Исследование коэффициента шероховатости гидравлического лотка

ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО

ПРЫЖКА

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

 

Определить вид гидравлического прыжка, его длину, потери энергии в прыжке.

Сравнить опытные величины h", L_np с вычисленными по фор­мулам.

Определить состояния потока до и после гидравлического прыж­ка.

Вычислить значения прыжковых функций П(h') и П(h'').

2. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Гидравлическим прыжком называется резкое увеличение глу­бины потока от величины h', меньшей h_Kp, до величины h", большей h_Kp. Это явление наблюдается на относительно коротком участке русла (рисунок 3.1) и является единственной формой перехода потока из бурного состояния в спокойное.

Глубины h' и h " измеряемые в сечениях 1-1 и 2-2, ограничи­вающих прыжок, называются сопряженными. Расстояние между этими глубинами называется длиной гидравлического прыжка Ь_пр. Высота гидравлического прыжка а_п - это разность между второй и первой со­пряженными глубинами, т. е. а_п = h"—h'. В потоке между сечениями 1-1 и 2-2 наблюдается поверхность раздела АВС; ниже этой поверх­ности струя (транзитная струя) резко расширяется от глубины h' до глубины h "; выше поверхности АВС имеется поверхностный валец, который представляет собой водоворотную область, насыщенную пу­зырьками воздуха.

Рисунок 3.1 - Схема гидравлического прыжка

В зависимости о.т условий, в которых происходит гидравличе­ский прыжок, наблюдаются различные его виды: совершенный, вол­нистый, подпертый, затопленный, поверхностный и другие гидравли­ческие прыжки.

Совершенный гидравлический прыжок образуется в нестес­ненном русле при уклоне дна близком к нулю и соотношении сопряженных глубин h''/h' ≥2. В прыжке этого вида заметно выражены поверхностный валец и транзитная часть потока.

Другие виды гидравлических прыжков подробно описаны в справочной литературе.

Состояние потока (бурное, спокойное, критическое) характе­ризуется параметром кинетичности П_к. Параметр кинетичности выра­жает количественное соотношение кинетической и потенциальной энергий и определяется отношением удвоенной кинетической энергии к потенциальной энергии потока

, (3.1)

где α - коэффициент Кориолиса, α ≈ 1,1;

V - средняя скорость потока в сечении, м/с;

h - средняя глубина в том же сечении потока, м.

При П_к < 1 поток находится в спокойном состоянии (h>h_Kp); при П_к> 1 - поток в бурном состоянии (h<h_Kp); при П_к = 1 - поток в критическом состоянии (h = h_Kp).

Для русла прямоугольного поперечного сечения с уклоном дна равным нулю и однородной шероховатостью уравнение гидравличе­ского совершенного прыжка имеет вид:

, (3.2)

где Q - расход воды в лотке, м³/с;

- глубины погружения центров тяжести соответственно первого и второго живых сечении потока, м;

- площади живых сечении потока в первом и втором створах соответственно с глубинами h'' и h', м².

Левая часть уравнения (3.2) равна правой. Следовательно, выражение (3.2) можно записать как

 

, (3.3)

где - прыжковая функция первой сопряженной (взаимной глубины;

- прыжковая функция второй сопряженной (взаимной глубины;

Сопряженные глубины в прямоугольном русле (лотке) гидравлического совершенного прыжка находятся по формулам

(3.4)

 

(3.5)

Потери энергии в совершенном гидравлическом прыжке в прямоугольном русле определяются из выражения

(3.6)

Длина совершенного гидравлического прыжка для прямо­угольного русла определяется по эмпирическим формулам. Наиболее часто используется формула Н.Н. Павловского.

. (3.7)

 

3. ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

На рисунке 1.1 представлена схема опытной установки. Вода из трубопровода 1 поступает в приемную камеру 3. При помощи задвиж­ки 2 регулируется расход воды на водосливе 5 и в лотке 6. Пьезометр 4, установленный на внешней стороне камеры 3, используется для из­мерения напора на водосливе. В начале лотка имеется специальный паз 8, в который вставляется плоский вертикальный затвор. В конце лотка имеется паз 7 для установки щита, служащего для изменения состояния потока между затвором и щитом.

4. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Открывается задвижка 2 и устанавливается свободное истече­ние из-под затвора, установленного в пазе 8 лотка 6. Щитом в конце лотка создается подпор так, чтобы в лотке образовался гид­равлический прыжок. Маневрируя щитом в пазе 7, устанавливается гидравлический прыжок примерно на середине лотка.

При помощи шпиценмасштаба измеряются отметки уровня во­ды и дна лотка в начале и конце гидравлического прыжка (сечение 1-1 и 2-2 на рисунке 3.1). Уклон дна лотка равен нулю.

Расход воды определяется с помощью водослива-водомера 5 по тарировочной кривой Q =f(H).

Длина прыжка измеряется сантиметровой линейкой.

Результаты измерений и расчетов заносятся в таблицу 3.1.

5. ПОРЯДОК ВЫЧИСЛЕНИЯ

1. Определяется глубина воды в первом и во втором сечениях:

2. Находятся параметры кинетичности потока до и после гидравлического прыжка:

где

3. Вычисляется вторая сопряженная глубина h'' из формулы (3.5):

4. Находятся прыжковые функции :

 

Таблица 3.1 - Опытные данные

Наименование	Опыты
1. Расход по тарировочной кривой Q, м3/с
2. Отметка дна в сеч. 1-1,м
3. Отметка уровня воды в сеч. 1 -1, м
4. Отметка дна в сеч. 2-2, м
5. Отметка уровня воды в сеч. 2-2, м
6. Ширина потока лотка, м
7. Глубина перед прыжком h'on, м
8. Глубина за прыжком h"on, м
9. Параметр кинетичности до прыжка П'к
10. Параметр кинетичности после прыжка П"к
11. Прыжковая функция П (h)
12. Прыжковая функция П (h")
13. Глубина за прыжком h"по формуле (3.5), м
14. Вид прыжка
15. Длина прыжка по замерам lп р, м
16. Длина прыжка по формуле (3.7) lп р, м
17. Потери энергии в прыжке hmp, м

 

 

5. Определяется вид гидравлического прыжка.

6. Вычисляется длина прыжка по формуле (3.7).

7. Находятся потери энергии из выражения (3.6).

8. По данным табл. 3.1 в масштабе 1:5 вычерчивается совершенный гидравлический прыжок.

9. Сравнить опытные результаты по длине гидравлического прыжка с расчетной длиной, полученной из формулы (3.7). Сделать вывод.

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4

ИССЛЕДОВАНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ШЕРОХОВАТОСТИ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ЛОТКА

 

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Экспериментальным путем определить коэффициент шероховатости гидравлического лотка. Сравнить полученное значение коэффициента шероховатости с табличными данными из справочной литературы.

 

2. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

 

Пропускная способность лотка зависит от состояния поверхности его русла. Поверхность может быть гладкой, шероховатой и др. Поэтому для оценки состояния поверхности лотка вводится понятие коэффициента шероховатости . Коэффициент шероховатости используется для гидравлического расчета не только лотков, но и для расчета любых типов русел.

Расчет русел на равномерное движение производится по формуле Шези:

 

, (1.1)

 

где - средняя скорость потока, ;

- коэффициент Шези, м^0,5/с;

- гидравлический радиус, ;

- уклон дна канала.

Используя формулу Шези (1.1), определяется расход воды в лотке:

 

 

, (1.2)

 

где - площадь живого сечения потока в лотке, м²

В формуле (1.1) и (1.2) входит коэффициент Шези С, при вычислении которого используется коэффициент шероховатости n. Связь между коэффициентами Шези и шероховатости приводится в общеизвестных формулах:

формула Н.Н. Павловского (1925 г.)

 

, (1.3)

 

где y - показатель степени, зависящий от величины гидравлического радиуса. При 0,1 м ≤ R ≤ 1 м, y = 0,5 + 1,5 ;

формула Маннинга (1890 г.)

 

, (1.4)

 

формула Форхгеймера (1923 г.)

 

, (1.5)

 

Используя формулу Шези (1.1) и одну из формул (1.3) - (1.5), производится исследование коэффициента шероховатости в гидравлическом лотке (рисунок 1.1).

 

3. ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

 

Вода из трубопровода 1 через задвижку 2 подается 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 подъемного устройства 9. Вода из лотка 6 поступает 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.

 

Рис. 1.1 - Схема опытной установки

4. ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

На лотке 6 через определенные расстояния намечаются створы. Устанавливается заданный уклон лотка при помощи винтового уст­ройства 9. Открывается задвижка 2, при помощи которой устанавлива­ется расход воды в лотке. При установившемся режиме измеряются отметки уровней воды и дна лотка поочередно во всех намеченных створах. Для уточнения расхода воды в лотке используется мерная ем­кость 10. При помощи мерной емкости 10 измеряется расход воды объемным способом.

Отметки уровней воды и дна в створах измеряются шпиценмасштабом 14, расстояния между створами и ширина лотка - санти­метровой линейкой, время - секундомером.

Результаты измерений и вычислений заносятся в таблицу 1.1.

5. ПОРЯДОК ВЫЧИСЛЕНИЯ

1. Находится глубина воды в соответствующих створах лотка

.

 

2. Вычисляется объемным способом расход воды в лотке

3. Определяют гидравлические элементы живого сечения потока в створах лотка: площадь живого сечения ; смоченный периметр , и гидравлический радиус :

 

4. Используя формулу (1.2), находится средняя скорость потока в соответствующих створах

.

5. Вычисляется коэффициент Шези из формулы (1.1) для каждого створа:

Таблица 1.1 - Опытные данные

Наименование	створы
Отметки поверхности воды, м
Отметки дна лотка, м
Глубина воды в створах hi, м
Расстояние между створами li, м
Уклон лотка, i
Ширина лотка, b, м
Время наполнения мерной емкости, τ, с
Объем мерной емкости за время на­полнения, W, м3
Расход жидкости, Q, м3/с*10-3
Площадь живого сечения, ωi, м2
Смоченный периметр, χi
Гидравлический радиус, R,, м
Скорость потока, Vi, м/с
Коэффициент Шези, Ci, м0,5/с
Коэффициент шероховатости, пi.	n1	n2	n3	n4	n5
по Н.Н. Павловскому
по Маннингу
по Форхгеймеру
Среднее значение коэффициента ше­роховатости,

6. По одной из формул (1.3) - (1.5) определяются коэффициенты шероховатости лотка:

;

;

.

7. Находится среднее значение коэффициента шероховатости гидравлического лотка:

где N - число опытных значений коэффициента шероховатости . В условиях опыта N = 5.

8. Полученное значение коэффициента шероховатости , сравнивается со справочными данными и используется в расчетах последующих лабораторных работ.

9. Делается вывод.

 

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2