Результаты обработки опыта

ГИДРАВЛИКА

Часть 2

Методические указания
по выполнению лабораторных работ

Хабаровск

Издательство ДВГУПС

УДК 532.(075.8)

ББК Ж 123

А 391

Рецензент:

Заведующий кафедрой «Гидравлика и водоснабжение»

Дальневосточного государственного
университета путей сообщения

доктор технических наук, профессор

Л. Д. Терехов

Акимов, О. В.

А 391

Гидравлика : метод. указания по выполнению лабораторных работ. Часть 2. / О.В. Акимов, Л.В. Козак, Ю.М. Акимова. – Хабаровск : ДВГУПС, 2009. – 27 с.

Методические указания соответствуют ГОС ВПО направления 270000 «Строительство» специальностей: 270112 «Водоснабжение и водоотведение»; 270201 «Мосты и транспортные тоннели», 270204 «Строительство железных дорог, путь и путевое хозяйство».

Приведены краткие сведения из теории и излагается методика проведения лабораторных работ по дисциплине «Гидравлика».

Предназначены для студентов 2 и 3 курсов, изучающих дисциплину «Гидравлика» и предусматривают самостоятельное выполнение лабораторных работ студентами.

УДК 532.(075.8)

ББК Ж 123

© ГОУ ВПО «Дальневосточный государственный
университет путей сообщения» (ДВГУПС), 2009

ВВЕДЕНИЕ

«Гидравлика» – один из фундаментальных общетехнических курсов в системе подготовки инженеров по специальностям 270112, 270201, 270204. Предметом изучения курса являются основные законы взаимодействия движущейся жидкости с естественными и искусственными руслами, с элементами конструкций дорожно-мостовых, водобойных и других гидротехнических сооружений.

Цель изучения курса заключается в формировании у студентов такой степени освоения и понимания основных законов, чтобы обеспечить навыки и умение самостоятельно выполнять гидравлические расчеты водопроводно-канализационных, дорожно-мостовых и гидротехнических сооружений. Этому способствует предусмотренное учебными планами и программой закрепление лекционного материала курса лабораторными занятиями. Систематический контроль регулярности работы студентов над курсом осуществляется защитой каждой лабораторной работы. При подготовке к защите лабораторных работ рекомендуется ознакомиться с учебной литературой [1–7].

1. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 9.

ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ПРЫЖОК

1.1. Цель работы

Визуальное изучение структуры гидравлического прыжка. Определение энергетического состояния потока.

1.2. Сведения из теории

Гидравлическим прыжком называется резкое увеличение глубины потока при переходе его из бурного состояния с глубиной , в спокойное состояние с глубиной . Этот переход происходит на относительно небольшой длине и в районе гидравлического прыжка имеет место, резко изменяющееся движение.

Рис. 1.1. Схема гидравлического прыжка

Глубины и (в начале и в конце прыжка) называются сопряженными глубинами. Разность глубины называется высотой прыжка. Длина называется длиной прыжка.

Гидравлический прыжок появляется всегда, когда свободная поверхность при увеличении глубины пересекает линию критической глубины (линию КК).

В пределах прыжка имеет место следующий характер движения. Линия АВС является поверхностью раздела между транзитной струей и вальцом АВСД. Ниже поверхности раздела, поток резко расширяется от глубины до . Выше этой поверхности – поверхностный валец (водоворотная область). Внизу вальца осредненные скорости направлены вдоль транзитной струи, вверху – в противоположную сторону.

Движение воды в вальце бурное, валец насыщен пузырьками воздуха, малопрозрачен. Прыжок не находится на одном месте, он совершает небольшие поступательные перемещения то вперед, то назад.

За прыжком располагается послепрыжковый участок, на котором происходит выравнивание эпюры скоростей до эпюры свойственной равномерному движению. Кроме того, прыжок способствует резкому повышению пульсации скоростей, что вызывает увеличение размывающей способности потока вдоль послепрыжкового участка. Эта способность постепенно снижается.

В инженерной практике образование совершенного гидравлического прыжка с поверхностным вальцом широко используется для гашения избыточной кинетической энергии потока за водосливами и другими водосбросными сооружениями. Потери напора (энергии) в гидравлическом прыжке можно определить как:

, (1.1)

где и – соответственно сопряженные глубины и скорости до прыжка и за ним.

Если скорости потока до прыжка и за прыжком распределены равномерно, то для прямоугольного русла потери напора в прыжке можно определить, как .

Вопрос о гидравлическом прыжке впервые был исследован Беланже и Буссинеском, которые, применив теорему количества движения, нашли уравнение, связывающее сопряженные глубины и . Это уравнение получило название основного уравнения прыжка.

, (1.2)

где – глубина погружения центра тяжести живого сечения.

В основном уравнении прыжка левая часть представляет собой некоторую функцию от глубины , а правая часть такая же функция от глубины .

Если обозначить:

, (1.3)

где – глубина в данном сечении; и – площадь живого сечения и глубина погружения центра тяжести живого сечения, соответствующие этой глубине; то функция – называется прыжковой функцией.

Используя определение прыжковой функции, основное уравнение прыжка можно записать:

. (1.4)

Уравнение показывает, что для сопряженных глубин прыжковые функции имеют одну и ту же величину. Следовательно, можно найти одну сопряженную глубину, зная другую глубину прыжка.

Для русла любого сечения при заданном расходе можно построить график прыжковой функции (рис. 1.3). На графике кривая имеет минимум, который совпадает с минимумом кривой и отвечает критической глубине.

Для прямоугольного русла основное уравнение прыжка упрощается

, , , , (1.5)

где – удельный расход, то есть расход, приходящийся на единицу ширины русла.

Уравнение прыжка принимает вид:

(1.6)

или

. (1.7)

Учитывая, что получим:

(1.8)

или

. (1.9)

Решая это уравнение сначала в отношении , а затем в отношении получим:

; (1.10)

. (1.11)

Пользуясь этими уравнениями, можно определить в случае прямоугольного русла одну сопряженную глубину ( или ), если другая сопряженная глубина ( или ) известна.

Длина гидравлического прыжка определяется экспериментально, и обычно ее выражают в долях от высоты гидравлического прыжка, сопряженных глубин и кинетичности потока.

Различными авторами предложено большое количество формул.

По опытным данным при

. (1.12)

С опытными данными хорошо согласуются расчеты по формулам
Н. Н. Павловского

; (1.13)

В. А. Шаумяна

; (1.14)

М. Д. Чертоусова

. (1.15)

Длину гидравлического прыжка необходимо знать для назначения водобоя за водосливной плотиной и расчета сопряжения потоков в нижнем бьефе.

Поведение потока зависит от запаса энергии и от условий в нижнем бьефе. Гидравлический прыжок не образуется, если в нижнем бьефе уклон русла больше критического и бытовая глубина меньше критического . При возможно образование трех форм гидравлического прыжка:

а) отогнанный гидравлический прыжок ;

б) надвинутый гидравлический прыжок ;

в) затопленный гидравлический прыжок .

Установление формы сопряжения потоков за водосбросным сооружением в нижнем бьефе сводится к последовательному определению – глубины потока в сжатом сечении (для сопоставления ее с критической глубиной ) и – второй сопряженной глубины при , если .

Сопоставляя h₂ < h_б, h₂ ³ h_б определяют форму затопления гидравлического прыжка. Значение бытовой глубины в нижнем бьефе h_б определяют либо расчетом по уравнению равномерного движения потока в открытом русле, либо по данным гидрометрических наблюдений.

1.3. Описание установки

Экспериментальная установка, изображенная на рис. 1.5, состоит из гидравлического лотка 1, оборудованного регулируемыми, с помощью редуктора 2, вертикальными жалюзями. Ширина лотка B = 20 см. Для изменения уклона лотка используется домкрат 3. Вода в лоток поступает из бака 4. Внутри бака установлен мерный треугольный водослив 5. Напор на водосливе измеряется пьезометром 6. Для наблюдения за работой мерного водослива используется окно 7. Из гидравлического лотка вода отводится в резервуар 8, из которого забирается насосом 9 и по напорному трубопроводу 10 подается в бак 4. Расход воды в гидравлическом лотке регулируется задвижкой 11.

Рис. 1.4 Схема гидравлического лотка

1.4. Выполнение работы

1. Запустить насос 9 (см. рис. 1.4).

2. С помощью задвижки 11 установить расход Q.

Рис. 1.5. Схема гидравлического прыжка

3. При заданной степени открытия щитового затвора (рис. 1.5) добиться с помощью жалюзей (рис. 1.4) устойчивого положения гидравлического прыжка.

4. Измерить глубины потока в сжатом сечении перед прыжком и за прыжком (см. рис. 1.5).

5. Измерить длину прыжка.

6. Регулируя глубину воды в гидравлическом лотке за прыжком добиться нового устойчивого положения прыжка. Опыт повторить дважды.

7. Результаты измерений занести в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Таблица экспериментальных данных

№	Hв, см	Q, см3/с	а, см	Н, см	hс, см	h’, см	hэ”, см	lпэ, см	Вид прыжка
..

1.5. Обработка результатов

1. Определить величину полного напора перед щитовым затвором (см)

, (1.16)

где a – коэффициент кинетической энергии, принять равным единице; g – ускорение свободного падения, g = 980 см/с².

2. Найти критическую глубину (см)

. (1.17)

3. Определить глубину сопряженную сжатой (см)

. (1.18)

4. Определить вторую теоретическую сопряженную глубину (см)

(1.19)

5. Найти теоретическую длину прыжка по формуле Н. Н. Павловского (см)

. (1.20)

6. Вычислить значения удельных энергий сечений (см)

. (1.21)

7. Вычислить величины прыжковой функции (см³)

. (1.22)

8. Результаты вычислений занести в табл. 1.2.

Таблица 1.2

Результаты обработки опыта

№	H0, см	hк, см	hcc, см	hт”, см	lпт, см	Э1, см	Э2э, см	Э2т, см	q1, см	q2э, см	q2т, см
..

9. Построить совмещенный график удельной энергии потока и прыжковой функции от глубины потока (см. рис. 1.3).

10. Выполнить рисунок гидравлического прыжка в масштабе, обозначив характерные глубины и расстояния между ними. Нанести на схему гидравлического прыжка линию удельной энергии от сечения 0-0 до сечения 2-2.

1.6. Контрольные вопросы

1. Что называется гидравлическим прыжком?

2. Что такое сопряженные глубины?

3. Какой гидравлический прыжок называется совершенным?

4. В каком случае имеют место надвинутый, затопленный и отогнанный гидравлический прыжок?

5. Что такое прыжковая функция?

6. Как определить вторую сопряженную глубину в не прямоугольном русле?

7. Что такое послепрыжковый участок?

8. От каких факторов зависит длина прыжка?

9. От чего зависят потери энергии в прыжке?

10. Что такое «подпертый» прыжок?

11. Какой из прыжков имеет большую длину надвинутый или отогнанный?

12. Каким будет прыжок, если глубина сопряженная сжатой больше нормальной глубины в отводящем русле?

13. Каким будет прыжок, если глубина сопряженная сжатой равна нормальной глубине в отводящем русле?

14. Каким будет прыжок, если глубина сопряженная сжатой меньше нормальной глубины в отводящем русле?

15. Условия возникновения прыжка волны.

16. Почему в месте возникновения гидравлического прыжка требуется усиленное крепление русла?

17. Как меняется состояние потока при возникновении прыжка?

18. Что такое критическая глубина?

19. Возможно ли возникновение прыжка-волны, если бытовая глубина меньше критической глубины?

20. Приведите примеры возникновения прыжка?

21. Назовите основные характеристики прыжка.

2. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 10.