Установившееся равномерное движение жидкости в открытых руслах - Лекция

УСТАНОВИВШЕЕСЯ РАВНОМЕРНОЕ ДВИЖЕНИЕ ЖИДКОСТИ В ОТКРЫТЫХ РУСЛАХПроблемы движения воды в открытых руслах возникали еще во времена первых цивилизаций (Древний Египет, Древний Вавилон, Древний Китай). Движение жидкости в открытых руслах отличается от напорных потоков в трубах. Это отличие заключается в следующем: · напорные потоки в трубах при своем движении занимают все поперечное сечение русла, а в открытых руслах - только часть его поперечного сечения и имеют свободную поверхность, во всех точках которой давление равно атмосферному; Движение жидкости в открытых руслах происходит за счет уклона дна, т.е. под действием силы тяжести. Последнее обстоятельство позволяет называть потоки в открытых руслах самотечными;В зависимости от уклона дна различают русла: с положительным уклоном дна () - русла с прямым уклоном, отметки дна которого уменьшаются по направлению движения потока; с нулевым уклоном дна () - русла с горизонтальным дном, когда отметки дна остаются постоянными по длине потока; живое сечение и глубина наполнения русла h не изменяются по длине потока; 1. представлена схема равномерного движения потоков жидкости, позволяющая прийти к следующим выводам: параллельно дну канала проходят: линия свободной поверхности Р-Р (пьезометрическая линия), так как глубина ; линия полного напора Е-Е параллельна пьезометрической линии Р-Р, потому что имеет место постоянство скоростного напора по длине потока , так как . Для достижения равномерного движения потоков жидкости в открытых руслах необходима достаточно большая длина русла, чтобы на этой длине можно было получить равенство сил сопротивления и составляющей силы тяжести, приводящей поток в движение.При расчете каналов важным является определение сечения, способного пропускать максимальный расход, при заданных геометрических параметрах русла. Анализ формулы Шези () показывает, что пропускная способность каналов в основном определяется гидравлическим радиусом R, который зависит от формы поперечного сечения потока: . Когда смоченный периметр стремится к нулю, гидравлический радиус R стремится к бесконечности, откуда следует, что при постоянной площади сечения , постоянном уклоне дна и шероховатости стенок русла с уменьшением смоченного периметра пропускная способность канала увеличивается. Следовательно, в каналах с уменьшением смоченного периметра для пропуска одного и того же расхода требуется большая площадь сечения, при этом средняя скорость потока уменьшается.Поперечное сечение канала, которое при заданной площади , уклоне и шероховатости имеет наибольшую пропускную способность, называется гидравлически наивыгоднейшим сечением. Требование наименьшего смоченного периметра при постоянной величине площади сечения потока приводит к определенной зависимости между и , характеризующей гидравлически наивыгоднейшее сечение.Большие скорости потока вызывают размыв дна и откосов (берегов) грунтового канала. При проектировании каналов необходимо учитывать максимальную допустимую среднюю скорость течения при равномерном движении , при которой может происходить размыв водой дна и откосов грунтового канала. Средняя скорость в канале, когда не будет размыва, должна быть , скорость получила название неразмывающей скорости . Неразмывающая скорость определяется по эмпирическим формулам, полученным в результате гидравлических исследований размыва русел в лабораторных и натурных условиях. Для каналов, проложенных в несвязанных грунтах (песчаных, песчано-гравийных и т.д.), при вычислении по рекомендации ВНИИ ВОДГЕО могут быть применены следующие формулы, м/с.Наибольшее распространение получили трубы круглого, прямоугольного и овоидального поперечных сечений. Для расчета параметров равномерного движения потоков в руслах замкнутого поперечного сечения используется относительная расходная М и относительная скоростная N характеристики: ; ,(2.4) где , - расходные характеристики при полном наполнении сечения русла при ; К, W - расходные характеристики, соответствующие глубине h. Для труб круглого замкнутого сечения, используя три безразмерных параметра (наполнение русла а и две относительные характеристики М и N), можно представить функциональную связь между этими безразмерными параметрами: и . 5. и 6. видно, что максимальное значение относительной расходной характеристики соответствует наполнению , максимальное значение относительной скоростной характеристики соответствует наполнению . Это означает, что при наполнении водоотводная труба будет пропускать в 1,08 раза больший расход, чем при полном заполнении трубы, а при наполнении скорость потока в водоотводной трубе будет больше в 1,14 раза.Глубина воды в трубе м.