Одноступенчатые перепады

В одноступенчатых перепадах форма сечения подводящего русла может отличаться от сечения самого перепада по высоте и ширине.

Одноступенчатый перепад состоит из входа, стенки падения, водобоя и выхода (см. рис. 9.27). Геометрические размеры входа и выхода могут быть различны. Водобой представляет собой горизонтальный участок русла, который воспринимает ударное воздействие падающего потока жидкости и гасит ее энергию. Стенка падения может быть вертикальной, с некоторым уклоном к поверхности русла или криволинейной.

На рис. 9.29 представлена схема одноступенчатого перепада, у которого высота стенки падения С_н. Глубина потока жидкости на подходе к стенке соответствует глубине h₀.

Рис. 9.29. Одноступенчатый перепад

В случае если поток жидкости в подводящем призматическом русле находится в спокойном состоянии, i₀ < i_кр , то в верхнем бьефе до ребра стенки падения возникает кривая спада. На этом участке будет иметь место плавно изменяющееся движение. В сечении непосредственно у ребра 1'-1', как показали экспериментальные исследования, устанавливается глубина

h'≈ 0,71h_кр. На расстоянии l = (2÷2,5)h_кр от ребра стенки падения глубина будет равна критической глубине h₁ = h_кp .

В случае бурного состояния потока и неравномерного его движения глубина в сечении 1-1 должна определяться путем построения кривой свободной поверхности. В результате падения потока со стенки за счет ускорения силы тяжести и силы инерции на участке падения скорость увеличивается. В сечении с-с скорость V_c будет максимальная. В этом сечении будет происходить сжатие потока и глубина равна h_c. Сжатая глубина будет меньше критической глубины h_кр. Поскольку h_с < h_кp , то за стенкой падения возникает гидравлический прыжок, в начале которого глубина равна h_с. В отводящем русле поток имеет глубину h_н.

Струя жидкости, обладая запасом кинетической энергии, определяемой скоростью V' у ребра стенки падения, отлетает на расстояние l₁ Расстояние отсчитывается от стенки до сжатого сечения с-с.

Уравнение для определения глубины в сжатом сечении h_с может быть получено путем использования уравнения Бернулли для сечений 1-1 и с-с. Плоскость сравнения принимается на уровне дна нижнего бьефа перепада.

Уравнение, которое получим, будет аналогично уравнению (9.51):

.

Полная удельная энергия для сечения 1-1

, (9.78)

где V₁ — скорость в сечении 1-1, V₁ = V_кр:

. (9.79)

Согласно исследованиям ряда авторов, коэффициент скорости при находится в пределах φ= 0,75 0,88.

Модельные исследования перепадов прямоугольного сечения, проведенные Б. Ботуком, позволили определить функциональную зависимость коэффициента скорости от параметров С_н, Н_о, b, В:

f , (9.80)

где b — ширина перепада; B — ширина свободной входной части.

На рис. 9.30 приведен график функции коэффициента скорости φ перепада, если имеется доступ воздуха под струю жидкости.

В зависимости от глубины в нижнем бьефе перепада сопряжение потоков может иметь форму отогнанного прыжка или затопленного прыжка. Если h_c" > h_H — отогнанный прыжок, при h_c"< h_H — затопленный прыжок, h_c" — фиктивная глубина сопряжения со сжатой глубиной h_с.

Рис. 9.30. График функции f

На рис. 9.31 показана схема перепада, где сопряжение бьефов имеет форму отогнанного прыжка.

Рис. 9.31. Перепад с отогнанным прыжком

На участке отводящего русла, где заканчивается гидравлический прыжок, скорости потока существенно превышают скорости при нормальной глубине h₀. На этом участке длиной L требуется укрепление дна русла, чтобы предотвратить его гидравлический размыв. Участок длиной L называется водобоем. Общая длина водобойного участка

L = l₁+l₂+l_п+l₃, (9.81)

где l₁, — дальность отлета струи; l₂ — длина отгона прыжка; l_п — длина прыжка; l_з — длина запаса.

Длина запаса учитывает необходимость крепления дна водобоя за пределами гидравлического прыжка:

l₃ = (1÷2) h_н. (9.82)

Дальность отлета струи может быть вычислена по формуле, полученной согласно уравнению траектории физического тела, имеющего начальную скорость V' на уступе перепада, где глубина h' = 0,71h_кр (см. рис. 9.27):

. (9.83)

Дальность отлета также может быть вычислена по формуле (9.69).

Длина отгона прыжка l₂ находится, как длина кривой подпора (свободной поверхности). Начальная глубина свободной поверхности h_с, конечная длина h"_н — сопряженная глубина с глубиной в русле h_н.

Длина прыжка l_п определяется по формулам, приведенным в гл. 8.

В случае сопряжения бьефов в виде затопленного прыжка длина l₂ = 0.

Расчет одноступенчатого перепада заключается в определении глубины на входном участке и на водобое, высоты стенки падения и длины водобоя.