Способ определения смоченного периметра для русла с шероховатой поверхностью. Вычисление площади живого сечения, смоченного периметра и расхода воды

Поток жидкости - это часть неразрывно движущейся жидкости, ограниченная твердыми деформируемыми или недеформируемыми стенками, образующими русло потока. Потоки, имеющие свободную поверхность, называются безнапорными. Потоки, не имеющие свободной поверхности, называются напорными

Поток жидкости характеризуется такими параметрами как площадь живого сечения S, расход жидкости Q(G), средняя скорость движения v.

Живое сечение потока - это сечение, которое перпендикулярно в каждой точке скорости частиц потока жидкости.

Векторы скорости частиц имеют некоторое расхождение в потоке жидкости.

Живым сечением потока жидкости называется сечение, которое перпендикулярно в каждой точке скорости частиц потока жидкости.

Рис. Векторы скорости потока жидкости (а) и живое сечение потока (б)

Поэтому живое сечение потока - криволинейная плоскость (рис. а, линия I-I) В виду незначительного расхождения векторов скорости в гидродинамике за живое сечение принимается плоскость, расположенная перпендикулярно скорости движения жидкости в средней точке потока.

Расход жидкости - это количество жидкости, протекающей через живое сечение потока в единицу времени. Расход может определяться в массовых долях G и объемных Q.

Средняя скорость движения жидкости - это средняя скорость частиц в живом сечении потока.

Если в живом сечении потока, движущегося, например, в трубе, построить векторы скорости частиц и соединить концы этих векторов, то получится график изменения скоростей (эпюра скоростей).

Рис. Распределение скоростей движения жидкости в живом сечении трубы при течении: а - турбулентном; б - ламинарном

Если площадь такой эпюры разделить на диаметр данной трубы, то получится значение средней скорости движения жидкости в данном сечении:

Vcр = Sэ/d,
где Sэ - площадь эпюры местных скоростей; d - диаметр трубы

Объемный расход жидкости рассчитывается по формуле:

Q = Sэ*Мср,
где Q - площадь живого сечения потока.

Параметры потока жидкости определяют характер движения жидкости. При этом оно может быть установившимся и неустановившимся, равномерным и неравномерным, неразрывным и кавитационным, ламинарным и турбулентным.

Если параметры потока жидкости не изменяются во времени, то ее движение называется установившимся.

Равномерным называется движение, при котором параметры потока не изменяются по длине трубопровода или канала. Например, движение жидкости по трубе постоянного диаметра является равномерным.

Неразрывным называется движение жидкости, при котором она перемещается сплошным потоком, заполняющим весь объем трубопровода.

Отрыв потока от стенок трубопровода или от обтекаемого предмета приводит к возникновению кавитации.

Кавитацией называется образование в жидкости пустот, заполненных газом, паром или их смесью.

Кавитация возникает в результате местного уменьшения давления ниже критического значения pкр при данной температуре (для воды ркр= 101,3 кПа при Т= 373 К или ркр= 12,18 кПа при Т= 323 К и т. д.). При попадании таких пузырьков в зону, где давление выше критического, в эти пустоты устремляются частицы жидкости, что приводит к резкому возрастанию давления и температуры. Поэтому кавитация неблагоприятно отражается на работе гидротурбин, жидкостных насосов и других элементов гидравлических устройств.

Ламинарное движение - это упорядоченное движение жидкости без перемешивания между ее соседними слоями. При ламинарном течении скорость и силы инерции, как правило, невелики, а силы трения значительны. При увеличении скорости до некоторого порогового значения ламинарный режим течения переходит в турбулентный.

Турбулентное движение - это течение жидкости, при котором ее частицы совершают неустановившееся беспорядочное движение по сложным траекториям. При турбулентном течении скорость жидкости и ее давление в каждой точке потока хаотически изменяется, при этом происходит интенсивное перемешивание движущейся жидкости.

Для определения режима движения жидкости существуют условия, согласно которым скорость потока может быть больше или меньше той критической скорости, когда ламинарное движение переходит в турбулентное и наоборот.

Однако установлен и более универсальный критерий, который называют критерием или числом Рейнольдса:

Re = vd/V,
где Re - число Рейнольдса; v - средняя скорость потока; d - диаметр трубопровода; V - кинематическая вязкость жидкости.

Опытами было установлено, что в момент перехода ламинарного режима движения жидкости в турбулентный Re = 2320.

Число Рейнольдса, при котором ламинарный режим переходит в турбулентный, называется критическим. Следовательно, при Re < 2320 движение жидкости - ламинарное, а при Re > 2320 - турбулентное. Отсюда критическая скорость для любой жидкости.

Потока, смоченный периметр, гидравлический радиус, объемный и весовой расход жидкости, средняя скорость движения потока

Все потоки жидкости подразделяются на два типа:

1) напорные - без свободной поверхности;

2) безнапорные - со свободной поверхностью.

Все потоки имеют общие гидравлические элементы: линии тока, живое сечение, расход, скорость. Приведём краткий словарь этих гидравлических тер­ми­нов.

Свободная поверхность - это граница раздела жидкости и газа, давление на которой обычно равно атмосферному (рис. 7,а). Наличие или отсутствие её определяет тип потока: безнапорный или напорный. Напорные потоки, как правило, наблюдаются в водопроводных трубах (рис. 7,б) - работают полным сечением. Безнапорные - в канали­за­ционных (рис. 7,в), в которых труба заполняется не полностью, поток имеет свободную поверхность и движется самотёком, за счёт уклона трубы.

Линия тока - это элементарная струйка потока, площадь попе­речного сечения которой бесконечно мала. Поток состоит из пучка струек (рис. 7,г).

Площадь живого сечения потока (м2) - это площадь попе­речного сечения потока, перпендикулярная линиям тока (см. рис. 7,г).

Расход потока q (или Q ) - это объём жидкости V , проходящей через живое сечение потока в единицу времени t :

q = V/t.

Единицы измерения расхода в СИ м3/с , а в других системах: м3/ч, м3/сут, л/с.

Средняя скорость потока v (м/с) - это частное от деления ра­с­хода потока на площадь живого сечения:

Скорости потоков воды в сетях водопровода и канализа­ции зданий обы­чно порядка 1 м/с .

Следующие два термина относятся к безнапорным потокам.

Смоченный периметр (м) - это часть периметра живого сече­ния потока, где жидкость соприкасается с твёрдыми стенками. Например, на рис. 7, в величиной является длина дуги окружности, которая об­разует нижнюю часть живого сечения потока и соприкасается со стенками трубы.

Гидравлический радиус R (м) - это отношение вида которое применяется в качестве расчётного параметра в формулах для без­напорных потоков.

Тема 1.3: «Истечение жидкости. Гидравлический расчет простых трубопроводов»

Истечение через малые отверстия в тонкой стенке при постоянном напоре. Истечение при несовершенном сжатии. Истечение под уровень. Истечение через насадки при постоянном напоре. Истечение из-под затвора в горизонтальном лотке.

Малым считается отверстие, высота которого не превышает 0,1 Н , где
Н – превышение свободной поверхности жидкости над центром тяжести отверстия (рис. 1).

Стенку считают тонкой, если ее толщина d < (1,5…3,0) d (см. рис. 1). При выполнении этого условия величина d не влияет на характер истечения жидкости из отверстия, так как вытекающая струя жидкости касается только острой кромки отверстия.

Рис. 1. Истечение жидкости из отверстия
в тонкой стенке

Поскольку частицы жидкости движутся к отверстию по криволинейным траекториям сил инерции струя, вытекающая из отверстия, сжимается. Благодаря действию сил инерции струя продолжает сжиматься и после выхода из отверстия. Наибольшее сжатие струи, как показывают опыты, наблюдается в сечении с-с на расстоянии примерно (0,5…1,0) d от входной кромки отверстия (см. рис.1). Это сечение называют сжатым. Степень сжатия струи в этом сечении оценивают коэффициентом сжатия e:

,

где w с и w соответственно площадь сжатого живого сечения струи и площадь отверстия.

Среднюю скорость струи V c в сжатом сечении с-с при р 0 = р ат вычисляют по формуле, полученной из уравнения Д. Бернулли, составленного для сечений I-I и с-с (см. рис.1):

,

где j – коэффициент скорости отверстия.

На основе использования уравнения траектории струи, вытекающей из отверстия, получено еще одно выражение для коэффициента j:

В формулах(3) и(4) a – коэффициент Кориолиса, z – коэффициент сопротивления отверстия , x i и y i – координаты произвольно взятой точки траектории струи, отсчитываемые от центра отверстия.

Поскольку напор теряется главным образом вблизи отверстия, где скорости достаточно велики, при истечении из отверстия во внимание принимают только местные потери напора .

Расход жидкости Q через отверстие равен:

.

Здесь m – коэффициент расхода отверстия, учитывающий влияние гидравлического сопротивления и сжатия струи на расход жидкости. С учетом выражения для m формула (1.25) принимает вид:

Величины коэффициентов e, z, j, m для отверстий определяют опытным путем. Установлено, что они зависят от формы отверстия и числа Рейнольдса. Однако при больших числах Рейнольдса (Re ³ 10 5) указанные коэффициенты от Re не зависят и для круглых и квадратных отверстий при совершенном сжатии струи равны: e = 0,62…0,64, z = 0,06, j = 0,97…0,98, m = 0,60…0,62.

Насадкой называют патрубок длиной 2,5d £ L н £ 5d (рис. 2), присоединенный к малому отверстию в тонкой стенке с целью изменения гидравлических характеристик истечения (скорости, расхода жидкости, траектории струи).

Рис. 2. Истечение через расходящийся
и сходящийся насадки

Насадки бывают цилиндрические (внешние и внутренние), конические (сходящиеся и расходящиеся) и коноидальные, т. е. очерченные по форме струи, вытекающей из отверстия.

Использование насадки любого типа вызывает увеличение расхода жидкости Q благодаря вакууму, возникающему внутри насадка в области сжатого сечения с-с (см. рис.2) и обуславливающему повышение напора истечения.

Среднюю скорость истечения жидкости из насадки V и расход Q определяют по формулам, полученным из уравнения Д. Бернулли, записываемого для сечений 1–1 (в напорном баке) и в-в (на выходе из насадка, рис. 2).

Здесь - коэффициент скорости насадки,

z н – коэффициент сопротивления насадки.

Для выходного сечения в-в коэффициент сжатия струи e = 1 (насадка в этой области работает полным сечением), поэтому коэффициент расхода насадки m н = j н.

Расход жидкости вытекающий из насадки, вычисляется по форму, аналогичной формуле (7),

Живым сечением (ώ) называется поперечное сечение потока, расположенное нормально к направлению средней скорости течения и ограниченное снизу руслом, а сверху поверхностью воды.

Для изучения живого сечения и смоченного периметра используются створы, где определялась . На каждом из этих створов в определенных точках производят замеры глубин (таблица 11).

Таблица 11 Промеры глубин живого сечения

Расстояние между промерными точками на створе зависит от ширины потока и принимается при ширине от 1 до 5 м – через 0,5 м, а от 5 до 10м – через 0,5-1,0 м.

Для определения площади живого сечения на миллиметровой бумаге строят профили поперечного сечения каждого створа (рис.5). Для наглядности применяют вертикальный масштаб (для глубин) в 10 раз больше горизонтального. Над профилем наносят уровень воды и дату измерения.

Рисунок 5 Поперечное сечение створа

Площадь живого сечения определяют как сумму площадей геометрических фигур (трапеции и прямоугольных треугольников у берегов) по формуле:

где b – постоянное расстояние между промерными точками, м;

b n – расстояние между крайними точками, м;

Н 1 , Н 2 ….Н n – глубина на промерных точках, м.

Подсчет площади живого сечения производят для верхнего в), среднего ( с) и нижнего н) створов. Среднюю площадь живого сечения вычисляют по формуле:

Смоченный периметр (χ) – длина линии дна реки между урезами воды. Его вычисляют как сумму гипотенуз прямоугольных треугольников по формуле

+ 2 + ………

где b 2 постоянное расстояние между промерными точками, м;

b n - расстояние между крайними точками;

Н 1 , Н 2 , Н n ) – глубина промерных вертикалей, м.

Подсчет смоченного периметра ведется по верхнему в, среднему с и нижнему н створам. Средний смоченный периметр ср (м) вычисляют по формуле

Ср = 0,25( в +2 с + н).

Гидравлический радиус (R ) – это отношение к ср. Для русел, ширина которых близка у смоченному периметру, R =H ср .

Расходом Q (м 3 /сек) воды в реке называют количество воды, протекающее через поперечное сечение в одну секунду

Зная расход воды и площадь водосбора реки F , вычисляют модуль стока М (или q , л/сек с 1 км 2).

Водомерные посты

Наблюдение за высотой (Н) уровня воды (УВ) в реке производят на водомерном посту. Различают: свайные, реечные, автоматические и др. водопосты. Наблюдения на них обычно проводят два раза в сутки – 8 и 20 час.

Свайный водомерный пост состоит из свай, забитых на некотором расстоянии одна от другой в дно или берег рек и по створу (рисунок 6). Самая верхняя имеет №1, не затапливается даже при самых высоких паводках. За ней, ближе к реке, идет свая № 2 и т.д. Последняя, нижняя свая забивается в дно реки, ее головка всегда затоплена. Головки свай над поверхностью земли возвышаются не более чем на 10-15 см. Расстояние между сваями измеряют и сваи нивелируют (превышение между ними не более 40-50 см).

Рисунок 6 Свайный водомерный пост

Высоты уровня воды измеряют при помощи переносной водомерной рейки, которую ставят на головку сваи.

Реечный водомерный пост состоит из одной и более водомерных реек, прочно прикрепляемых к стенке сооружения или к специальным сваям.

Автоматический водомерный пост. На зарегулированных реках и реках с резким колебанием уровня воды дополнительно к обычным водомерным постам устанавливают самописцы, которые производят непрерывную регистрацию уровней воды. Установка самописцев «Валдай» производится чаще всего на берегу реки в небольшой будке над железобетонным или деревянным колодцем, который соединяется подводящей трубой с рекой. В колодце восстанавливается такой же уровень воды, как и в реке (рисунок 7).

Рисунок 7 Береговой тип установки самописца

Исследование поверхностных или граничных свойств, например смачивающей способности; исследование диффузионных эффектов; анализ материалов путем определения их поверхностных, граничных и диффузионных эффектов; исследование или анализ поверхностных структур в атомном диапазоне

Изобретение относится к сельскому хозяйству, в частности к способам для изучения стока талых и дождевых вод, возникающего на стокоформирующей поверхности. Технический результат изобретения - упрощение способа и повышение точности определения смоченного периметра для шероховатого русла. Сущность изобретения: моделируют процесс взаимодействия потока воды с шероховатой поверхностью путем замены рабочей части наклонного лотка, выполненной с исследуемой шероховатой поверхностью, прецизионно изготовленным образцом с гидравлически гладкой поверхностью, находят зависимость высоты потока от расхода воды для гидравлически гладкой поверхности. Прецизионно изготовленный образец с гидравлически гладкой поверхностью заменяют на рабочую часть, выполненную с исследуемой шероховатой поверхностью, и находят графическую зависимость высоты потока от расхода воды для шероховатой поверхности. Коэффициент смоченного периметра определяют путем отношения критических расходов воды, соответствующих критическому числу Рейнольдса, на границе между ламинарным и переходным режимами течения воды, соответственно для шероховатой и гидравлически гладкой поверхностей русла. Величину смоченного периметра для шероховатой поверхности определяют как произведение коэффициента смоченного периметра на смоченный периметр для гидравлически гладкой поверхности. 1 табл., 3 ил.

Рисунки к патенту РФ 2292034

Изобретение относится к сельскому хозяйству, в частности к способам и устройствам для изучения стока талых и дождевых вод, возникающего на стокоформирующей поверхности (на склонах, в овражно-балочной сети, во временных руслах и т.д.), и может быть использовано в области гидрологии, гидротехники, гидромелиорации, в промышленно-гражданском и дорожном строительстве.

Известен способ определения смоченного периметра, как элемента живого сечения потока, для призматических русел . Например, круглое живое сечение имеет смоченный периметр, равный длине окружности

где R - радиус круглого живого сечения.

Для правильных прямоугольных русел смоченный периметр определяют по сумме ширины и удвоенной высоты потока жидкости

где В - ширина русла, h - высота потока движущейся жидкости.

Недостатком известного способа является то, что для всех приведенных сечений точность определения смоченного периметра зависит от гидравлической гладкости русла. Для шероховатых поверхностей смоченный периметр существенно больше, чем для гладких. При проведении гидравлических расчетов данный факт не учитывают или применяют приближенное определение смоченного периметра для шероховатого русла.

Известен также способ определения смоченного периметра на шероховатой поверхности, предложенный проф. А.А.Сабанеевым , основанный на замене действительного смоченного периметра ломаной линией. Здесь для каждого из отрезков ломаной линии устанавливается угол наклона ее к горизонту

где h i - высота отрезков ломаной линии; b i - длина проекции каждого отрезка по горизонтали,

Суммируя значения i , получают выражение для смоченного периметра в виде:

Однако действительный смоченный периметр не может быть заменен ломаной линией, так как шероховатая поверхность сложена из мелких частиц, имеющих различную форму очертания (окружность, эллипс и других фигур более сложной формы).

Цель изобретения - упрощение способа и повышение точности определения смоченного периметра для шероховатого русла.

Поставленная цель достигается тем, что в способе определения смоченного периметра для русла с шероховатой поверхностью, включающем моделирование процесса взаимодействия потока воды с шероховатой поверхностью, для которого используют рабочую часть наклонного лотка, выполненную в виде прецизионно изготовленного образца с гидравлически гладкой поверхностью, задают с помощью системы питания постоянного напора расходы воды и замеряют высоту потока во входной и выходной частях лотка, находят графическую зависимость высоты потока от расхода воды для гидравлически гладкой поверхности, прецизионно изготовленный образец с гидравлически гладкой поверхностью заменяют на рабочую часть, выполненную с исследуемой шероховатой поверхностью, задают расходы воды и замеряют высоту потока во входной и выходной частях лотка, находят графическую зависимость высоты потока от расхода воды для шероховатой поверхности, по графическим зависимостям определяют критические расходы воды для шероховатой и гидравлически гладкой поверхности, соответствующие критическому числу Рейнольдса на границе между ламинарным и переходным режимами течения воды, выраженные на кривых резким увеличением высоты потока, определяют коэффициент смоченного периметра k как отношение критических расходов воды, соответствующих критическому числу Рейнольдса, на границе между ламинарным и переходным режимами течения воды, соответственно для шероховатой и гидравлически гладкой поверхностей:

h - высота потока воды в выходной части лотка, м,

и определяют величину смоченного периметра для шероховатой поверхности как произведение коэффициента смоченного периметра на смоченный периметр для гидравлически гладкой поверхности:

где Ш - смоченный периметр шероховатой поверхности, м;

Г - смоченный периметр гидравлически гладкой поверхности, м.

На фиг.1 показано устройство для реализации предложенного способа ; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1.

Устройство состоит из наклонного лотка 1, закрепленного на основании 2 (фиг.1), где лоток составлен из трех отдельных составных частей, состоящих из входной и выходной 3, выполненных с гидравлически гладкой поверхностью (например, зеркальное стекло), и рабочей 4, выполненной с исследуемой шероховатой поверхностью, прецизионно устанавливаемой между входной и выходной частями с помощью микрометрических винтов 5, размещенных в основании 2, микрометров 6 с мерными иглами 7, установленных во входной и выходной частях лотка вдоль его продольной оси на боковых стенках (фиг.2), уголков 8, размещенных с боков основания по всей длине, обеспечивающих прямолинейность лотка 1, системы питания 9 постоянного напора, успокоителя 10 и зажима Гофмана 11.

Способ реализуется следующим образом. Предварительно перед началом опытов взамен рабочей части 4 в лоток 1 устанавливается прецизионно изготовленный образец с гидравлически гладкой поверхностью, например зеркальное стекло, которое по линиям стыка гидроизолируется (условно не показано). Затем с помощью системы питания постоянного напора устанавливается предварительно рассчитанный расход воды Q В

где Re КР 1000 - критическое число Рейнольдса для безнапорных потоков; В - ширина лотка, м; - кинематическая вязкость воды, м 2 /с.

Открывается зажим Гофмана 11 и при помощи микрометров 6 с мерной иглой 7 замеряется высота потока воды во входной h в1 и выходной h частях лотка 1. Далее увеличивают расход воды и проводят опыты по вышеприведенной методике. Задавая расходы, определяется высота потока воды во входной h в1 и выходной h частях лотка 1. Полученные результаты заносятся в журнал наблюдений, где строится график зависимости высоты потока от расхода воды h=f(Q).

Затем взамен зеркального стекла в лоток 1 устанавливается рабочая часть 4 с исследуемой шероховатой поверхностью. Места стыка рабочей части 4 и лотка 1 гидроизолируются. Открывается зажим Гофмана 11 и при помощи микрометров 6 с мерной иглой 7 замеряется высота потока воды во входной части лотка h в (в результате исследований было установлено, что для одних и тех же заданных расходов высота потока h в h в1 , поэтому h в не замеряется) и высота потока воды в выходной h части лотка 1.

Полученные результаты заносятся в журнал наблюдений, где строится график зависимости высоты потока от расхода воды h=f(Q). По графику определяются критические расходы воды и , соответствующие критическому числу Рейнольдса, на границе между ламинарным и переходным режимами течения воды, выраженной на кривых h=f(Q) резким увеличением высоты потока, соответственно для шероховатой и гидравлически гладкой поверхностей.

Выразим критическое число Рейнольдса для безнапорных потоков для гидравлически гладкой поверхности

и для исследуемой шероховатой поверхности

На границе между ламинарным и переходным режимами число Рейнольдса практически одинаково для гладкой и шероховатой поверхности русла. Последнее подтверждается многочисленными исследованиями. Так по данным Чугаева Р.Р. число Рейнольдса Re не зависит от шероховатой поверхности, а на величину числа Рейнольдса Re в значительной мере влияет поперечное сечение потока.

Приравняв выражения (1) и (2), получим, что соотношение смоченных периметров шероховатой и гидравлически гладкой поверхностей равно соотношению критических расходов воды, соответствующих критическому числу Рейнольдса, на границе между ламинарным и переходным режимами течения воды на шероховатой и гидравлически гладкой поверхностях

Определим коэффициент смоченного периметра через соотношение критических расходов

и величину смоченного периметра для шероховатой поверхности

где k - коэффициент смоченного периметра; Ш - смоченный периметр шероховатой поверхности, м; Г - смоченный периметр гидравлически гладкой поверхности, м; - критический расход воды в м 3 /c, соответствующий критическому числу Рейнольдса, на границе между ламинарным и переходным режимами течения воды на шероховатой поверхности, определяемый по графической зависимости , полученной в результате эксперимента; - критический расход воды в м 3 /с, соответствующий критическому числу Рейнольдса, на границе между ламинарным и переходным режимами течения воды на гидравлически гладкой поверхности, определяемый по графической зависимости , полученной в результате эксперимента.

3. Патент РФ №2021647, кл. А 01 В 13/16, 1994.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Способ определения смоченного периметра для русла с шероховатой поверхностью, включающий моделирование процесса взаимодействия потока воды с шероховатой поверхностью, отличающийся тем, что для его осуществления используют рабочую часть наклонного лотка, выполненную в виде прецизионно изготовленного образца с гидравлически гладкой поверхностью, задают с помощью системы питания постоянного напора расходы воды и замеряют высоту потока во входной и выходной частях лотка, находят графическую зависимость высоты потока от расхода воды для гидравлически гладкой поверхности, прецизионно изготовленный образец с гидравлически гладкой поверхностью заменяют на рабочую часть, выполненную с исследуемой шероховатой поверхностью, задают расходы воды и замеряют высоту потока во входной и выходной частях лотка, находят графическую зависимость высоты потока от расхода воды для шероховатой поверхности, по графическим зависимостям определяют критические расходы воды для шероховатой