Способ определения коэффициента гидравлической шероховатости в полевых условиях и устройство для его осуществления

Изобретение относится к сельскому хозяйству, в частности к способам и устройствам для изучения стока талых и дождевых вод, возникающего на стокоформирующей поверхности. Коэффициент гидравлической шероховатости в полевых условиях определяют путем внедрения тонкостенного стакана в водонасыщенный почвогрунт от вершин неровностей до их основания для установления высоты шероховатости, а затем определяют коэффициенты, зависящие от шероховатости и режима движения жидкости. Коэффициент гидравлической шероховатости представляет собой отношение приращения удельной энергии потока жидкости на взаимодействие с шероховатой поверхностью трения к удельной энергии потока жидкости при взаимодействии с гладкой поверхностью. Устройство состоит из тонкостенного стакана, установленного с помощью резьбового соединения на трубу, опоры, являющейся элементом базирования, штыря, регулируемого транспортира, установленного на трубу с помощью гайки, контргайки, патрубка для подачи воздуха под низким давлением, патрубка для подачи воздуха к микроманометру. Способ позволяет быстро и точно определить коэффициент гидравлической шероховатости в полевых условиях. Технический результат - упрощение способа и повышение точности определения коэффициента гидравлической шероховатости в полевых условиях. 2 н.п. ф-лы, 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 оценки гидравлического сопротивления в полевых условиях, заключающийся в определении гранулометрического состава сухого почвогрунта [1, стр.45].

К недостаткам известного способа относятся: трудоемкость и затраты времени на сушку и просеивание почвогрунта; искажение полученных результатов гранулометрического состава сухого почвогрунта применительно к действительной водонасыщенной стокоформирующей поверхности, в основном состоящей из водопрочных почвенных агрегатов размером 0,25...10 мм.

Известно устройство для измерения шероховатости, включающее измеритель давления и сопло с дискообразным торцом и элементами базирования [2].

Недостатком известного устройства является то, что при применении данного прибора требуется установка фиксированной величины зазора между соплом и контролируемой поверхностью при заданном давлении. Это устройство не может быть использовано для определения шероховатости деформируемой поверхности, так как зазоры в полевых условиях имеют достаточно большие значения, что требует высокого давления, которое может вызывать дефляцию частиц почвогрунта.

Коэффициент гидравлической шероховатости [3] представляет собой отношение приращения удельной энергии потока жидкости на взаимодействие с шероховатой поверхностью трения к удельной энергии потока жидкости при взаимодействии с гладкой поверхностью.

Цель изобретения - упрощение способа и повышение точности определения коэффициента гидравлической шероховатости в полевых условиях.

Поставленная цель достигается тем, что в способе определения коэффициента гидравлической шероховатости в полевых условиях, включающем определение шероховатости поверхности с помощью измерителя давления, согласно изобретению определяют шероховатость поверхности в полевых условиях путем внедрения тонкостенного стакана вращением в водонасыщенный почвогрунт от вершин неровностей до их основания, при этом во время опыта считают число полных оборотов и угол отклонения действительного положения тонкостенного стакана от нулевой отметки по регулируемому транспортиру в градусах, после чего определяют высоту неровностей, а затем по полученному значению высоты неровностей определяют коэффициенты n и p, зависящие от шероховатости водонасыщенного почвогрунта и от режим движения (для ламинарного движения р=0), а коэффициент гидравлической шероховатости в полевых условиях определяют из выражения

ϕ=(n+p)Re+pRe_КР,

где ϕ - коэффициент гидравлической шероховатости в полевых условиях; Re - расчетное значение числа Рейнольдса; Re_КР - критическое число Рейнольдса, определяющее границу между ламинарным и турбулентным режимом движения потока воды.

На фиг.1 показано устройство для определения коэффициента гидравлической шероховатости в полевых условиях; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1, на фиг.3 приведена тарировочная номограмма для определения коэффициентов n и р в зависимости от шероховатости Δ стокоформирующей поверхности, полученная по экспериментальным исследованиям.

Устройство состоит из тонкостенного стакана 1, установленного с помощью резьбового соединения на трубу 2, опоры 3, являющейся элементом базирования, штыря 4, регулируемого транспортира 5 установленного на трубу с помощью гайки 6, контргайки 7, патрубка 8 для подачи воздуха под низким давлением, патрубка 9 для подачи воздуха к микроманометру. Для создания низкого давления используется ресивер с редуктором давления (регулятором), позволяющим устанавливать постоянное низкое давление (условно не показаны на схеме). Также на схеме условно не показан микроманометр, определяющий отклик давления воздуха при полном контакте стакана и почвы.

Способ и устройство реализованы следующим образом. Предварительно перед началом опытов при помощи компрессора в ресивере создается высокое давление. Исследуемый участок стокоформирующей поверхности водонасыщают для заполнения подпочвенного пространства. Затем тонкостенный стакан 1, установленный с помощью резьбового соединения на трубу 2, размещается над поверхностью исследуемого участка путем внедрения штыря 4 в почвогрунт до опоры 3. Далее вращается тонкостенный стакан 1 до касания с вершиной неровностей. Регулируемым транспортиром 5, вращая гайку 6 и фиксируя ее контргайкой 7, устанавливается нулевая отметка с тонкостенным стаканом 1 (фиг.2).

При помощи редуктора давления, установленного на ресивер, по манометру устанавливается низкое давление 0,3...0,5 атм.

После чего заданное низкое давление воздуха подается по патрубку 8 в трубу 2 и через отверстия к тонкостенному стакану 1. В то же время вращается тонкостенный стакан 1 и по микроманометру, где столб жидкости резко поднимается, определяется момент отклика давления воздуха при полном контакте стакана и почвы, после чего опыт прекращается. Во время опыта считают число полных оборотов и угол отклонения действительного положения тонкостенного стакана от нулевой отметки по регулируемому транспортиру 5 в градусах.

Высота неровностей определяется по формуле

,

где Δ - высота неровностей стокоформирующей поверхности, мм; s - шаг резьбы, мм; к - число полных оборотов тонкостенного стакана; γ - угол, определяемый на регулируемом транспортере по нулевой отметке на тонкостенном стакане, град.

По полученному значению высоты неровностей определяются коэффициенты n и p, используя тарировочную номограмму (фиг.3), полученную по экспериментальным данным.

Далее полученные данные подставляются в выражение

ϕ=(n+p)Re+pRe_кр,

где ϕ - коэффициент гидравлической шероховатости в полевых условиях; n и р - коэффициенты, зависящие от шероховатости водонасыщенного почвогрунта и от режима движения (для ламинарного движения потока р=0). Re - расчетное значение числа Рейнольдса; Re_КР - критическое число Рейнольдса, определяющее границу между ламинарным и турбулентным режимом движения потока воды. В зависимости от формы поперечного сечения и других условий для открытых потоков на склонах Re_КР=300...700 [1, стр.45].

Пример реализации способа и устройства приведен в таблице, а также для определения коэффициентов n и p в зависимости от шероховатости стокоформирующей поверхности на фиг.3 представлена тарировочная номограмма, полученная по экспериментальным исследованиям. На фиг.3 стрелками показано определение n_C и p_C в зависимости от высоты неровностей Δ_C поверхности на стерни зерновых. В расчетах критическое число Рейнольдса было принято равным Re_КР=700. Шаг дюймовой резьбы на трубе s=1,74 мм. Расчетное число Рейнольдса было принято преимущественно для переходного режима течения талого стока вдоль склона на основе экспериментального материала.

Источники

1. Будник С.В. Гидравлическое сопротивление в склоновых водотоках // Вести. Моск. ун-та. Сер.5. Геогр. 2004. №4. С.44...48.

2. Авторское свидетельство СССР №1453171, кл. G01B 13/22, 1989.

3. Патент РФ №2292539. Способ определения гидравлических потерь на трение. Максимов И.И., Васильев С.А. Максимов В.И. Опубл. 27.01.07. Бюл. №3.

1. Способ определения коэффициента гидравлической шероховатости в полевых условиях, включающий измерение шероховатости поверхности с помощью измерителя давления, отличающийся тем, что измеряют шероховатость поверхности путем внедрения тонкостенного стакана вращением в водонасыщенный почвогрунт от вершин неровностей до их основания, при этом во время опыта считают число полных оборотов и угол отклонения действительного положения тонкостенного стакана от нулевой отметки по регулируемому транспортиру в градусах, после чего определяют высоту неровностей, а затем по полученному значению высоты неровностей определяют коэффициенты n и p, зависящие от шероховатости водонасыщенного почвогрунта и от режима движения (для ламинарного движения р=0); а коэффициент гидравлической шероховатости в полевых условиях определяют из выражения

ϕ=(n+p)Re+pRe_кр,

где ϕ - коэффициент гидравлической шероховатости в полевых условиях;

Re - расчетное значение числа Рейнольдса; Re_кр - критическое число Рейнольдса, определяющее границу между ламинарным и турбулентным режимом движения потока воды.

2. Устройство для определения коэффициента гидравлической шероховатости в полевых условиях, содержащее средство передвижения рабочей среды и сообщенные с ним измеритель давления и стакан, отличающееся тем, что в качестве стакана использован тонкостенный стакан, который установлен с помощью стандартного резьбового соединения на трубу с выходными отверстиями, с одной стороны которой размещен элемент базирования, а с другой - измеритель давления, причем на трубу также установлен регулируемый транспортир для предварительной установки нулевой отметки и угла последующего отклонения действительного положения стакана от указанной нулевой отметки.