 /с
Значения
вычислений
Контрольные вопросы
1. Что такое гидравлический прыжок?
2. Дайте определение бурного и спокойного состояний потока.
3. Как рассчитать длину отгона прыжка?
4. Где образуется валец?
5. Как рассчитываются сопряженные глубины?
6. Что такое прыжковая функция? Как она рассчитывается?
Работа №4
Истечение жидкости из-под плоского затвора
Цель работы
1. Визуальное наблюдение а) свободного и б) затопленного истечения воды из-под плоского затвора;
2. Опытное определение коэффициента расхода потока.
Краткие теоретические сведенья
При свободном истечении воды из-под плоского затвора происходит сжатие потока на расстоянии примерно равном а – высоте отверстия, с глубиной
hc а (рис. 17)
Рис. 17. Истечение потока из-под плоского затвора
а) с образованием отогнутого гидравлического прыжка
б) затопленный гидравлический прыжок.
28
Расход свободного истечения воды из-под плоского затвора может быть
определен по формуле (41):
(41)
где - коэффициент расхода
, т.е.произведение коэффициента сжатия
на коэффициент скорости ; Н0- напор перед затвором с учетом скорости подхода потока; hc- сжатая глубина за затвором;
а- высота отверстия; b- ширина затвора.
Если за затвором образуется затопленный гидравлический прыжок, то истечение будет не свободным (рию17.б), поэтому расчет расхода ведетс я по
формуле (42):
(42)
Порядок выполнения работы
1. В лоток устанавливается затвор шириной b=29см и замеряется величина его отверстия а.
2. Пропускается расход воды Q, определяемый тарировочной мерного
треугольного водослива.
3. С помощью щита в конце лотка устанавливается отогнанный гидравлический прыжок и измеряются глубины Н- перед затвором и hc примерно на расстоянии а за затвором.
4. Поднятием щита в конце лотка устанавливается затопленный гидравлический прыжок и измерения повторяются.
5. По формулам (41) и (42) вычисляются значения коэффициентов расхода для обоих случаев и сопоставляют полученные значения со справочными
данными. Опытные и расчетные данные заносятся в табл.13.
Таблица 13
Результат измерений и вычислений
Наименование измеренных
величин
Высота отверстия
Сжатая глубина после затвора
Глубина потока после затвора для
затопленного истечения
Глубина потока перед затвором
Напор на мерном водосливе
Напор перед затвором с учетом
Расход жидкости
Коэффициент расхода
Обозначения, размерность измерений
а, см
hс, см
h2, см
Н, см
Нм, см
Н0, см
Q, л/с
29
Значения
вычислений
Работа №5
Определение коэффициента фильтрации песчаного грунта
на приборе Дарси
Цель работы
Определение коэффициентов фильтрации опытным и экспериментальным
путем.
Теоретические сведения
Движение жидкости в пористой среде называется фильтрацией. Движение грунтовых вод можно рассматривать как частный случай фильтрации.
Фильтрационные свойства грунтов различны. По способу фильтровать
влагу грунты можно разделить на следующие типы:
1. Однородные, имеющие одинаковые свойства в различных точках своего объема;
2. Неоднородные, имеющие различные свойства в различных точках своего объема;
3. Изотопные, у которых фильтрующие свойства не зависят от направления движения грунтовых вод;
4. Анизатопные, у которых проницаемость различна в разных направлениях.
Фильтрация грунтовых вод может происходить в безнапорном и напо рном режимах.
При безнапорном движении грунтовых вод поток имеет свободную поверхность (депрессионная поверхность) с постоянным давлением на ней (как
правило, атмосферным давлением).
Для напорного движения грунтовых вод характерно, что поток сверху
ограничен водопроницаемым грунтом. Давление в жидкости обычно превышает атмосферное.
В зависимости от природы фильтрующего грунта режим движения грунтовых вод может быть ламинарным и турбулентным. Так, в песчаных и глинистых грунтах наблюдается ламинарная фильтрация, а в галечнике, каменной
наброске- турбулентная.
5.1. Ламинарная фильтрация
В 1855 г. французский инженер Дарси, изучая установившееся равномерное движение грунтовых вод, установил, что расход Q, фильтрующийся через
слой грунта воды, прямо пропорционален площади фильтрации и гидравлическому уклону:
(43)
30
где Q - расход;
k - коэффициент фильтрации - величина, характеризующая фильтрационные
свойства фильтров; он имеет размерность скорости и числено равен скорости
фильтрации при i=1.
I - гидравлический уклон;
- площадь фильтра.
Исходя из того, что
и разделив левую и правую части формулы
(43) на , получим
(44)
Формула (44) называется основным законом фильтрации и формулой
Дарси.
Формула (43) выражает закон ламинарной фильтрации, который имеет
место в мелкозернистых грунтах при условии, что Re≤ Re кр.= 4-12. При нарушении этого условия для крупнозернистых пород имеется в виду турбулентная
фильтрация, когда для области квадратичного сопротивления получается, что
потери напора на единицу длины потока пропорциональны квадрату скорости.
5.2. Описание прибора Дарси и методики измерения
коэффициента фильтрации
Прибор Дарси представляет собой металлический цилиндр (1) с сеткой на
(рис.18) которую укладывается образец грунта.
Рис.18. Схема прибора Дарси
31
Вода поступает в верхнюю часть цилиндра из водопровода через кран (2)
и фильтруется через песчаный грунт в цилиндре сверху вниз, образуя фильтр ационный поток круглого поперечного сечения, который проходит с определенным расходом, регулируемым краном (3), в мерный резервуар (4). Для определения пьезометрических напоров на определенном расстоянии друг от друга
установлены пьезометры (5).
Порядок выполнения работ
Опыт начинается при возникновении установившегося движении потока.
Данное состояние потока фиксируется по изменению уровня воды в пьезометрах и достигается регулировкой кранов (2) и (3).
После того как уровни воды в пьезометрах перестанут изменяться, нео бходимо снять показание этих пьезометров Н1 и Н2 и по ним определить пьезометрический уклон:
(45)
По секундомеру определить время наполнения мерного резервуара (t) на
определенный объем W.
Расход определяют:
(46)
Данные заносятся в табл.14
Таблица 14
Результат измерений и вычислений
Наименование измеренных величин
Диаметр цилиндра
Расстояние между пьезометрами
Показание пьезометров:
1
2
Объем воды в мерном резервуаре
Время по секундомеру
Расход воды
Скорость фильтрации
Пьезометрический уклон
Коэффициент фильтрации опытный
Коэффициент фильтрации по справочнику
Обозначения, размерность измерений
d, см
L, см
Значения вычислений
Н1 , см
Н2 , см
W, см3
t, с
Q, см3 /с
V, см/с
i
Коп, см/с
Крас, см/с
Сравнивая Коп и Крас устанавливают их соответствие друг к другу и объясняют их расхождение.
32
Библиографический список
1. Ботук, Е.Л. Гидравлика / Е.Л. Ботук - М.:Высш.шк.,1962. - с.
2. Калицун, В.И. Основы гидравлики, водоснабжения и канализации/
В.И. Калицун [и др.]. - М: Стройиздат, 1972.
3. Константинов, Н.М. Гидравлика, гидрология, гидрометрия/ Н.М. Константинов, М.А. Петров, Л.И. Высоцкий. - М.: Высшая школа, 1987.
4. Бабкин, В.Ф. Е.М. Черных, В.Н. Яценко, В.Ю. Хузин, ‘’Гидравлика открытых потоков и примеры их решения: учеб. пособие/ В.Ф. Бабкин,Е.М. Черных, В.Н. Яценко, В.Ю. Хузин. - Воронеж, 2005.
5. Справочник по гидравлическим расчетам/ под ред. П.Г. Киселева. –
М.: Энергия, 1974.
6. Бабкин, В.Ф. Инженерная гидрология, гидрометрия, гидравлические и
гидрологические расчеты мостовых переходов и труб: учеб. пособие
В.Ф. Бабкин, В.Н. Яценко, Д.Н. Китаев. - Воронеж, 2008.
33
Гидравлика открытых потоков
Методические указания
к выполнению лабораторных работ
для студентов 2-4-го курсов, обучающихся по направлению 270800
«Строительство» всех форм обучения
Составители:
Бабкин Виктор Филиппович,
Дроздов Егор Васильевич,
Яценко Валентин Николаевич,
Завалина Елена Александровна
Подписано в печать 14. 02.2014. Формат 60 84 1/16. Уч.-изд. л.2,0.
Усл.-печ. л. 2,1. Бумага писчая. Тираж100 экз. Заказ № 54.
_______________________________________________________________________________________________________
Отпечатано: отдел оперативной полиграфии
издательства учебной литературы и учебно-методических пособий
Воронежского ГАСУ
394006 г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84
34
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
213
Размер файла
1 862 Кб
Теги
430, потоков, гидравлика, открытый
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа