Исследование кривых свободных поверхностей потока при неравномерном плавно изменяющемся установившемся движении в призматических руслах.
1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Определить критический уклон iкр, критическую глубину hкр, нормальную глубину потока. Установить вид кривой свободной поверхности потока в призматическом русле прямоугольного сечения и энергетическое состояние потока.
2. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Русла называются призматическими, если они не изменяют свою форму по длине потока. К призматическим руслам относятся искусственные сооружения - каналы, лотки. При движении жидкости в призматических руслах формируются различные типы кривых подпора или спада. При увеличении глубин потока в русле происходит формирование кривой подпора, при уменьшении глубин потока формируется кривая спада. В первом случае происходит уменьшение скоростей по его длине, во втором - их увеличение. Увеличение глубин и уменьшение скоростей потока приводит к заилению каналов, а уменьшение глубин и увеличение скоростей вызывает размыв русла. Все эти случаи требуют дополнительных мер для нормальной эксплуатации каналов.
Тип кривой свободной поверхности потока в призматическом русле при неравномерном движении зависит от величины уклона дна соотношения глубин нормальной h0, критической hKp и текущей глубины потока h.
В работе рассматриваются случаи неравномерного плавно изменяющегося установившегося движения, когда i > 0 и i < iкр. При этом формируется три кривых свободной поверхности потока - две кривых подпора и одна кривая спада (рисунок 2.1). В зоне а глубины вдоль потока возрастают (h > h0> hKp), формируется кривая подпора типа а1 и поток находится в спокойном состоянии (h > hKp). В зоне b глубины вдоль потока уменьшаются (h > ho > hKp), формируется кривая спада типа b1, поток находится в спокойном состоянии (h > hKp). В зоне с наблюдается увеличение глубин потока (ho > hKp > h) формируется кривая подпора типа с1 и поток находится в бурном состоянии (h>hKp).
Рисунок 2.1 - Кривые свободной поверхности потока при i<iкр
Тип кривой свободной поверхности определяется при сравнении уклона дна с критическим уклоном и глубин потока h, ho, hKp.
Критическим уклоном называется уклон, при котором нормальная глубина равна критической. Критический уклон находится из уравнения:
, (2.1)
откуда
, (2.2)
где ωкр - площадь живого сечения потока при ho = hKp, м2;
α - коэффициент Кориолиса (α 
1,1);
Скр - коэффициент Шези при ho = hKp, м0,5/с;
- гидравлический радиус при ho = hKp, м2;
- ширина потока по верху (для прямоугольного русла 
), м.
Нормальная глубина находится методом подбора из формулы Шези
, (2.2)
Критическая глубина для прямоугольного русла вычисляется из выражения
, (2.4)
Состояние потока определяется по параметру кинетичности Пк. При равномерном движении Пк остается неизменным для любых живых сечений потока. При неравномерном движении Пк уменьшается вдоль потока при подпоре и увеличивается при спаде. При <1 — спокойное состояние потока, при Пк > 1 - бурное состояние потока, при Пк= 1 - критическое состояние потока. Параметр кинетичности определяется по формуле
, (2.5)
где V - средняя скорость потока в сечении, м/с;
h - средняя глубина в этом же сечении, м.
3. ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ
Схема опытной установки приведена на рисунке 1.1.
Вода из трубопровода 1 через задвижку 2подается в напорный бак 3. Задвижка 2 служит для изменения расхода на водосливе 5 и в лотке 6. Напор на водосливе 5 измеряется с помощью пьезометра 4. В начале и конце лотка имеются пазы 7 и 8, куда вставляются плоские затворы. Уклон лотка изменяется с помощью винтового подъёмного устройства 9. Вода из лотка 6поступает в ёмкость 10 и через трубопровод 12 попадает в приёмный коллектор. Сетка 13 устанавливается в начале лотка и используется для гашения пульсации потока. В начале лотка имеется водослив-водомер 5, при помощи которого определяется расход воды.
4. ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТ
С помощью винтового устройства 9устанавливается заданный уклон дна лотка 6. В конце лотка в паз 7 вставляется затвор. Открывается задвижка 2, в лотке формируется кривая подпора или спада в зависимости из условия задачи. При установившемся движении потока измеряются отметки уровней воды и дна лотка в заданных створах при помощи шпиценмасштаба.
Расход воды определяется с помощью водослива-водомера 5 по тарировочной кривой Q — f (Н).
Расстояния между створами измеряется сантиметровой линейкой.
Результаты измерений заносят в таблицу 2.1.
| Таблица 2.1 - Опытные данные
|
5. ПОРЯДОК ВЫЧИСЛЕНИЙ
1. Определяются глубины воды в соответствующих створах (таблица 2.1)
.
2. Находится критическая глубина из формулы (2.4).
3. Определяется нормальная глубина потока h0 из формулы Шези (2.3). Расчет по определению глубины h0 ведется в табличной форме (таблица 2.2). По данным таблицы 2.2 строится график Q = f(h) (рисунок 2.2). По известному значению расхода Q (где Q - расход по тарировочной кривой) находится из построенного графика глубина ho.
Таблица 2.2
| h | b | ω=bh | Χ=b+2h | R= ω/χ | C=  | Q=ωC  | Расход по тарировочной кривой |
| м | м | м2 | м | м | м0,5/с | м3/с | м3/с |
5. В таблицу 2.1 заносятся данные iKp, hKp и h0.
6. Сравниваются значения уклонов (i, iKp) и глубин (ht, h0 и hKp).
7. Делается вывод о типе кривой свободной поверхности сформировавшейся в призматическом русле прямоугольного сечения.
8. Определяется состояние потока в призматическом русле (лотке). Вычисляется параметр кинетичности потока Пк по формуле (2.5) для 1, 3, 5 створов
где 
, м/с;
Q - расход по тарировочной кривой, м3/с;
- глубина в соответствующем створе (таблица 2.1), м.
9. По данным таблиц 2.1 в масштабе (Мв 1:5, Мг 1:20) строится продольный профиль с полученным типом кривой свободной поверхности при неравномерном установившемся плавно изменяющемся движением потока в призматическом русле прямоугольного сечения (рисунок 2.3).
о - координаты точек по данным таблицы 2.2;
Q - расход по тарировочной кривой
Рисунок 2.2 - График для определения нормальной глубины поток в лотке
Рисунок 2.3 - Кривая подпора типа а1 при неравномерном установившемся плавно изменяющемся движении потока в лотке прямоугольного сечения
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3