Понятия о законах движения потока.

Живое сечение. Сечение потока плоскостью, перпендикулярной к направлению движения жидкости, называют живым сечением. Площадь живого сечения потока обозначают буквой ω, и измеряется в м².

Смоченный периметр — это линия, по которой живое сечение соприкасается с ограничивающими его стенками; смоченный периметр обозначают буквой χ, и измеряется в м. Гидравлический радиус — это отношение площади живого сечения к смоченному периметру обозначают буквой R:

Расход воды (Q) — объем жидкости, протекающей в единицу времени через живое сечение потока. Отношение расхода к площади живого сечения называется скорость течения воды и обозначают буквой υ и определяется :

Движение жидкости бывает установившемся и неустановившемся. Установившемся называют такое движение, при котором скорость и давление в любой точке пространства, занятого жидкостью, не изменяются с течением времени. При изменении скорости и давления с течением времени движение жидкости называют неустановившимся. Движение потока жидкости, имеющего свободную поверхность, называют безнапорным (реки, каналы), а без свободной поверхности — напорным (например, сплошь заполненная труба); кроме того, различают свободные струи.

Равномерное движение — это движение при котором не меняются живые сечения по всей длине водоема.

2.2 Измерение расходов воды.

В зависимости от режима водного потока, требуемой точности результатов измерений и от технических возможностей расход воды Q можно определять различными способами.

В любом методе расход воды определяется по формуле

Q= ω* υ , м/с

где, ω – площадь живого сечения, м;

υ – скорость течения воды в данном сечении м/с.

Наиболее распространенный метод определения расхода воды это русловой и метод водомерных сооружений.

Русловой метод. Сущность метода заключается в определении расхода непосредственно в русле канала с установлением площади живого сечение ( ) и средней скорости течения (V).

Площадь живого сечения ( ) в зависимости от формы канала рассчитывают по нижеследующим формулам:

для трапециидального сечения =(a+b)h/2, м² (рис 2.1)

Рис 2.1 Трапецеидальный канал: а – ширина канала по горизонту воды, м: h — глубина воды в канале, м; b — ширина дна канала, м, ∆ГВ – отметка горизонта воды; ∆ПЗ – отметка поверхности земли.

для параболического сечения w=2h/3,м² (рис 2.2)

Рис 2.2 Канал параболического сечения (усл. Обозначения см рис. 2.1)

для канала треугольного сечения w=аh/2,м² (рис 2.3)

Рис 2.3 Канал треугольного сечения (усл. Обозначения см. рис. 2.1)

для канала прямоугольного сечения w=аh/,м² (рис 2.4)

Рис 2.4 Канал прямоугольного сечения (усл. обозначения см. рис. 2.1)

для круглого сечения w=Пr², м² (рис 2.5)

Рис 2.5 Живое сечение трубопровода (круг): r — внутренний радиус трубопровода, м

для каналов неправильной формы w = w₁+ w₂+… w_n,м² (рис 2.6)

где, w_1, w₂ ,… w_n площадь геометрических микрофигур, составляющих живое сечение потока воды в реке куб.м.

Рис 2.6 Канал неправильной формы (сечение реки): 1,2,3…n – номера промеров глубины водотока; (расстояние между промерными вертикалями 20…50см)

Определив живое сечение канала, приступает к измерению скорости течения воды. Применяются следующие способы измерения скорости водного тока: поплавковый, вертушечный (гидрометрическая вертушка), батометрический (батометр) и динамометрический (динамометр). Ниже рассмотрим первые два способа.

Поплавковый основан на использовании различных поплавков – глубинных и поверхностных. Это наиболее простой способ. Точность работы зависит от обеспечения необходимым оборудованием и инвентарем, а также при соблюдении определенных условий.

Необходимое оборудование: мерная линейка, рулетка, поплавки (5…10 шт), секундомер, шпагат, колышки, вешки (6…8 шт), топор, лопата и полевой журнал с миллиметровой бумагой. Участок канала или реки, где проводятся измерения, должен отвечать следующим требованиям: длина должна обеспечивать время прохождения поплавков за время не менее 20 с; участок должен быть прямолинейным, с постоянным уклоном дна по длине; дно и откосы участка должны быть устойчивыми и чистыми от растительности; в пределах участка канала или реки не должно быть оттока и притока воды; погода должна быть безветренной.

Последовательность выполнения работ – подготовка необходимого оборудования; выбор участка канала (реки) согласно перечисленным требованиям; учетную длину участка (1 уч) канала следует установить путем пробного пуска поплавка.

Выбранный участок канала (реки) перпендикулярно к оси водного тока разбивают на одинаковом расстоянии друг от друга на три створа: верхний, средний (главный) и нижний (рис 2.7). Для этого на берегу в точке А ставят вешку, на противоположном берегу в точке В другую, но так, чтобы верхний створ А-В был перпендикулярен к оси потока. Так же разбивают нижний свор С-Д и главный створ (M—N)

Рис 2.7 Расположение створов для измерения расходов поплавками:

1 – колышек, 2 – вешки, 3 – шпагат

Живое сечение канала – определяют в главном створе. Затем выше от верхнего створа на 2…8 м, назначается так называемый пусковой створ. С этого створа пускают поплавки в количестве 5…10 шт. так, чтобы на подходе к верхнему створу поплавок же принял скорость водного потока.

Для расчета принимают время подхода к нижнему створу двух наиболее «быстрых» поплавков. Затем по следующей формуле рассчитывают скорость поверхностного течения воды:

t_cp(t₁+t₂)/2,сек.;v=L/ t_cp,м/с,

где L – длина участка, м; t₁ и t₂ – время прохождения наиболее «быстрых» поплавков, м/с

Расход воды с поправкой рассчитывают по формуле

Q= vK,м³/с,

где К – поправочный коэффициент (К=0,85).

Измерение расхода воды с помощью вертушек. Гидравлическая вертушка — это прибор, предназначенный для измерения осредненных скоростей течения воды в точках скоростных вертикалей (рис 2.8).

Рис 2.8 Гидравлическая вертушка:

1 – ходовое колесо, 2 – корпус, 3 – руль, 4 – штанга.

В настоящее время имеются различные типы вертушек. Наиболее распространены вертушки Жестовского (Ж-3, ГР-2) и Бурцева (ГР-11).

Вертушка Ж-3 предназначена для измерения скоростей течения воды от 0,04 до 5 м/с на глубине 3м при работе на штанге и до 25м при работе с троса.

Вертушка ГР-21. С ее помощью измеряют скорость течения воды в диапазоне от 0,1 до 2 м/с.

Вертушка ГР-11. Этой вертушкой измеряют скорость течения воды в диапазоне от 0,6 до 10 м/с.

Погрешность указанных вертушек не превышает ±3%

В комплект входят: 1 – вертушка, 2 – источник тока (микроаккумулятор), 3 – электрозвонок, 4 – штата, 5 – электропроводка и принадлежности по уходу, 6 – тарировочная кривая.

Ход работы. Подготовительные работы: проверить исправность вертушки и безотказность действия электрической сигнализации; проверить отсутствие растительности в канале на 1м выше и ниже гидростата; описать состояние канала и обстановки работ (сила и направление ветра и др.).

Число точек на каждой вертикали может быть следующим (рис 2.9):

А) одна (на глубине 0,6, Н – глубина воды по вертикали), б) две (на глубинах: 0,2Н и 0,8Н), в) три (на глубинах: О.ДИ, 0,6Н и 0,8Н).

Рис 2.9 Количество точек измрений на скоростной вертикали:

а – одноточечная, б – двуточечная, в – трехточечная; 1 – вертушка, 2 – штанга, 3 – дно канала.

Время, необходимое для измерения в каждой точке: у дна не менее 300 с, на глубине 0,8Н – 240 с, на глубине 0,6Н – не менее 180 с, глубине 0,2Н и на поверхности – 120 с.

Для измерения скорости воды в пределах территории одного распределители рекомендуются двух- или трехточечные способы (рис 2.10).

До необходимой точки вертушку погружают с помощью штанги. При работе необходимо соблюдать следующие условия: в точке «у поверхности» нельзя допускать обнажения лопасти при волнении воды; в точке «у дна» ось вертушки должна находиться от дна на расстоянии 1…2 см большем, чем половина диаметра крыльчатки.

После установки вертушки в нужную точку по одному-двум сигналам необходимо убедиться, что сигнализация в порядке, затем включить секундомер, в счет не принимается (нулевой). Если в течение учетного времени (например, 120 с) поступят 3 и более сигнала, то по первому по истечении учетного времени сигналу секундомер останавливается, и измерение в точке прекращается.

Рис 2.10 Тарировочная кривая:

1 – для малой скорости, 2 – для остальных скоростей.

Во время работы наблюдатель считает и записывает количество сигналов (n). По окончании работы с вертушкой определяется общее количество оборотов ходового колеса (крыльчатк):

n_общ=n20,об

Затем рассчитывают скорость вращения крыльчатки (n, об/с)

n = n_об/t, об/с

где t – время работы в точке с.

Имея n, по тарировочной кривой находят скорость воды (см. ри.10). При этом по линии абсцисс находят полученную скорость, из нее восстанавливают перпендикуляр до пересечения кривой. Проекция этой точки на линию ординаты – скорость воды (V, м/с). Затем в зависимости от количества точек, определяют среднюю скорость (V_АР, м/с);

При одноточечном способе м/с, V_ср=V_ор м/с

При двухточечном способе м/с, U_ср=(U_о2+U_о6)/2,м/с

При трехточечном способе м/с. V= (V_о2+V_о6+V_о8) м/с

Затем вычисляют расход воды: Q=wv_ср, м/с

Водосливы.Любая преграждающая поток стенка, через которою происходит перелив потока, называется водосливом (рис 2.11). верхняя часть стенки — порог водослива. Часть водного потока перед сооружением (водосливом) называется верхним бьефом, за сооружением — нижнем бьефом. Высоту расположения уровня верхнего бьефа над порогом называют напором на водосливе Н. Его измеряют на расстоянии (3:4) Н перед порогом.

2.11 Водослив

Водосливы по очертаниям выреза бывают треугольные (Томсона), трапецеидальные Чиполетти и Иванова.

а — Томсона,

б — Чиполетти

В — Иванова

2.12 Водосливы

Водослив Томсона применяется для измерения расхода поливных и выводных борозд с расходом не более 30 л/с. С помощью водосливов Чиполетти и Иванова определяют расход временных оросителей и распределительных каналов.

Водосливы устанавливаются поперек водного тока.

Требование предъявляемые при работе с водосливами, следующие.

1. порог водослива устанавливается строго горизонтального по уровню и вертикально по отвесу (перекосы не допускаются). Ось водосливы должна совпадать с осью потока воды в канале.

2. края щита водослива должны плотно заглубляться в откосы и дно канала, чтобы не было утечки воды под щит и в обход его краев.

3. не допускается подтопления со стороны нижнего бьефа, для чего порог должен быть на 2-4 см выше уровня воды в каннеле за водосливом при h макс.

4. высота порога над дном канала ( перед водосливом) должна быть h макс.

5. длина прямоугольника участка выше водослива должна быть (10…15) x b, ниже водослива — не менее 5 x b.

6. максимальная толщина слоя воды над водосливом не должна .

7. скорость подхода не должна превышать 0,5 м/с.

Соблюдение перечисленных требований обеспечивает точность работы не менее ± 2%.

За время работы наблюдатель снимет до 5 отсчетов через 5,10, 20, 40 и 60 мин. с момента установления водослива. отсчеты снимается по шкале, нанесенной на стене водослива. по данным 5 наблюдений находят . после этого по нижеследующим формулам рассчитывают расход ( куб. м/с):

Водослив Томсона Q=1,4h^5|s , м³/с,

Водослив Чиполетти Q=1,86h^3|s , м³/с,

Водослив Иванова Q=1,82bh, м³/с,

Где: h — слой воды над водосливом, м; b — ширина нижнего порога водослива, м.

На практике главным образом для измерения расходов воды применяют незатопленные водосливы с тонкой стенкой. Объемным методом пользуются обычно при расходах воды не более 5—10л/с. С его помощью измеряют расходы ключей и родников.

где, v — объем воды, поступивший в мерный сосуд:

T — число секунд, в течение которые происходит наполнение сосуда.

В качестве мерных сосудов при очень малых расходах употребляют ведра, а при более значительных — баки.

Построение кривых расходов. Между расходом, протекающим в потоке, и высотой поверхности воды существует определенная зависимость. При установившемся движении увеличение расхода вызывает повышение поверхности воды и, наоборот, с уменьшением расхода она понижается.

На основание выполненных измерений можно построить кривую зависимости между расходами и отметками поверхности воду, которую сокращенно называют кривой расходов (рис.20). эта зависимость выражается Q=­­­­ f/(H), хотя независимым переменным является расход воды, а поверхность — функцией. Так принято потому, что наблюдения за поверхностями воды очень просты, проводятся ежедневно, а измерения расходов — трудоемки и выполняются значительно реже.

Имея кривую расходов, можно находить значение Q по высотам H (то есть измерять в натуре только поверхность воды). Кроме того, экстраполируя кривую Q=­­­­ f/(H), возможно определить и экстремумы Q_mak u Q_min.