Гидравлика

Файл : гидравлика.doc (размер : 73,728 байт)
Движение воды в русле канала.

Открытые русла могут быть естественными или искусственными.

К естественным открытым руслам относятся реки и ручьи, к искусственным– каналы, безнапорные трубы (например, дренажные),гидротехнические тунели и т. д.

Особенность движения в открытом русле заключается в том, что поток здесь ограничен не со всех сторон, а име​ет свободную поверхность, все точки которой находятся под воздействием одинакового внешнего давления (атмос​ферного). Равномерное движение жидкости в открытых каналах или в трубопроводах с частично заполненным по​перечным сечением устанавливается, когда геомет​ри​чес​кий уклон трубопровода или дна канала имеет постоянное зна​чение по всей дли​не и форма поперечного сечения не ме​няется. Шероховатость стенок канала также должна иметь постоянное значение.

При отмеченных условиях возможно существование равномерного движения. Однако для реализации равно​мерного движения необходимо еще, чтобы попе​реч​ное сече​ние потока в канале было также постоянным по всей длине канала.

Следует отметить, что безнапорное движение воды представляет значительно более сложное явление по срав​нению с напорным движением, так как наличие сво​бод​ной поверхности потока приводит к изменению площадей живых сечений по длине последнего даже при незначительных препятствиях. Это требует рас​смот​ре​ния процессов волно–образования, заставляет в некоторых случаях счи​тать​ся с влиянием сил поверхностного натяжения и т. п.

При гидравлических расчетах открытых каналов и без​напорных трубо​про​во​дов ставится задача определения ско​рости движения жидкости в канале, площа​ди сечения и наивыгоднейшей формы канала.

При равномерном движении жидкости в открытом рус​ле гидравлический iг и пьезометрический iп уклоны, а так​же уклон дна русла iп равны между собой:

iг ​= iп = iд (5. 29)

С учетом равенства (5. 29) открытые каналы и безна​порные трубопроводы рас​считываются по формулам, ко​торые были выведены ранее для напорных тру​бо​проводов (формулы Шези и Павловского). Значения коэффициента шеро​хо​ватости п для широкого диапазона условий приведе​ны в приложении 2.

Как следует из формулы Шези, канал будет обладать наивыгоднейшей фор​мой, если при заданной площади по​перечного сечения он будет иметь наимень​ший смоченный периметр. При этом канал будет обеспечивать наибольший расход. Наиболее выгодными профилями каналов являют​ся круг и полукруг. На прак​тике чаще применяются каналы трапецеидальной формы, поскольку в грун​те полукруглое сечение достаточно трудно.

Более подробные сведения о движении воды в открытых руслах можно почерп​нуть в специальной литературе.

Местные сопротивления

При движении реальной жидкости помимо потерь на трение по длине потока могут возникать и так называв мые местные потери напора. Причина последних, напри​мер в трубопроводах, – разного рода конструктивные вставки: колено 3, трой​ники 2, сужения и рас​ширения трубопровода, задвижка 1, вентили и т. п., не​обходимость применения которых связана с условиями сооружения и экс​плу​атации трубопровода.

Местные сопротивления вызывают изменение скорости движения жидкости по значению (сужение и расширение), направлению (колено) или значению и. Нап​ра​вле​нию одновременно (тройник), поэтому часто указывают на некоторую ана​логию между явлениями, наблюдаемы​ми в местных сопротивлениях, и уда​ром в твердых телах, который с механической точки зрения также характери​зуется внезапным изменением скорости.

На практике местные потери hмп определяют по формуле Вейсбаха

где ζ («дзета») – безразмерный коэффициент, называе​мый коэффициентом мест​ного сопротивления (значение ζ устанавливают опытным путем); ν – сред​няя скорость движения жидкости в сечении потока за местным сопро​тивлением.

Если по каким-либо соображениям потерю напора же​лательно выразить через ско​рость перед местным сопро​тивлением, необходимо выполнить пересчет коэф​фициен​та местного сопротивления. Для этой цели используют соотношение ζ1/ζ2 – (s1/s2)2, где ζ1, ζ2 – коэффициенты местных сопротивлений, соответст​вую​щие сечениям s1 и s2.

В некоторых случаях потери напора в местных сопро​тивлениях удобно опре​де​лять по так называемой экви​валентной длине – длине прямого участка трубо​про​вода данного диаметра, на которой потеря напора на тре​ние hТР равна (экви​ва​лентна) потере напора hмп, вызы ваемой соответствующим местным со​про​тив​лением. Эк​вивалентная длина LЭ может быть найдена из равенства потери на​по​ра по длине, определяемой по формуле Дарси-Вейсбаха hтр=λ(LЭ/d)[v2/(2g)], и местных потерь напора, учитываемых формулой Вейсбаха hм.п. = ζ[v2/(2g)]