Расчет водосливов Гидравлика составитель доцент кафедры ГИГЭ ИГНД ТПУ Крамаренко В.В. - презентация

1 Расчет водосливов Гидравлика составитель доцент кафедры ГИГЭ ИГНД ТПУ Крамаренко В.В.

2 Водослив, преграда (порог), через которую переливается поток воды; в гидротехнике водосливом называется водосброс со свободным переливом воды через его гребень. Верхняя грань водослива, через которую происходит перелив жидкости из верхнего в нижний бьеф, называется порогом, или гребнем водослива. Введем обозначения и термины: Р – высота порога водослива, представляющая возвышение порога над дном потока в верхнем бьефе сооружения; b – ширина водослива (ширина водосливного отверстия); d – ширина порога (толщина стенки водослива); В – ширина потока перед водосливом; Н – геометрический напор на пороге водослива, т.е. возвышение уровня воды верхнего бьефа над порогом, принимают на расстоянии l 3 H до водослива; hб – бытовая глубина (глубина уровня в нижнем бьефе); z – перепад на водосливе, равный разности горизонтов воды в верхнем и нижнем бьефах; Q – расход воды через водослив; v0 – средняя скорость движения воды при подходе к водосливу (подходная скорость) v0=Q/(b(H+P)) ; Н0 – полный напор на пороге водослива, определяемый так же, как и для отверстий: Н0=Н+ v02/2g. В практических расчетах подходной скоростью можно пренебрегать, если площадь живого сечения потока на подходе к водосливу В(Н+Р) превышает площадь водосливного отверстия bН: В(Н+Р) /bH > 3 4.

3 Водосливы классифицируются по ряду признаков: –по форме поперечного сечения сливного порога, –по плановому расположению, –по условиям подхода жидкости к водосливу, –по форме водосливного отверстия –по характеру сопряжения уровней воды верхнего и нижнего бьефов.

4 В зависимости от формы сливного порога, называемого гребнем водослива, различают следующие основные типы водосливов: –водослив с тонкой стенкой, –водослив с широким порогом, –и водослив практического профиля. Водослив с тонкой стенкой или острой кромкой, d/H

5 Если длина гребня водослива меньше ширины преграждаемого потока, то в зависимости от формы выреза водослив может быть прямоугольным, треугольным, трапецеидальным, параболическим.

6 В зависимости от условий подхода жидкости различают водосливы без бокового сжатия и водосливы с боковым сжатием. У первых перелив воды через порог происходит по всей ширине русла, а у вторых порог занимает только часть ширины подходного потока, который при переливе через водослив претерпевает сжатие с боков. Ширина потока в пределах такого водослива называется сжатой, или эффективной, шириной водослива. Боковое сжатие отсутствует в том случае, если длина гребня водослива совпадает с ши­риной потока, что имеет место, например, при лабораторных водосливах, устанавливаемых в лот­ках прямоугольного сечения в ка­честве измерителей расхода и иногда в искусственных каналах. В прочих случаях всегда имеет место боковое сжатие, обус­ловленное стенками, ограничивающими гребень водослива, или наличием промежуточных бычков.

7 По типу сопряжения струи с нижним бьефом водосливы разделяются на незатопленные, когда уровень потока в нижнем бьефе непосредственно за водосливом не превышает гребня порога водослива, и затопленные, когда этот уровень выше, чем гребень порога (положение уровня в нижнем бьефе в последнем случае существенным образом влияет на величину расхода, пропускаемого через водослив. У незатопленных водосливов уровень воды нижнего бьефа не оказывает влияния на их пропускную способность, а у затопленных – с повышением уровня нижнего бьефа расход жидкости уменьшается.

8 Особенности истечения жидкости через водослив с тонкой стенкой Основной задачей при гидравлическом расчете водослива является определение протекающего через него расхода жидкости. Рассмотрим под этим углом зрения сначала прямо­угольный водослив с тонкой стенкой без бокового сжатия. По мере приближения к водосливу уровень свободной поверхности перед ним постепенно снижается и водосливы и принимает форму кривой спада. Снижение уровня перестает быть практически заметным на расстоянии от водослива, отсчи­тываемом против течения, равном около 3H, где Н – вели­чина погружения гребня водослива под неискаженным уровнем в верхнем бьефе; эта величина называется напором на водосливе. При переливе через гребень струя может иметь разную форму. Если в подструйное пространство имеется свободный доступ воздуха, благодаря чему давление под струей равно атмосферному, то в этом случае струя считается свободной и расход обладает значительной устойчивостью. Если воздух не может свободно поступать в подструйное пространство, он постепенно выносится, давление под струей понижается, струя отжимается к водосливной стенке, колеблется, расход пульсирует и такая струя считается отжатой. Из-за образования вакуума под отжатой струей уровень воды под ней повышается и при некоторых условиях все подструйное пространство заполняется водой, т.е. струя подтопленная. При малых расходах струя под действием давления и поверхностного натяжения стекает по низовой грани водослива, ее положение неустойчиво, такая струя считается прилипшей. Приводимые ниже расчеты даны для водослива со свободной струей.

9 Расчетные формулы Рассмотрим расчетные зависимости для совмещенного водослива с тонкой стенкой, т.е. незатопленного прямоугольного водослива без бокового сжатия. Струя жидкости при переливе через водослив с тонкой стенкой претерпевает вертикальное сжатие. Площадь живого сечения потока над порогом водослива w c = вс bН, где e вс – коэффициент вертикального сжатия потока. Среднюю скорость потока в сечении над порогом можно выразить по аналогии с формулой для отверстий зависимостью v=, где Hс – возвышение уровня воды верхнего бьефа над центром тяжести водосливного отверстия. Расход через водослив Введем обозначение и получим формулу для расхода через незатопленный прямоугольный водослив с тонкой стен­кой без бокового сжатия Величина m 0 в этой формуле называется коэффициентом расхода водослива с тонкой стенкой. Заметим, что подходная скорость в формуле учитывается не полным напором Н 0, а коэффициентом расхода m 0.

10 Ниже приводятся эмпирические формулы для коэффициента расхода водослива для некоторых основных случаев. Для незатопленного прямоугольного водослива с тонкой стенкой без бокового сжатия этот коэффициент определяется по формуле Базена

11 Расход жидкости в трапецеидальном водосливе находится по формуле Где – угол наклона водослива по низу, b – ширина водослива по низу, m – коэффициент расхода, определяемый опытным путём. При значении tg (уклон боковой стенки)=0,25 трапецеидальный водослив обладает свойством постоянства коэффициента расхода (m=0,42) при изменении напора H, и в таком виде обычно и применяется для измерения расхода. В этом случае Q=1,86bH 3/2.

12 Для водослива треугольной формы Наибольшее применение – имеет треугольный водослив с вырезом в форме прямоугольного треугольника, обычно используемый для измерения сравнительно небольших расходов жидкости. Для такого водослива Q=1,343H 2,5 или Q=1,4H 2.

13 Учет подтопления водослива. Для того чтобы водослив с тонкой стенкой оказался затопленным, нужно соблюсти два условия: h б >Р и Z 0 /Р >0,7, где Z 0 – перепад на водосливе с учетом подходной скорости. Z 0 =Z+ v 0 2 /2g, а перепад Z=(Р+Н)–h б. Расход через подтопленный прямо­угольный водослив с тонкой стенкой определяется по формуле Q= m o п b. Величину коэффициента затопления можно определить по эмпи­рической формуле Базена, где z – величина перепада между уровнями в верхнем и нижнем бьефах (рис.2 ), – превышение уровня бьефа под ребром водослива..

14 Учет бокового сжатия. На водосливе с боковым сжатием переливающийся поток испытывает не только вертикальное, но и плановое сжатие, поэтому площадь сжатого сечения потока, а следовательно, и расход жидкости будут у него меньшими. Для водослива с боковым сжатием, т. е. когда ширина порога водослива b меньше ширины канала B при (B/b>3) коэффициент расхода m0 рассчитывается по формуле Эгли: m 0 с=. Боковое сжатие может быть учтено также введением в основную формулу расхода коэффициента бокового сжатия e, который определяется по формуле Френсиса:, где n – число водосливных отверстий.

15 Особенности истечения жидкости через водослив с широким порогом Типы задач по расчету водосливов с широким порогом. Водосливы с широким порогом широко используются в гидротехническом строительстве, в частности все деревянные и бетонные лесосплавные плотины имеют водопропускные отверстия, работающие как водосливы с широким порогом. При расчете водосливов с широким порогом встречаются задачи тех же типов, что и при расчете водосливов с тонкой стенкой.

16

17 (h б -Р)/ H з з з 0,81,00,870,930,940,7 0,810,990,880,90,950,65 0,820,990,890,870,960,59 0,830,980,90,840,970,5 0,840,970,910,810,980,4 0,850,960,920,78 0,860,950,930,74

18

19

20 Источники: Пашков Н.Н., Долгачев Ф.М. Гидравлика. Основы Гидрологии.- М.: Энергоатомиздат, –448с.: ил. Штеренлихт. Гидравлика: Учебник для вузов.-М.: Энергоатомиздат, –640с. Константинов Н.М. и др. Гидравлика, гидрология, гидрометрия: Учеб. Для вузов в 2-х частях. Общие законы. М.: Высш. Шк., Слободкин А.Я. М., Изд-во Лесная промышленность, – 256с.