1.2. Измерение поверхностной скорости открытого потока с помощью поплавков Краткие теоретические сведения

Как известно, основной характеристикой потока является его расход Q, м³/с. Применение поверхностных поплавков обычно используют для определения расхода потока по поверхностным скоростям.

К ак известно, измерение скорости в открытых потоках осуществляют как по вертикали (рис. 3), так и по горизонтали (рис. 4).

Рис. 3. Изменение величины местных скоростей U

в вертикальной плоскости для открытых потоков

Рис. 4. Изменение скорости движения потока по свободной поверхности

от уреза до уреза

Исходя из вышеизложенного измерение скорости с помощью поплавков основывается на определении времени (t) прохождения поплавков на рассматриваемом участке L. Поплавки необходимо запускать по свободной поверхности и на оси потока, U_пов и U_max.

Поверхностная скорость рассчитывается по формуле

. (2)

В качестве поверхностных поплавков могут быть использованы различные мягкие предметы (пенопласт, пробка, дерево и т.д.), у которых удельный вес меньше удельного веса воды.

Для измерения скорости потока с помощью поверхностных поплавков необходимо выбрать прямой участок открытого потока и разбить створы, как показано на (рис. 5): один створ пусковой и два промерных.

Рис. 5. Схема участка открытого потока

для измерения поверхностной скорости

Створы как промерные, так и пусковой должны быть строго перпендикулярны потоку. Поплавки запускаются в пусковом створе на оси потока. При прохождении промерных створов 1-1 и 2-2 засекается время прохождения поплавками расстояние, равное L.

Необходимо использовать как минимум пять поплавков для получения более точных результатов.

Соотношение между скоростью потока и его расходом определяется по формуле

(3)

где - площадь живого сечения, м²;

b - ширина экспериментального лотка, м;

h - глубина воды в экспериментальном лотке, м.

Расход воды в лабораторном лотке определяется измерительным устройством в виде треугольного водослива с тонкой стенкой и углом выреза 90⁰ (рис. 6).

Рис. 6. Определение геометрического напора на водосливе

Расчетная формула данного типа водослива

(4)

где Н_т - геометрический напор на водосливе.

Практическая величина расхода, л/с, устанавливается с помощью таблицы по измеренному значению Н_т - на водосливе, который рассчитывается по формуле

(5)

Для перехода от поверхностной скорости, которую измерили с помощью поплавков, рассчитывают переходный коэффициент К_п по формуле

(6)

Все измерения и вычисления записываются в табл. 2.

Таблица 2

Результат измерений и вычислений

Наименование	Обозначения, формулы, размерность	Результаты опытов и вычислений
Ширина лотка Глубина воды в лотке Расстояние между промерными створами Время прохождения поплавков Среднее время Поверхностная скорость Напор на водосливе Расход Средняя скорость Переходной коэффициент	b, см h, см L, см t1, t2, t3, c , с Uпов, м/с Нт, см Q, см3/с V, см/с Кп

Контрольные вопросы

1. Расскажите об устройстве геометрической вертушки.

2. Какие типы поплавков используются для измерения скорости потока?

3. Что такое коэффициент К_п и как он рассчитывается?

4. Как рассчитывается скорость потока по показаниям гидрометрической вертушки?

5. Для чего используется мерный водослив?

Работа №2

Исследование истечения воды через водосливы

2.1. Водослив с тонкой стенкой (неподтопленный)

Цель работы:

1. Визуальное наблюдение механизма движения жидкости через водослив с тонкой стенкой и зарисовка картины движения жидкости.

2. Определения экспериментальным путем коэффициента расхода , коэффициента подтопления _п и сопоставление полученных значений и _п с расчетными по формулам.

Краткие теоретические сведения

Водосливом называется преграда на пути потока, через которую происходит перелив воды.

Прохождение жидкости через водослив называется “истечение через водослив”.

Обычно такой преградой на пути потока является гидротехническое сооружение.

Водосливы могут быть классифицированы по форме и относительной толщине стенки

а) водослив с широким порогом (рис. 7)

Рис. 7. Схема водослива с широким порогом

Сооружения этого типа характерны тем, что при переливе через него на среднем участке гребня L_ср движение потока плавно изменяется, а на участке входа L_вх и слива L_сл поток является резкоизменяющимся.

Р - высота водослива;

δ - ширина водослива;

Н - напор на водосливе.

Для водослива с широким порогом характерно δ/Н>(2/3). Многие дорожные водопропускные трубы (безнапорные) при относительных длинах L|H≥работают как водослив с широким порогом.

Часть потока, расположенного выше водослива по течению, называется верхним бьефом. Часть потока, расположенная за водосливом - нижним бьефом.

Гребнем водослива называется линия, проведенная в пределах водосливного отверстия.

При подходе к водосливу скорость потока возрастает, а свободная поверхность понижается.

Н - геометрический (статический) напор на водосливе есть разница отметок гребня водослива и свободной поверхности потока перед ним на расстоянии (3-5) Н;

б) водослив с тонкой стенкой (рис. 8)

Рис. 8. Схема водослива с тонкой стенкой

К такому типу водосливов относится сооружения, для которых δ≤(0,1-0,5) Н на (рис. 8) показана величина z - геометрический перепад на водосливе. Это есть разность отметок свободной поверхности в верхнем бьефе;

в) водослив практического профиля (рис. 9)

Рис. 9. Схема водослива практического профиля

Такие типы водосливов занимают промежуточное положение (между водосливом с тонкой стенкой и водосливом с широким порогом).

Для такого водослива характерно 0,67≤ δ/Н≤(2-3).

У.В.Б и У.В.Б - уровень воды верхнего и нижнего бьефов;

V₀ - скорость подхода потока к водосливу, м/с;

Р_в - высота водослива, м;

T - бытовая глубина (глубина потока за водосливом), м;

H и z - напор и переход на водосливе, м;

H₀ и z₀ - напор и переход на водосливе с учетом скорости подхода потока, м.

По характеру сопряжения потока с нижним бьефом водосливы делятся на неподтопленные (рис. 8) и подтопленные (рис. 10).

Рис. 10. Подтопленный водослив с тонкой стенкой

Неподтопленными называется водосливы (см. рис. 8), когда параметры потока в нижнем бьефе не оказывают влияния на пропускную способность водослива.

Подтопленными являются водосливы, у которых пропускная способность изменяется с изменением уровня воды нижнего бьефа.

Величина расхода жидкости Q - через водослив зависит от геометрического напора Н на водосливе. Между этими величинами существует взаимное соответствие: Q=f(H).

На рис. 11 показана зависимость Q=f(H) для водослива

Рис. 11. Зависимость Q=f(H) для определенного типа водослива

Зная один из параметров Q-H, можно по кривой рассчитать другой параметр. Так, зная Н-напор на водосливе, можно определить Q - расход данного водослива и наоборот.

Основываясь на этом, водосливы применяются для измерения расходов в каналах, канализационных трубах и т.д.

Исходя из уравнения Д.Бернулли, была получена формула расхода на водосливе:

(7)

или

(8)

Формулы (7) и (8) получены исходя из того, что истечение через водослив рассматривается как истечение из большого прямоугольного отверстия в тонкой стенке шириной b и высотой Н,

где и - соответственно коэффициенты расхода и скорости для различных водосливов;

- условная площадь поперечного сечения, выражаемая через измеряемые величины.

Так для прямоугольного русла ,

здесь b - ширина прямоугольного русла, м;

Н - напор на водосливе (измеряется на расстоянии (3-5)Н от гребня водослива в верхнем бьефе), м.

После преобразования формулы (7), получается удобная для вычисления расхода на водосливе формула

(9)

Если поток подходит к водосливу с большой скоростью, то вместо формулы (9) применяют формулу

(10)

где Н₀ полный напор на водосливе:

(11)

V₀ - средняя скорость движения в верхнем бьефе.

Скорость V₀ может быть рассчитана по формуле

(12)

Как показывает опыт, коэффициент расхода на водосливе может быть рассчитан по формуле

(13)