Рух рідин у каналах та інших відкритих руслах.

Канали - це штучні русла, які належать до відкритих русел, тобто на вільній поверхні в них діє атмосферний тиск, а тому рух рідини в каналах безнапірний. Прикладами є меліоративні та обводнювальні канали.

До інших відкритих русел належать струмки, річки, морські протоки.

У цьому розділі розглядаються канали з рівномірним рухом рідини,  умовою якого є постійність витрати рідини (Q = const), живого перерізу (ω =const), гідравлічного похилу I, однакового з похилом дна каналу, і шорсткості русла (коефіцієнт шорсткості п = соnst) та відсутність місцевих опорів. Цих умов можна досягти тільки в штучних руслах.

При рівномірному русі гідравлічний I, п'єзометричний I _п та похил дна каналу і рівні між собою:

I=I п =i.                   (1.288)

П'єзометрична лінія потоку П-П співпадає з вільною поверхнею, глибина потоку називається нормальною глибиною, а лінія вільної поверхні - лінією нормальних глибин.

За формою поперечного перерізу канали бувають прямокутні, трикутні, трапецеїдальні, напівкруглі та параболічні (рис. 1.63).

 

Рис. Схеми поперечного перерізу каналів:

1 – прямокутного; 2 – трикутного; 3 – трапецеїдального; 4 – напівкруглого; 5 – параболічного.

Поперечний переріз каналу, при якому (при ω = со nst) змочений периметр χ  буде найменшим, а гідравлічний радіус R = ω/χ найбільшим, називається гідравлічна найвигіднішим. Такий канал, за всіх рівних умов, у порівнянні з іншими каналами забезпечує найбільшу витрату рідини.

З різних форм поперечного перерізу найбільш вигідним є напівкруглий, але побудувати канал з таким перерізом складно.

Найбільш уживаними є канали з трапецеїдальною формою поперечного перерізу (рис. 1.64), які порівняно легко споруджувати, і вони, за певних умов, близькі до гідравлічне найвигідніших.

 

 

Рис. 1.64. Схема поперечного перерізу каналу трапецеїдальної форми:

В - ширина каналу зверху; В_ур - ширина каналу по урізу рідини (води); Н - глибинаканалу; h_н - глибина рідини в каналі (глибина наповнення); ω - площа поперечного перерізу; а - закладення схилу каналу; а_н - закладення схилу каналу, яке відповідає глибині наповнення; т - коефіцієнт закладення схилу; α - кут нахилу схилу; Δh - запас каналу в дамбах

Значення окремих елементів поперечного перерізу каналу трапецеїдальної форми (рис. 1.64) визначаються за такими формулами.

Площа поперечного перерізу

Ω =(b + mh _н) h _н,                   (1.289)

де b - ширина каналу по дну; т - коефіцієнт закладення схилу (т = c tgα = а / Н); h _н - глибина наповнення каналу.

Довжина змоченого периметра трапецеїдального каналу

χ = b+2h _н .            (1.290)

Гідравлічний радіус

,     (1.291)

Ширина каналу по урізу рідини (води)

В_ур= b+mh _н.                 (1.292)

На рис. 1.65 показаний поздовжній переріз каналу. Згідно з рисунком, похил дна каналу і -

і= ,                  (1.293)

де z ₁, z ₂ - відмітки дна на початку і в кінці каналу, l – довжина каналу.

 

 

Рис. 1.65. Поздовжній переріз канапу з рівномірним рухом рідини (води)

 

Водозливи.

Водозливами називаються споруди, які перегороджують потік рідини і через які відбувається її перелив. Прикладами таких споруд є греблі, шлюзи, гідрометричні водомірні водозливи. Частина потоку, яка знаходиться перед водозливом, називається верхнім б'єфом (ВБ) (від франц. bief - млиновий потік, шлюзовий жолоб), а частина потоку, яка знаходиться за течією нижче водозливу, - нижнім б'єфом (НБ) (рис. 1.66). Верхня частина водозливу, через яку переливається рідина, називається порогом водозливу. Висота рівня рідини верхнього б'єфа над порогом водозливу називається напором на водозливі і позначається H.

Водозливи класифікуються: за товщиною водозливної стінки й окресленням самого порога; розташуванням і формою водозливної стінки в плані; формою водозливного отвору; умовами підходу потоку до водозливу; характером протікання рідини через водозлив; умовами спряження б'єфів.

 

 

Рис. 1.66. Схема водозливу:

РВБ - відмітка горизонту (рівня) верхнього б'єфа; РНБ - відмітка горизонту нижнього б'єфа; H - напір на водозливі (геометричний); V₀ - швидкість підходу рідини (середня швидкість потоку на відстані (З...4) Н від гребня водозливу); Н₀ - повний напір на водозливі; Р₁ - висота порогу водозливу з боку верхнього б'єфа; Р₂ - висота порогу водозливу з боку нижнього б'єфа; h _п - глибина рідини в нижньому б'єфі (побутова); В - ширина водозливу; δ - товщина водозливу; Z - різниця відміток горизонтів (рівнів) води у верхньому й нижньому б'єфах (гідравлічний перепад)

Таким чином, водозливи класифікуються:

1. За шириною і формою порогу:

а) з тонкою стінкою δ <0,5 Н (рис. 1.67, а);

б) практичного профілю 0,5 Н < δ < 2 Н (рис. 1.67, б, в);

в) з широким порогом 2Н < δ <(8... 10) H (рис. 1.67, г).

2. За формою вирізу: прямокутні, трапецеїдальні, трикутні.

3. За умовами спряження б 'єфів: непідтоплені (рис.1.68, а), підтоплені (рис. 1.68, б).

 

 

Рис 1.67. Схеми водозливів:

а – з тонкою стінкою; б, в - практичного профілю; г – з широким порогом.

 

Рис 1.68. Схеми непідтопленого і підтопленого водозливів:

а – непідтоплений; б – підтоплений.

 

Непідтопленим називається водозлив, на якому рівень води (рідини) нижнього б'єфа не чинить впливу на горизонт води верхнього б'єфа. Якщо ж рівень нижнього б'єфа впливає на горизонт верхнього б'єфа, то водозлив називається підтопленим.

Основним гідравлічним показником водозливів є витрата рідини, яка для прямокутного водозливу визначається залежністю

Q = m ₀ bH ,             (1.300)

де т ₀ - коефіцієнт витрати водозливу, визначається за окремою формулою і залежно від типу водозливу становить 0,4...0,6; b - ширина порога водозливу; Н - напір на водозливі.

Перетікання рідини через водозливи за певних умов супроводжується гідравлічним стрибком.

Гідравлічний стрибок - це явище різкого переходу потоку рідини від бурхливого до спокійного стану. Він має місце при переливі рідини через гідротехнічні споруди, зміни похилу дна русла (рис.1.69).

Безстрибковий перехід потоку з бурхливого в спокійний стан неможливий. Гідравлічний стрибок складається з вальця і транзитної струмини. Він характеризується довжиною l _г.с., за яку прийнято вважати довжину горизонтальної проекції

 

 

Рис. 1.69. Схема гідравлічного стрибка:

а - при переливі води через водозлив; б - при зменшенні нахилу дна русла; 1 - валець; 2 - транзитна струмина; h₁, h₂ - глибина води в стрибку відповідно на його початку й у кінці - взаємні, або спряжені, глибини; h_к - критична глибина;  - l _г.с.- довжина стрибка.

поверхневого вальця і яка визначається залежністю

l _г.с. =5(h ₂ - h ₁),                (1.301)

де h ₂, h ₁ - спряжені глибини води (рідини).

Висота гідравлічного стрибка визначається залежністю

а = h ₂ - h ₁,                   (1.302)

де а - висота стрибка.

Гідравлічний стрибок буває різних видів:

1. Досконалий - це стрибок з явно вираженим поверхневим вальцем. При цьому виді стрибка h ₂ / h ₁ ≥ 2, або a > h ₁ (рис. 1.69).

2. Хвилястий - це стрибок порівняно невеликої висотибез вальця, що набирає форми ряду поступово затухаючих хвиль (рис.1.70, а). При цьому      h ₂ / h ₁ < 2, або a < h ₁

3. Підтоплений - це стрибок, який виникає перед перепоною, що не дозволяє переміщуватись гідравлічному стрибку проти течії, наприклад, при затопленому витіканні з-під щита (рис. 1.70, б).      

4. Підпертий - це стрибок, який виникає перед перешкодою, відрізняється від досконалого стрибка меншою довжиною, викривленою транзитною струминою й наявністю під нею ще одного вальця (рис. 1.70, в).                                           

5. Поверхневий - це стрибок з розширеним донним вальцем.

Виникає на початку стрибка, як правило, за уступом (рис. 1.70, г). Як бачимо, гідравлічний стрибок виникає при спряженні б'єфів, і його дія може викликати руйнування русла нижнього б'ефа. Тому на практиці досягається таке спряження б'єфів, при якому стрибок був би безпечним, а цій вимозі найкраще відповідає затоплений стрибок (рис. 1.71).

 

Рис. 1.70. Схеми гідравлічних стрибків різних видів

а – хвилястого;

б – підтопленого;

в – підпертого;

г – поверхневого.