Способ определения смоченного периметра для русла с шероховатой поверхностью

Изобретение относится к сельскому хозяйству, в частности к способам для изучения стока талых и дождевых вод, возникающего на стокоформирующей поверхности. Технический результат изобретения - упрощение способа и повышение точности определения смоченного периметра для шероховатого русла. Сущность изобретения: моделируют процесс взаимодействия потока воды с шероховатой поверхностью путем замены рабочей части наклонного лотка, выполненной с исследуемой шероховатой поверхностью, прецизионно изготовленным образцом с гидравлически гладкой поверхностью, находят зависимость высоты потока от расхода воды для гидравлически гладкой поверхности. Прецизионно изготовленный образец с гидравлически гладкой поверхностью заменяют на рабочую часть, выполненную с исследуемой шероховатой поверхностью, и находят графическую зависимость высоты потока от расхода воды для шероховатой поверхности. Коэффициент смоченного периметра определяют путем отношения критических расходов воды, соответствующих критическому числу Рейнольдса, на границе между ламинарным и переходным режимами течения воды, соответственно для шероховатой и гидравлически гладкой поверхностей русла. Величину смоченного периметра для шероховатой поверхности определяют как произведение коэффициента смоченного периметра на смоченный периметр для гидравлически гладкой поверхности. 1 табл., 3 ил.

 

Изобретение относится к сельскому хозяйству, в частности к способам и устройствам для изучения стока талых и дождевых вод, возникающего на стокоформирующей поверхности (на склонах, в овражно-балочной сети, во временных руслах и т.д.), и может быть использовано в области гидрологии, гидротехники, гидромелиорации, в промышленно-гражданском и дорожном строительстве.

Известен способ определения смоченного периметра, как элемента живого сечения потока, для призматических русел [1]. Например, круглое живое сечение имеет смоченный периметр, равный длине окружности [1, с.93]

χ=2πR,

где R - радиус круглого живого сечения.

Для правильных прямоугольных русел смоченный периметр определяют по сумме ширины и удвоенной высоты потока жидкости [1, с.247]

χ=B+2h,

где В - ширина русла, h - высота потока движущейся жидкости.

Недостатком известного способа является то, что для всех приведенных сечений точность определения смоченного периметра зависит от гидравлической гладкости русла. Для шероховатых поверхностей смоченный периметр существенно больше, чем для гладких. При проведении гидравлических расчетов данный факт не учитывают или применяют приближенное определение смоченного периметра для шероховатого русла.

Известен также способ определения смоченного периметра на шероховатой поверхности, предложенный проф. А.А.Сабанеевым [2, с.130], основанный на замене действительного смоченного периметра ломаной линией. Здесь для каждого из отрезков ломаной линии устанавливается угол наклона ее к горизонту ϕ

где Δh_i - высота отрезков ломаной линии; Δb_i - длина проекции каждого отрезка по горизонтали,

и определяется ее длина

Суммируя значения Δχ_i, получают выражение для смоченного периметра в виде:

Однако действительный смоченный периметр не может быть заменен ломаной линией, так как шероховатая поверхность сложена из мелких частиц, имеющих различную форму очертания (окружность, эллипс и других фигур более сложной формы).

Цель изобретения - упрощение способа и повышение точности определения смоченного периметра для шероховатого русла.

Поставленная цель достигается тем, что в способе определения смоченного периметра для русла с шероховатой поверхностью, включающем моделирование процесса взаимодействия потока воды с шероховатой поверхностью, для которого используют рабочую часть наклонного лотка, выполненную в виде прецизионно изготовленного образца с гидравлически гладкой поверхностью, задают с помощью системы питания постоянного напора расходы воды и замеряют высоту потока во входной и выходной частях лотка, находят графическую зависимость высоты потока от расхода воды для гидравлически гладкой поверхности, прецизионно изготовленный образец с гидравлически гладкой поверхностью заменяют на рабочую часть, выполненную с исследуемой шероховатой поверхностью, задают расходы воды и замеряют высоту потока во входной и выходной частях лотка, находят графическую зависимость высоты потока от расхода воды для шероховатой поверхности, по графическим зависимостям определяют критические расходы воды для шероховатой и гидравлически гладкой поверхности, соответствующие критическому числу Рейнольдса на границе между ламинарным и переходным режимами течения воды, выраженные на кривых резким увеличением высоты потока, определяют коэффициент смоченного периметра k как отношение критических расходов воды, соответствующих критическому числу Рейнольдса, на границе между ламинарным и переходным режимами течения воды, соответственно для шероховатой и гидравлически гладкой поверхностей:

где - критический расход воды в м³/с, соответствующий критическому числу Рейнольдса, на границе между ламинарным и переходным режимами течения воды на шероховатой поверхности, определяемый по графической зависимости ;

- критический расход воды в м³/c, соответствующий критическому числу Рейнольдса, на границе между ламинарным и переходным режимами течения воды на гидравлически гладкой поверхности, определяемый по графической зависимости ;

h - высота потока воды в выходной части лотка, м,

и определяют величину смоченного периметра для шероховатой поверхности как произведение коэффициента смоченного периметра на смоченный периметр для гидравлически гладкой поверхности:

χ_Ш=kχ_Г,

где χ_Ш - смоченный периметр шероховатой поверхности, м;

χ_Г - смоченный периметр гидравлически гладкой поверхности, м.

На фиг.1 показано устройство для реализации предложенного способа [3]; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1.

Устройство состоит из наклонного лотка 1, закрепленного на основании 2 (фиг.1), где лоток составлен из трех отдельных составных частей, состоящих из входной и выходной 3, выполненных с гидравлически гладкой поверхностью (например, зеркальное стекло), и рабочей 4, выполненной с исследуемой шероховатой поверхностью, прецизионно устанавливаемой между входной и выходной частями с помощью микрометрических винтов 5, размещенных в основании 2, микрометров 6 с мерными иглами 7, установленных во входной и выходной частях лотка вдоль его продольной оси на боковых стенках (фиг.2), уголков 8, размещенных с боков основания по всей длине, обеспечивающих прямолинейность лотка 1, системы питания 9 постоянного напора, успокоителя 10 и зажима Гофмана 11.

Способ реализуется следующим образом. Предварительно перед началом опытов взамен рабочей части 4 в лоток 1 устанавливается прецизионно изготовленный образец с гидравлически гладкой поверхностью, например зеркальное стекло, которое по линиям стыка гидроизолируется (условно не показано). Затем с помощью системы питания постоянного напора устанавливается предварительно рассчитанный расход воды Q_В

где Re_КР≈1000 - критическое число Рейнольдса для безнапорных потоков; В - ширина лотка, м; ν - кинематическая вязкость воды, м²/с.

Открывается зажим Гофмана 11 и при помощи микрометров 6 с мерной иглой 7 замеряется высота потока воды во входной h_в1 и выходной h частях лотка 1. Далее увеличивают расход воды и проводят опыты по вышеприведенной методике. Задавая расходы, определяется высота потока воды во входной h_в1 и выходной h частях лотка 1. Полученные результаты заносятся в журнал наблюдений, где строится график зависимости высоты потока от расхода воды h=f(Q).

Затем взамен зеркального стекла в лоток 1 устанавливается рабочая часть 4 с исследуемой шероховатой поверхностью. Места стыка рабочей части 4 и лотка 1 гидроизолируются. Открывается зажим Гофмана 11 и при помощи микрометров 6 с мерной иглой 7 замеряется высота потока воды во входной части лотка h_в (в результате исследований было установлено, что для одних и тех же заданных расходов высота потока h_в≈h_в1, поэтому h_в не замеряется) и высота потока воды в выходной h части лотка 1.

Полученные результаты заносятся в журнал наблюдений, где строится график зависимости высоты потока от расхода воды h=f(Q). По графику определяются критические расходы воды и , соответствующие критическому числу Рейнольдса, на границе между ламинарным и переходным режимами течения воды, выраженной на кривых h=f(Q) резким увеличением высоты потока, соответственно для шероховатой и гидравлически гладкой поверхностей.

Выразим критическое число Рейнольдса для безнапорных потоков для гидравлически гладкой поверхности

и для исследуемой шероховатой поверхности

На границе между ламинарным и переходным режимами число Рейнольдса практически одинаково для гладкой и шероховатой поверхности русла. Последнее подтверждается многочисленными исследованиями. Так по данным Чугаева Р.Р. [1, с.126] число Рейнольдса Re не зависит от шероховатой поверхности, а на величину числа Рейнольдса Re в значительной мере влияет поперечное сечение потока.

Приравняв выражения (1) и (2), получим, что соотношение смоченных периметров шероховатой и гидравлически гладкой поверхностей равно соотношению критических расходов воды, соответствующих критическому числу Рейнольдса, на границе между ламинарным и переходным режимами течения воды на шероховатой и гидравлически гладкой поверхностях

Определим коэффициент смоченного периметра через соотношение критических расходов

и величину смоченного периметра для шероховатой поверхности

χ_Ш=kχ_Г,

где k - коэффициент смоченного периметра; χ_Ш - смоченный периметр шероховатой поверхности, м; χ_Г - смоченный периметр гидравлически гладкой поверхности, м; - критический расход воды в м³/c, соответствующий критическому числу Рейнольдса, на границе между ламинарным и переходным режимами течения воды на шероховатой поверхности, определяемый по графической зависимости , полученной в результате эксперимента; - критический расход воды в м³/с, соответствующий критическому числу Рейнольдса, на границе между ламинарным и переходным режимами течения воды на гидравлически гладкой поверхности, определяемый по графической зависимости , полученной в результате эксперимента.

Пример реализации способа приведен в таблице, а также на фиг.3 представлен график зависимости высоты потока h от расхода воды Q для разных средних диаметров зерен, слагающих русло (на фиг.3 стрелками показано определение и ). Фракции частиц определенного среднего диаметра d получены с помощью ситового анализа речного песка.

Источники информации

1. Чугаев P.P. Гидравлика: учебник для вузов / Р.Р.Чугаев - Л.: Энергоиздат, 1982. - 672 с.

2. Зегжда А.П. Теория подобия и методика расчета гидротехнических моделей. / А.П. Зегжда - Л.: Госстройиздат, 1938. - 164 с.

3. Патент РФ №2021647, кл. А 01 В 13/16, 1994.

Способ определения смоченного периметра для русла с шероховатой поверхностью, включающий моделирование процесса взаимодействия потока воды с шероховатой поверхностью, отличающийся тем, что для его осуществления используют рабочую часть наклонного лотка, выполненную в виде прецизионно изготовленного образца с гидравлически гладкой поверхностью, задают с помощью системы питания постоянного напора расходы воды и замеряют высоту потока во входной и выходной частях лотка, находят графическую зависимость высоты потока от расхода воды для гидравлически гладкой поверхности, прецизионно изготовленный образец с гидравлически гладкой поверхностью заменяют на рабочую часть, выполненную с исследуемой шероховатой поверхностью, задают расходы воды и замеряют высоту потока во входной и выходной частях лотка, находят графическую зависимость высоты потока от расхода воды для шероховатой поверхности, по графическим зависимостям определяют критические расходы воды для шероховатой и гидравлически гладкой поверхности, соответствующие критическому числу Рейнольдса на границе между ламинарным и переходным режимами течения воды, выраженные на кривых резким увеличением высоты потока, определяют коэффициент смоченного периметра k как отношение критических расходов воды, соответствующих критическому числу Рейнольдса, на границе между ламинарным и переходным режимами течения воды, соответственно для шероховатой и гидравлически гладкой поверхностей

где - критический расход воды в м³/с, соответствующий критическому числу Рейнольдса, на границе между ламинарным и переходным режимами течения воды на шероховатой поверхности, определяемый по графической зависимости

- критический расход воды в м³/с, соответствующий критическому числу Рейнольдса, на границе между ламинарным и переходным режимами течения воды на гидравлически гладкой поверхности, определяемый по графической зависимости

h - высота потока воды в выходной части лотка, м,

и определяют величину смоченного периметра для шероховатой поверхности как произведение коэффициента смоченного периметра на смоченный периметр для гидравлически гладкой поверхности

где- смоченный периметр шероховатой поверхности, м;

- смоченный периметр гидравлически гладкой поверхности, м.