ПОВЕРХНОСТИ ПОТОКА ЖИДКОСТИ В ОТКРЫТЫХ ПРИЗМАТИЧЕСКИХ РУСЛАХ
Форма кривых свободной поверхности жидкости зависит от соотношения глубин: (действительная), (нормальная) и (критическая). Эти глубины определяются уклонами дна русла .
На практике встречаются главным образом призматические русла (каналы) с прямым уклоном .
Для исследования форм поверхности используем уравнение (8.31):
; ; ;
. (8.32)
В зависимости от соотношения глубины , и могут быть: кривая подпора , кривая спада .
В случае свободная поверхность асимптотически приближается к свободной поверхности при равномерном движении.
Если , свободная поверхность резко поднимается или снижается. В результате увеличения глубины потока возникает гидравлический прыжок, а при резком снижении глубины будет наблюдаться водопад.
При свободная поверхность асимптотически приближается к горизонтальной прямой.
Рассмотрим в канале с прямым уклоном возможные формы свободной поверхности.
При исследовании форм свободной поверхности различают три случая:
1-й случай - , ;
2-й случай- , ;;
3-й случай - , ;.
При неравномерном установившемся движении выделяют следующие три зоны:
зона а - ;
зона b - ;
зона с - .
Случай 1, . На рис. 8.8 показаны зоны неравномерного движения и формы кривых свободной поверхности.
На рисунке линия N-N - линия нормальной глубины, К-К - линия критической глубины.
Рис. 8.8. Формы кривых свободной поверхности при
1. Зона a:
; ; ;
; .
Тогда согласно уравнению (8.32) . Глубина воды вниз по течению увеличивается, а в русле установится кривая подпора.
При стремлении
; ; ,
следовательно, . Свободная поверхность асимптотически приближается к линии N-N в верхней части потока.
Пусть :
; ; ; ,
тогда , свободная поверхность в нижней своей части приближается к горизонтальной линии.
Рассматриваемая кривая свободной поверхности называется кривой подпора типа , (рис. 8.8).
Эта кривая является наиболее важной с практической точки зрения. В результате устройства в русле преграды (плотины, моста), стесняющей поперечное сечение, глубина вверх по течению возрастает и образуется кривая подпора типа .
2. Зона b:
; ; ; ;
; ,
тогда . Глубина потока в русле по течению понижается, кривая свободной поверхности является кривой спада.
При
; ; , тогда .
Кривая свободной поверхности в верхней части асимптотически приближается к линии нормальной глубины N-N.
Пусть :
; ,
тогда . В нижней части кривой в области критической глубины кривая резко снижается и заканчивается водопадом.
Кривая свободной поверхности получила наименование кривой спада типа (см. рис. 8.8).
Кривая спада типа возникает в результате понижения уклона дна канала и устройства перепада в дне русла. Кривая спада может появиться в результате сопряжения канала с отстойником большой ширины.
3. Зона с:
; ; ; ,
тогда согласно (8.32) , следовательно, в призматическом русле установится кривая подпора.
При
; ;
; ,
тогда , следовательно, при малой величине глубины потока кривая свободной поверхности асимптотически приближается к поверхности русла в верхней его части.
Пусть :
; ;
; ,
тогда . Свободная поверхность в нижней части приближается к прямой линии нормальной глубины N-N.
Кривая свободной поверхности называется кривой подпора типа , (см. рис. 8.8).
Кривая подпора , встречается при сопряжении струи воды, ниспадающей с водослива или с порога перепада, с потоком нижнего бьефа при истечении из-под щита. В этих случаях поток жидкости, сопрягающийся с нижним бьефом, находится в бурном состоянии. Вниз по течению глубина возрастает, а кривая подпора типа , заканчивается гидравлическим прыжком.
Случай 2, . На рис. 8.9 представлены формы кривых свободной поверхности в зависимости от зон а, b, с.
Рис. 8.9. Формы кривых свободной поверхности при
1. Зона a:
; ; ; .
тогда , в русле установится кривая подпора.
При
; ; ,
тогда , следовательно, при приближении глубины в русле к критической произойдет резкое уменьшение глубины и может возникнуть гидравлический прыжок в верхней части потока.
Пусть :
; ; ; ,
тогда , свободная поверхность асимптотически приближается к горизонтальной прямой вниз по течению потока.
Кривая свободной поверхности носит название кривой подпора типа (см. рис. 8.9).
Кривая подпора возникает в случае устройства в русле с большим уклоном ( ) преграды в виде плотины, малого моста.
2. Зона b:
; ; ; ,
тогда , в русле установится кривая спада.
При
; ; ; ,
тогда , следовательно, если , в верхней части потока резко возрастает глубина. Кривой свободной поверхности предшествует водопад.
Пусть :
; ; ; ,
тогда .
Если глубина внизу потока приближается к нормальной глубине , кривая свободной поверхности асимптотически приближается к прямой линии нормальной глубины N-N. Кривая свободной поверхности называется кривой спада типа (см. рис. 8.9).
Кривая спада может встречаться при сопряжениях русла, имеющих разные уклоны. До сопряжения уклон русла , после . Возможно получение кривой при истечении из-под щита жидкости в призматическое русло с уклоном .
3. Зона с:
; ; ; ,
тогда , следовательно, глубина вдоль потока увеличивается, возникает кривая подпора.
При
; ; ,
тогда . Кривая свободной поверхности асимптотически приближается к поверхности дна русла в верхней его части.
Пусть :
; ; ; ,
тогда , следовательно, кривая свободной поверхности в нижней своей части стремится к прямой линии нормальной глубины N-N.
Полученная кривая свободной поверхности - кривая подпора типа .
Кривая подпора типа может иметь место при истечении из-под щита в русло с большим уклоном ( ), а также при сопряжении русел, имеющих уклоны , а уклон дна первого больше уклона второго: .
Случай 3, . На рис. 8.10 представлены кривые свободной поверхности для русел с уклоном дна , когда .
Рис. 8.10. Формы свободной поверхности при
1. Зона a:
; ; ; ,
тогда . Глубина потока возрастает по течению, имеет место кривая подпора.
При
; ; ; ,
тогда . Свободная поверхность вверх по течению потока близка к горизонтальной прямой.
При
; ; ; ,
тогда .
В нижней части потока кривая свободной поверхности имеет асимптоту N-N.
Кривая свободной поверхности называется кривой подпора типа (см. рис. 8.10).
Кривая подпора типа может встречаться при сопряжении призматического русла с водохранилищем.
2.
Нормальная глубина равна критической , следовательно, линии N-N и К-К совпадают. Поэтому кривой свободной поверхности типа не будет, так как отсутствует зона b.
3. Зона с:
; ; ; ,
тогда . Глубина воды в русле по течению увеличивается, следовательно, имеем кривую подпора.
При
; ; ; ,
тогда . В верхней части кривая свободной поверхности имеет асимптоту N-N.
Пусть :
; ; ; ,
тогда . Свободная поверхность вниз по течению близка к горизонтальной прямой.
Кривая свободной поверхности - кривая подпора типа (см. рис. 8.10).
Кривая подпора типа может иметь место при истечении из-под щита, когда уклон дна русла . Кроме того, может быть при сопряжении русел, когда уклон первого русла , а второго .
Дата добавления: 2015-09-29; просмотров: 1095;