Формы свободной поверхности при резком изменении уклона дна. 


Мы поможем в написании ваших работ!



ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?

Формы свободной поверхности при резком изменении уклона дна.



1. Оба уклона дна канала (i1 и i2) меньше критического (возникновение гидравлического прыжка невозможно)

2. оба уклона (i1 и i2) больше критического (прыжок также невозможен)

3. i1 < ik, i2 > ik (прыжок невозможен)

4. i1 > ik, i2 < ik (прыжок возникает)

1. Случай, когда прыжок в русле отсутствует. В случае спокойного движения воды построение кривой свободной поверхности следует вести снизу вверх, т.е. идя против течения.

2. Случай, когда в русле имеет место гидравлический прыжок. В этом случае i1>ik, i2<ik, h01 <hk, h02>hk. Здесь бурное течение переходит в в спокойное, свободная поверхность пересекает линию К-К, причем можно получить одну из трех схем свободной поверхности.

 


45. Классификация водосливов.

 

Если водный поток со свободной поверхностью перегородить какой-либо стенкой, то вода, уровень которой повысится перед стенкой, начнет переливаться через верхнее ребро или порог сооружения.

Стенка, через которую переливается вода, называется водосливной стенкой.

1. В зависимости от геометрической формы водосливного отверстия различают водосливы:

а) прямоугольные;

б) треугольные;

в) трапециидальные;

г) круговые;

 

2. По типу водосливной стенки:

а) водосливы с тонкой стенкой

б) водосливы с широким порогом

в) водосливы со стенкой практического профиля

 

3. По расположению водослива в плане, различают:

а) прямые или лобовые водосливы;

б) косые водосливы;

в) боковые водосливы.

4. По типу сопряжения струи с нижним бьефом, различают водосливы:

а) неподтопленные водосливы, когда Q и H или когда Q или H не зависят от глубины воды в нижнем бьефе hн;

б) подтопленные водосливы, когда Q и H или когда Q или H зависят от глубины воды в нижнем бьефе hн.

5. В зависимости от соотношения ширины отверстия и ширины русла B в плане:

а) водосливы без бокового сжатия, когда b = B;

б) водосливы с боковым сжатием, когда b<B. Струя, вытекающая через водослив, испытывает сжатие с боков, поэтому имеет ширину bc меньше ширины водослива b.

 

 


46. Основная расчетная формула для водослива.

Водослив- Преграда в потоке в виде стенки (порога), через которую осуществляется перелив жидкости.

Перед сооружением происходит торможение, что сопровождается подъемом уровня и накоплением энергии, необходимой для его преодоления.

Основная расчетная формула для прямоугольного водослива

 

Расход через водослив определяется по формуле:

 

, (2.1)

 

где – скорость на гребне водослива; – площадь струи на гребне водослива.

Так как площадь прямо пропорциональна произведению b H, а скорость величине , то расход можно переписать как

 

, или , (2.2)

 

где – коэффициент пропорциональности.

Влияние скорости подхода на величину расхода учитывается величиной полного напора . Следовательно, расчетная формула для определения расхода будет

 

. (2.3)

 

Безразмерный коэффициент называется коэффициентом расхода водослива.

 


47. Подтопленный водослив с тонкой стенкой.

 

Подтопленный водослив с тонкой стенкой получается при соблюдении следующих условий:

1) горизонт воды нижнего бьефа располагается выше гребня водослива hn>0, где hn – высота подтопления водослива, то есть превышение горизонта воды нижнего бьефа над гребнем водослива;

2) в нижнем бьефе имеет место спокойный режим движения воды.

Если в нижнем бьефе имеет место бурный режим, то за водосливом появляется отогнанный прыжок и водослив оказывается неподтопленным даже если соблюдается условие hn>0.

Когда русло нижнего бьефа прямоугольное и b=B, то спокойный режим в нижнем бьефе будет при условии, если так называемый относительный перепад Z<cн менее 0,7 ¸0,75.

Расход для подтопленного прямоугольного водослива без бокового сжатия определяется по формуле:

 

 


48. Водослив с широким порогом.

 

Водосливы с широким порогом – это сооружения, на гребне которых при переливе образуется участок с плавно из­меняющимся движением. Такой характер истечения наблюдается при δ/H>(2÷3)

Неподтопленный водослив с широким порогом характеризуется наличием двух перепадов свободной поверхности zв и zн.

Понижение свободной поверхности при входе потока на порог (на величину zв) объясняется уменьшением живого сечения потока за счет порога водослива.

 

С уменьшением живого сечения происходит увеличение скорости в этом сечении, а следовательно увеличение кинетической энергии. Потенциальная энергия при этом уменьшается, следовательно, свободная поверхность должна понижаться. Поэтому в случае спокойного движения всегда в местах стеснения потока имеет место снижение его свободной поверхности. Потери напора по длине вдоль порога такие, что ими можно пренебречь, поэтому свободная поверхность потока в пределах водослива горизонтальна и h1 = h2=h=const, где h– глубина воды на пороге водослива между сечениями 1-1 и 2-2, которые ограничивают участок плавно изменяющегося потока.

Скорость на пороге между сечениями 1-1 и 2-2 определяется по формуле: , где (zв)0 – полный верховой перепад. Коэффициент скорости

Расход:

Для того чтобы найти расход необходимо знать глубину h, которая при заданном напоре H устанавливается на пороге водослива.


49. Сопряжение бьефов.

 

Бьефом называется часть потока до или после гидротехнического сооружения, соответственно различают верхний и нижний бьефы.

При падении струи потока с порога перепада (рис. 5.1) или перелива скорость движения воды увеличивается и, как следствие, уменьшается живое сечение. Наименьшего значения живое сечение достигает у дна. Данное сечение получило название, сжатое сечение, а глубина потока в сжатом сечении называется сжатой глубиной. Как правило, сжатая глубина всегда меньше критической глубины, т. е. имеет место бурное движение.

 

 

 

В нижнем бьефе уклон дна часто меньше критического, следовательно, глубина воды в нижнем бьефе больше критической, а поток находится в спокойном состоянии. Величина глубины в нижнем бьефе в естественных руслах находится в ходе гидрологических изысканий. В литературе можно встретить название данной глубины – «бытовая». В искусственных, призматических руслах, глубина воды в нижнем бьефе находится из уравнения равномерного движения.

Переход потока из бурного состояния в спокойное сопровождается гидравлическим прыжком. В зависимости от соотношения второй сопряженной глубины и глубины потока в нижнем бьефе возможны три вида сопряжения бьефов.

Отогнанный прыжок. Если глубина, сопряженная сжатой, оказывается больше бытовой глубины, то сопряжение бьефов осуществляется в виде отогнанного прыжка (рис. 5.2). В этом случае гидравлический прыжок начинается на некотором расстоянии от сжатого сечения, это расстояние получило название длины отгона lотг. На этом участке глубины возрастают от hc до h 1. Сопряжение гидравлического прыжка со сжатым сечением осуществляется в виде кривой подпора с1. Длина кривой подпора рассчитывается аналогично рассмотренному материалу в разд. 4. Движение воды на участках отгона, гидравлического прыжка и послепрыжкового участка характеризуется большими придонными скоростями, а также значитель­ными пульсациями скоростей и давлений. Это приводит к необходимости укрепления русла на значительном по длине участке. Поэтому на практике стараются избегать данного вида сопряжения бьефов.

 

Затопленный прыжок. Если глубина нижнего бьефа больше второй сопряженной глубины, то происходит затопление сжатого сечения, прыжок пододвигается к перепаду (рис. 5.3). Этот вид сопряжения бьефов является наиболее приемлемым.

 

Прыжок в сжатом сечении. В этом случае вторая сопряженная глубина равна глубине в нижнем бьефе. Длина отгона равна нулю. Нет также и затопления прыжка.

Расчет сопряжения бьефов выполняется в следующей последовательности: определяется сжатая глубина; устанавливается вид сопряжения и если сопряжение осуществляется не в виде затопленного прыжка, производится расчет гасителя энергии потока.Без рисунка

 


50. Расчет водобойного колодца.

 

 

-глубина по графику, также как и сжатая


5 сжатая глубина


51. Расчет водобойной стенки.


52. Многоступенчатые перепады.

 

На каналах, проходящих по местности с большим уклоном, чтобы исключить движение воды со скоростями больше допустимых, устраивают сопрягающие сооружения (перепады).

В зависимости от количества ступеней различают одноступенчатые и многоступенчатые перепады.

Одноступенчатый: входа; стенки падения; водобоя и выхода.

При уклоне дна верхнего бьефа меньше критического в конце канала верхнего бьефа получается кривая спада b1, причем на водосливной грани устанавливается глубина, примерно равная критической.

В связи с тем, что глубины в конце канала верхнего бьефа уменьшаются, скорость движения воды увеличивается. Иногда входную часть выполняют в виде водослива практического профиля. Это приводит к увеличению глубин в конце верхнего бьефа и, следовательно, к уменьшению скорости движения воды.

Стенка падения может быть как вертикальной, так и наклонной.

Многоступенчатые перепады бывают колодезного и бесколодезного типа.

При гидравлическом расчете многоступенчатого колодезного перепада предполагают, что высота ступеней и ширина перепада задана.

В результате расчета устанавливают высоту водобойных стенок и длину колодцев.

 

Расчету подвергают первую, вторую и последнюю ступени. Каждую из ступеней рассчитывают как одноступенчатый перепад.

Расчет многоступенчатого бесколодезного перепада заключается в определении длины ступеней.

 

Длину ступеней назначают из условия установления в конце ступени глубины, равной критической. В этом случае энергия потока минимальна.

lст=lотл+l+lз

где l – длина кривой подпора, сопрягающая сжатую глубину с критической; lз=2hк


53. Движение грунтовых вод. Основной закон ламинарной фильтрации.

-движение воды в порах грунта называется фильтрацией


54. Определение коэффициента фильтрации.

55.

Коэффициент фильтрации зависит от величины и формы частиц и вязкости жидкости.


56. Неравномерное безнапорное движение грунтовых вод. Формула Дюпюи.

 

При плавноизменящемся движении скорости фильтрации во всех точках данного живого сечения равны средней скорости.

Средняя скорость в данном вертикальном сечении равна уклону свободной поверхности умноженному на коэфф. фильтрации.


57. Приток воды к круглому грунтовому колодцу.


58. Приток воды к водосборной галерее.


59. Фильтрация воды через земляную плотину.

Плоти́на — гидротехническое сооружение, перегораживающее водоток или водоём для подъёма уровня воды. Также служит для сосредоточения напора в месте расположения сооружения и создания водохранилища.

В земляных плотинах могут иметь место различные безопасные фильтрационные потоки — установившиеся и неустановившиеся. В большей степени фильтрационные расчеты разрабатывались применительно к более простому (и менее интересному) случаю установившегося движения воды из верхнего бьефа в нижний (см. рис. 2.10). Неустановившуюся фильтрацию (см. рис. 2.11) приходится рассчитывать на ЭВМ, пользуясь, например, методом конечных элементов или экспериментальным методом ЭГДА.

Главное назначение расчетов установившейся фильтрации — выявить основные параметры фильтрационного потока, необходимые: а) для расчета фильтрационной прочности тела плотины, ее основания и берегов; б) для расчета общей устойчивости откосов плотины и берегов; в) для правильного проектирования конструктивных элементов плотины. Кроме того, фильтрационный расчет позволяет выявить расход, исходя из которого следует вести гид рав лический расчет дренажа плотины. Кроме этого, определяют расход воды, бесполезно теряемой на фильтрацию из верхнего бьефа. Однако этот расход очень часто практически неинтересен иннду его малости.


60. Основы моделирования гидравлических явлений. Геометрическое, кинематическое и динамическое подобие.

 

Моделирование: физическое, аналоговое, численное

 

Геометрическое подобие: Две гидравлические системы (два гидравлических явления) будут геометрически подобными в том случае, если между сходственными размерами этих систем существует постоянное соотношение:

 

 


W- ускорение

 

Кинематическое подобие: Кинематически подобные системы должны быть геометрически подобными системами.

Траектории, описываемые сходственными частицами жидкости обеих систем геометрически подобны и одинаково ориентированы в пространстве.

 

Масштаб времени: Для кинематически подобных систем он постоянен по всему объему.

 

Динамическое подобие: Системы должны быть кинематически и геометрически подобны.

Две гидравлические системы будут динамически подобными, если векторное поле сил является геометрическим подобием векторному полю сил, действующих в соответственных точках другой системы, причем оба векторныз поля оказываются одинаково ориентированными в отношении границ рассматриваемых систем.

(по всему объему)

Динамически подобные системы являются механически подобными.

 

Для получения динамически подобной модели:

1. Русло модели геом.подобно действительному руслу.

2. На одной из границ модель в начальный момент времен задают соответствующие геометрические и кинематические параметры, подобные известным параметрам, имеющимся на следственной границе действительного потока.

3. Жидкость для опыта берут с плотностью и скоростью, при которых на фиксируемой границе потока имеет место динам. подобие.
61. Критерии подобия.

Рейнольдса

Число Рейнольдса – отношение сил инерции к силам вязкости.

При Re ниже критич. течение происходит в ламинарном режиме, при Re больше критич. возможно возникновение турбулентности

В круглых трубах за L принимают внутренний диаметр трубы D, в других случаях- гидравлический радиус.

 

Прандатля- физическая характеристика среды и зависит только от её термодинамического состояния.Pr= ν/a. a-температуроемкость.

При равенстве критерией Re и Pr – тепловое подобие.

Нуссельта- характеризует интенсивность процесса конвективного теплообмена. Nu=α l /λ

Nu=f(Re, Pr)

Грасгофа- характеризует относительную эффективность подъемной силы, вызванную свободным конвективным движением среды.

 

При свободно-вынужденном движении тепловые и гидромеханич. Процессы взаимосвязаны. Определяемый критерий- Эйлера. Eu=φ(Re, Gr,Pr)
62. Виды теплообмена.

 

Теплопроводность – перенос теплоты структурными частицами вещества, вследствие их теплового движения.

Возникает при неравномерном распределении температур в среде. В жидкостях и тв.диэлектриках перенос осуществляется средствами теплового движения молекул и атомов вещ-ва. В газообразных средах тепло передается путем непосредственного прикосновения молекул, имеющую различную скорость. В металлах теплопроводность осуществляется вследствие движения свободных электронов.

 

Конвекция- перенос теплоты при перемещении объемов газа или жидкости в пространстве из области с более низкой температурой в область с более высокой.

Может осуществляться в результате свободного или вынужденного движения теплоносителя (газа или жидкости). Свободное движение теплоносителя возникает тогда, когда его макрочастицы в различных участках системы находятся под действием неоднородного поля массовых сил. Вынужденное движение происходит под действием внешних сил.

Теплоотдача- теплообмен между движущейся средой и поверхностью какого-либо тела.

 

Тепловое излучение- процесс переноса теплоты электромагнитными волнами.

Передача обусловлена превращением внутренней энергии вещества в энергию излучения и его поглощения веществом.

Радиационально-конвективный перенос: теплообмен обусловлен совместным переносом теплоты излучением, теплопроводимостью и конвекцией.

Теплопередача – теплообмен между двумя жидкостями или газами, разделенными стенкой.
63. Температурное поле, температурный градиент.

Темп.поле – совокупность мгновенных значений температур во всех точках изучаемого пространства.

Уравнение темп.поля в математической форме: T= ʄ (x,y,z,τ)

Если температура не изменяется во времени, то оно стационарное.

T= ʄ (x,y,z,)

Температура может изменяться по направлению одной, двух, трех координат. Различают одномерные, двумерные и трехмерные темп. Поля.

T= ʄ (x,y,z,τ) T= ʄ (x,y,τ) T= ʄ (x,τ)

Температурное поле можно охарактеризовать с помощью серий изотермических поверхностей.

Изотермическая поверхность – геометрическое место точек с одинаковой темп. Они замкныту или выходят за границы тела. Не могут пересекаться(при разных темп)

Если тело рассечь плоскостью, то изотермические поверхности на этой плоскости изобразятся в виде их следов – изотермических линий (изотерм).

По расположению изотерм оценивают интенсивность изменения температур в различных направлениях. Чем чаще расположены, тем интенсивнее изменяется темпер.

 

Градиент температур- предел отношения изменения температуры Δt к расстоянию между изотермами по нормали.

Температурный градиент – вектор, направленный по нормали к изотермической поверхности в сторону возрастания температуры. [оС/м]

]
64. Закон Фурье. Теплопроводность.

Закон Фурье

Согласно гипотезе Фурье, количество теплоты d2Qτ, проходящее через элемент изотермической поверхности dF за промежуток времени , пропорционально температурному градиенту :

. (1)


Здесь множитель λ называется коэффициентом теплопроводности. Знак минус указывает на то, что теплота передается в направлении уменьшения температуры. Количество теплоты, прошедшее в единицу времени через единицу изотермической поверхности, называется плотностью теплового потока:

. (2)


Проекции вектора q на координатные оси соответственно:

   

 

Уравнения (1) и (2) являются математическим выражением основного закона теплопроводности — закона Фурье.

Количество теплоты, проходящее в единицу времени через изотермическую поверхность F, называется тепловым потоком:

. (3)


Полное количество теплоты, прошедшее через эту поверхность за время τ, определится из уравнения

. (4)

 

 

Теплопроводность

Коэффициент теплопроводности

Коэффициент теплопроводности является физическим параметром вещества, характеризующим его способность проводить теплоту. Коэффициент теплопроводности определяется из уравнения (1):

(5)

Численно коэффициент теплопроводности равен количеству теплоты, проходящему в единицу времени через единицу изотермической поверхности при условии gradt=1. Его размерность Вт/(м·К). Для большинства материалов зависимость коэффициента теплопроводности от температуры приближенно можно выразить в виде линейной функции

(6)

где λ0 — значение коэффициента теплопроводности при температуре t0=0 0С; b — постоянная, определяемая опытным путем.

Наихудшими проводниками теплоты являются газы. Коэффициент теплопроводности газов возрастает с увеличением температуры и составляет 0,006÷0,6 Вт/(м·К). Для жидкости λ=0,07÷0,7 Вт/(м·К) и, как правило, уменьшается с увеличением температуры. Коэффициент теплопроводности воды с увеличением температуры возрастает до максимального значения 0,7 Вт/(м·К) при t=120 0С и дальше уменьшается.

Наилучшими проводниками теплоты являются металлы, у которых λ=20÷418 Вт/(м·К). Самый теплопроводный металл — серебро. Материалы с λ<0,25 Вт/(м·К), обычно применяемые для тепловой изоляции, называют теплоизоляционными.

Дифференциальное уравнение теплопроводности

При выводе дифференциального уравнения теплопроводности считаем, что тело однородно и изотропно (то есть физические свойства тела не зависят от выбранного в нём направления), физические параметры λ, с(теплоемкость), и ρ (плотность) постоянны, внутренние источники теплоты равномерно распределены в теле. Под внутренними источниками теплоты понимаются тепловыделения, например, в тепловыделяющих элементах атомных реакторов, или при прохождении тока в электрических проводниках. Внутренние источники теплоты характеризуются величиной qv — количеством теплоты, которое выделяется в единице объема в единицу времени.

В основу вывода положен закон сохранения энергии, согласно которому вся теплота, выделенная внутренними источниками dQвн и внесенная извне в элементарный объем путем теплопроводности dQm за время dτ, идет на изменение внутренней энергии вещества, содержащегося в этом объеме:

(7)

 

Это уравнение называется дифференциальным уравнением теплопроводности или уравнением Фурье и лежит в основе математической теории теплопроводности. Коэффициент температуро-проводности a является физическим параметром вещества. Из уравнения (8) следует, что измене-ние температуры во времени для любой точки тела пропорционально величине a

 

Краевые условия

Существуют различные условия однозначности: геометрические — характеризующие форму и размеры тела, в котором протекает про­цесс теплопроводности; физические — характеризующие физические свойства тела; временные — характеризующие распределение температуры тела в начальный момент времени; граничные — характеризующие взаимодействие тела с окружающей средой. Граничные условия в свою очередь бывают трех родов:

1) первого рода, задается распределение температуры на поверхности тела в функции времени;

2) второго рода, задается плотность теплового потока для всей поверхности тела в функции времени;

3) третьего рода, задаются температура окружающей среды tж и закон теплоотдачи между поверхностью тела и окружающей средой — закон Ньютона—Рихмана:

(9)

Плотность теплового потока, передаваемого от поверхности тела в окружающую среду,

(10)

Согласно закону сохранения энергии, эта теплота равна теплоте, подводимой к поверхности изнутри тела путем теплопроводности:

(11)

(12)

получаем математическую формулировку граничных условий третьего рода. В результате решения дифференциального уравнения теплопроводности совместно с условиями однозначности можно найти температурное поле, а на основании закона Фурье — соответствующие тепловые потоки.


65. Передача тепла через плоскую стенку.



Поделиться:


Последнее изменение этой страницы: 2017-01-26; просмотров: 556; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы!

infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 18.208.172.3 (0.153 с.)