Материал: 4536

6

быстротока не изменяются по длине.

Таким образом, расчет потока на водоскате сводится к определению анализу кривой свободной поверхности, определению типа этой

кривой и ее расчету, т. е. отысканию глубин в различных сечениях по длине вплоть до конца транзитной части.

Расчет кривой свободной поверхности на водоскате производится по любому из способов расчета при

Если транзитная часть быстротока состоит из двух или более частей с разными уклонами ( i1 iкр i2 iкр и т. д.), то ниже места изменения уклона образуются различные кривые свободной поверхности в зависимости от соотношения i1 и i1 при i1 i2 обычно наблюдается кривая подпора

а при i1 i2 - кривая спада IIb .

Строго говоря, глубины должны назначаться по нормали к дну (живое сечение нормально к линиям тока), но очень часто под глубиной понимают расстояние от дна до свободной поверхности по вертикали.

1.3.Аэрация потока на быстротоках.

При входе потока (рис. 3) на начальный участок I длиной l

происходит нарастание турбулентного пограничного слоя вплоть до его выхода на поверхность. Свободная поверхность на этом участке остается ненарушенной какими-либо возмущениями, отсутствует рябь на свободной поверхности. В пределах начального участка существует ядро постоянных скоростей.

7

Рисунок 3 – Аэрация потока на быстротоке.

Условно можно считать, что на участке II длиной l происходит зарождение волн, которые затем обрушиваются. В створе 2-2 происходит начало аэрации, ниже этого створа - участок неравномерного движения аэрированной жидкости III , а за ним, если достаточна длина водоската, -

участок равномерного движения (IV).

В настоящее время предложены две гипотезы возникновения аэрации.

Согласно первой аэрация на водосбросах происходит при разрушении волн,

образующихся на свободной поверхности; по второй под воздействием поперечной (нормальной к направлению движения) пульсационной составляющей скорости через свободную поверхность в воздушную среду выбрасываются капли воды, а в образовавшихся на поверхности воды полостях (кавернах) защемляется воздух.

В явлении аэрации существенное значение имеет поверхностное натяжение, способствующее неизменности свободной поверхности.

1.4.Волнообразование на быстротоках.

При определенных условиях, как будет показано ниже, может произойти потеря устойчивости потока на быстротоке, которая выражается в образовании на транзитной части катящихся волн (рис.14). Они образуются в некотором сечении 1-1, затем высота (и длина) волн увеличиваются.

8

Наконец, в сечении, находящемся на расстоянии lпред от сечения 1-1, где

начинается волнообразование, волны могут достичь предельного развития, а

далее происходит движение волн с неизменным профилем. При этом максимальная глубина воды в сечении с вершинами волн превышает расчетную нормальную глубину ho на водоскате при одном и том же расходе.

Если длина водоската ниже сечения, где начинается волнообразование,

меньше, чем lпред , то высота катящихся волн не достигает максимального

значения.

На участке кривой подпора возникшее выше по течению волновое движение усиливается, на участке кривой спада, наоборот, затухает.

Волны могут вызывать значительные всплески в зоне сопряжения в выходной части быстротока и неустановившееся движение в отводящем канале, что крайне нежелательно.

Рисунок 6 - Волнообразование на быстротоках.

Источником волнообразования являются турбулентные возмущения.

Если они достигают свободной поверхности сразу по всей ширине потока, то это может привести к образованию катящихся волн.

Если анализируются возможность появления катящихся волн и их

9

движение для неравномерного движения, то соответствующие величины относятся к началу волнообразования.

Детальные расчеты движения катящихся волн, а также анализ условий,

в которых без опасности для сооружения может быть допущено волновое движение описанного вида на быстротоках, необходимо выполнять в соответствии с нормативами.

Для увеличения устойчивости бурного потока в ряде случаев применяются различные конструктивные меры: «безволновые» формы поперечного сечения быстротока (параболическая, треугольная,

эллиптическая, гиперболическая и с продольными треугольными углублениями в дне) - рис.16, или устраиваются продольные стенки.

Рисунок 8 - Формы поперечного сечения быстротока

1.5.Расчет выходной части.

Выходная часть обычно имеет уклон дна i iкр и, следовательно,

поток в бытовых условиях находится в спокойном состоянии.

Образующийся гидравлический прыжок может быть надвинутым,

отогнанным или начинаться непосредственно у конечного сечения водоската.

Поскольку ширина отводящего канала (русла) обычно больше, чем ширина быстротока в конце его транзитной части, устраивают расширяющийся переходный участок. При надвинутом на водоскат гидравлическом прыжке,

полностью размещенном на транзитной части, на переходном участке будет происходить неравномерное движение в непризматическом ( db / dl 0)

10

русле, причем растекающийся поток - в спокойном состоянии.

При устройстве, например, водобойного колодца его ширину часто назначают равной ширине водоската, и тогда на переходном участке

расширяется поток, находящийся в спокойном состоянии.

Гидравлический прыжок также может быть размещен в расширяющемся (в плане) водобойном колодце. Расчет при этом ведется на

основе уравнения гидравлического прыжка в русле переменного сечения.

Определив вторую сопряженную глубину, найдем длину водобойного колодца. При центральном угле расширения 7°) глубины в

каждом сечении растекающегося бурного потока приблизительно постоянны и гидравлический прыжок в плане нормален к оси потока. При больших гидравлический прыжок в плане имеет криволинейную форму.

Если переходный участок, в котором происходит растекание,

запроектировать расширяющимся, то можно будет изменять удельный расход в сечении, где начинается гидравлический прыжок. В связи с этим

изменяется значение второй сопряженной глубины.

Часто применяется схема, когда поток, находящийся в бурном состоянии, растекается в расширяющемся переходном участке (обычно i =0),

а в конце этого участка начинается водобойный колодец той же ширины, что и дно отводящего канала. Размещение колодца именно в конце расширяющегося участка, где стенки сопрягаются со стенками на выходе из расширения, способствует гашению волн возмущения, которые могут возникнуть в этом месте. Очертание боковых стенок, обеспечивающее достаточно удовлетворительные условия расширения, соответствует

Для различных отношений b / bотв в прямоугольном канале ( b -

ширина в начале расширения, bотв - ширина отводящего канала) построен график (рис.9).