Заглавная страница Избранные статьи Случайная статья Познавательные статьи Новые добавления Обратная связь FAQ Написать работу КАТЕГОРИИ: АрхеологияБиология Генетика География Информатика История Логика Маркетинг Математика Менеджмент Механика Педагогика Религия Социология Технологии Физика Философия Финансы Химия Экология ТОП 10 на сайте Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрацииТехника нижней прямой подачи мяча. Франко-прусская война (причины и последствия) Организация работы процедурного кабинета Смысловое и механическое запоминание, их место и роль в усвоении знаний Коммуникативные барьеры и пути их преодоления Обработка изделий медицинского назначения многократного применения Образцы текста публицистического стиля Четыре типа изменения баланса Задачи с ответами для Всероссийской олимпиады по праву Мы поможем в написании ваших работ! ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?
Влияние общества на человека
Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации Практические работы по географии для 6 класса Организация работы процедурного кабинета Изменения в неживой природе осенью Уборка процедурного кабинета Сольфеджио. Все правила по сольфеджио Балочные системы. Определение реакций опор и моментов защемления |
Максимальный расход Qmax, м3/с↑ Стр 1 из 4Следующая ⇒ Содержание книги
Поиск на нашем сайте
МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ТРАНСПОРТА (МИИТ)» (РУТ (МИИТ)
Кафедра «Теплоэнергетика и водоснабжение на транспорте»
Автор: Кузьминский Р. А., кандидат военных наук, профессор МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ И ЗАДАНИЯ К КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЕ ПО УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЕ
«ГИДРАВЛИКА И ГИДРОЛОГИЯ» Направление/специальность: 23.05.06 Строительство железных дорог, мостов и транспортных тоннелей _ _ _____ (код, наименование специальности /направления) Профиль/специализация: Мосты_ _ _____ Квалификация (степень) выпускника: __ специалист ____ __ ____ Форма обучения: __ заочная___________ ______
Москва ВВЕДЕНИЕ
Контрольная работа нацелена на повышение эффективности и практической направленности обучения студентов. Выполнение контрольной работы содержит элементы исследования и способствует выработке навыков в принятии обоснованных технических решений. Студенты выполняют 1 контрольную работу. Темой контрольной работы является: «Гидравлические и гидрологические расчеты на объекте строительства». Контрольная работа содержит решение задач по следующим разделам: Раздел 1 «Гидравлика»; Раздел 2 «Гидрология». По разделу 1 необходимо решить 7 задач, по разделу 2 необходимо решить 3 задачи. Для каждой задачи дано десять вариантов исходных данных. Номер варианта выбирается по последней цифре учебного шифра. Даются также методические указания к решению задач. Выполнению контрольной работы должно предшествовать изучение теоретических основ соответствующего раздела курса с использованием рекомендуемой литературы. Контрольная работа может быть оформлена либо письменно на бумажном носителе, либо в электронно-цифровой форме на диске (CD). При представлении для рецензирования контрольной работы на электронном носителе (диске) студент обязан распечатать на бумажном носителе контрольную работу с титульным листом установленной формы и приложить к ней диск с содержанием работы. Титульный лист подписывается студентом, на нем производится регистрация работы. На титульном листе преподавателем проставляется отметка о допуске к защите и приводится рецензия контрольной работы. При выполнении контрольной работы студент письменно либо в электронно-цифровой форме решает соответствующие шифру задачи. При выполнении контрольной работы необходимо соблюдать следующие условия: Страницы рукописи должны быть пронумерованы. Текст условия задачи следует приводить полностью. Работу следует писать от руки чернилами или печатать на одной стороне листа. Решения должны быть краткими, но исчерпывающими. Решение задач вести поэтапно, с пояснением каждого хода решения. При вычислении искомых величин необходимо написать расчетную формулу в буквенном выражении, подставить численные значения всех входящих в формулу параметров и привести окончательный ответ. В приводимых расчетных формулах поясняют все входящие в них параметры. Обозначения величин и терминология должны соответствовать принятым в учебниках. У всех размерных величин должна быть проставлена размерность. При решении задач следует строго следить за соблюдением единства размерностей величин, входящих в ту или иную расчетную зависимость. Значение всех коэффициентов следует обосновать ссылкой на литературу с указанием автора, названия источника и номера страницы. При оформлении ответов и решении задач обязательно выполнение необходимого иллюстрационного материала (графики, силовые и скоростные многоугольники, схемы потоков и т.д.). Чертежи к работе, как правило, следует выполнять на миллиметровой бумаге и вклеивать или вшивать в работу. При построении расчетных графиков нужно указать величины, откладываемые по осям графика, с обозначением их размерностей. В конце работы привести список литературы, которой пользовался студент в процессе выполнения работы, с указанием автора, названия, места и года издания. Все отмеченные рецензентом ошибки должны быть исправлены, а сделанные указания выполнены. Исправлять ошибки следует отдельно по каждой задаче на чистой стороне листа. К дифференцированному зачету студент допускается только после защиты как контрольной работы, так лабораторных работ.
Раздел 1 «ГИДРАВЛИКА»
Задача 1.1 Задание. С целью своевременного обнаружения и устранения возможных неплотностей в местах соединений перед сдачей в эксплуатацию трубопровод диаметром d и длиной l подвергается испытанию опрессовкой под действием избыточного давления р=2 МПа, достигаемого нагнетанием в трубопровод дополнительного объема жидкости. Требуется определить, какой объем жидкости дополнительно нужно подать в трубопровод для достижения необходимого давления при испытании. Деформацией трубопровода пренебречь. Коэффициент объемного сжатия принять равным βw=0,0005 1/МПа.
Исходные данные Номер варианта l, м d, мм
Методические указания к решению задачи 1.1. Для определения ΔW следует использовать формулу
где βw - коэффициент объемного сжатия жидкости; ΔW - изменение объема жидкости; W - первоначальный объем жидкости; Δр - изменение давления.
Задача 1.2 Задание. В боковой вертикальной стенке резервуара есть прямоугольное отверстие с размерами а и b, перекрываемое плоским щитом, шарнирно закрепленным верхней стороной на горизонтальной оси, вокруг которой он может вращаться против часовой стрелки (рис. 1.2). Требуется определить вес груза G на конце рычага длиной ℓ, жестко прикрепленного к щиту, который позволил бы щиту открываться при достижении водой в резервуаре уровня Н.
Рис. 1.2 Исходные данные Номер варианта a, м 0,4 0,6 0,5 0,8 0,7 0,9 1,0 0,6 0,5 0,4 b, м 0,5 0,6 0,7 0,8 0,7 0,9 1,0 0,7 0,6 0,6 H, м 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,0 4,5 3,0 2,5 3,0 l, м 1,0 1,0 1,1 1,3 1,2 1,5 1,5 1,1 1,0 1,1 Методические указания к решению задачи 1.2. Необходимо найти величину и точку приложения силы избыточного гидростатического давления на щит, после чего приравнять момент силы Р относительно оси вращения при достижении водой уровня H вращающему моменту от веса груза G и из этого равенства найти искомый вес груза G.
Задача 1.3 Задание. В плоской вертикальной стенке резервуара, наполненного водой, есть прямоугольное отверстие высотой а и шириной b, перекрываемое полуцилиндрической крышкой AВС (рис. 1.3). Верхняя кромка этого отверстия находится на глубине H под уровнем воды в резервуаре. Определить величину и линию действия силы избыточного гидростатического давления, действующей на цилиндрическую поверхность крышки AВС.
Рис. 1.3
Исходные данные Номер варианта H, м R, м 0,5 1,0 0,75 0,6 0,75 0,6 0,70 1,0 0,75 0,5 b, м 1,0 2,0 1,5 2,0 2,5 2,0 2,4 2,5 2,0 1,5
Методические указания к решению задачи 1.3. Суммарную силу избыточного давления воды на цилиндрическую поверхность определяют по формуле , где Px - горизонтальная составляющая силы избыточного гидростатического давления; Py - вертикальная составляющая силы избыточного гидростатического давления. Горизонтальная составляющая силы избыточного гидростатического давления равна силе давления на вертикальную проекцию цилиндрической поверхности , где γ - объемный вес воды; γ≈10 кН/м3; yцт - расстояние по вертикали от центра тяжести вертикальной проекции цилиндрической поверхности до уровня воды; Fy - площадь вертикальной проекции цилиндрической поверхности. Вертикальную составляющую силы избыточного гидростатического давления определяют по формуле Py= W, где γ - объемный вес воды; γ≈10 кН/м3; W - объем тела давления. Иными словами, вертикальная составляющая силы давления равна весу жидкости в объеме тела давления. Тело давления представляет собой объем, расположенный над цилиндрической поверхностью и заключенный между вертикальными плоскостями, проходящими через крайние образующие цилиндрической поверхности, самой цилиндрической поверхностью и свободной поверхностью воды. Если тело давления расположено со стороны смачиваемой жидкостью поверхности (в теле давления находится вода), то оно положительно и сила Py будет направлена вниз. Если тело давления находится со стороны не смачиваемой жидкостью поверхности (в теле давления нет воды), то такое тело давления отрицательно и сила Py будет направлена вверх. В данной задаче для нахождения тела давления следует цилиндрическую поверхность АВС разделить на две: АВ и ВС; причем тело давления для поверхности АВ будет отрицательным, а для ВС - положительным. Результирующий объем тела давления на всю цилиндрическую поверхность АВС и его знак находятся путем алгебраического суммирования тел давления на криволинейные поверхности АВ и ВС. Суммарная сила избыточного гидростатического давления на цилиндрическую поверхность направлена по радиусу к центру цилиндрической поверхности под углом φ к горизонту: .
Задача 1.4 Задание. Из открытого резервуара, в котором поддерживается постоянный уровень, по стальному трубопроводу (эквивалентная шероховатость kэ=0,1 мм), состоящему из труб различного диаметра d и различной длины l, вытекает в атмосферу вода, расход которой Q, температура t°С (рис. 1.4.1). Требуется: 1. Определить скорости движения воды и потери напора (по длине и местные) на каждом участке трубопровода. 2. Установить величину напора H в резервуаре. 3. Построить напорную и пьезометрическую линии на всех участках трубопровода
Рис. 1.4.1
Исходные данные Номер варианта Q, л/с 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,0 4,0 4,5 5,0 d1, мм d2, мм d3, мм l1, м 1,0 2,0 1,5 2,0 3,0 2,5 5,0 4,0 5,0 2,0 l2, м 2,0 2,0 3,0 4,0 4,0 5,0 2,5 4,0 5,0 4,0 l3, м 1,0 2,0 2,5 3,0 5,0 2,5 5,0 4,0 6,0 6,0 t, °С
Методические указания к решению задачи 1.4. Эту задачу решают на основе применения уравнения Д. Бернулли. Для плавно изменяющегося потока вязкой жидкости, движущейся от сечения 1 к сечению 2, уравнение Д. Бернулли имеет вид , где z1 и z2 - расстояния от произвольно выбранной горизонтальной плоскости сравнения до центров тяжести живых сечений 1 и 2; p1 и p2 - давления в центрах тяжести живых сечений 1 и 2; Vi и V2 - средние скорости движения жидкости в живых сечениях 1 и 2; α1 и α2 - коэффициенты кинетической энергии (коэффициенты Кориолиса) - поправочные коэффициенты, представляющие собой безразмерную величину, равную отношению истинной кинетической энергии потока в рассматриваемом сечении к кинетической энергии, посчитанной по средней скорости. Для турбулентного режима движения значение а можно принять равным 1; h1.2 - потери напора на преодоление сил сопротивления при движении потока от сечения 1 до сечения 2; γ=ρg - удельный вес жидкости; ρ - плотность жидкости; g - ускорение свободного падения. Решение задачи выполняют в следующем порядке: 1. Составляют уравнение Д. Бернулли в общем виде для сечений 0-0 и 3-3. Сечение 0-0 совпадает со свободной поверхностью жидкости в резервуаре, сечение 3-3 - выходное сечение. При написании уравнения Д. Бернулли следует помнить, что индексы у всех членов уравнения должны быть одинаковыми с названием сечений, к которым они относятся. Например, величины, относящиеся к сечению 0- 0, следует обозначить z0, p0, α 0, V0. 2. Намечают горизонтальную плоскость сравнения. При горизонтальном трубопроводе в качестве таковой берут плоскость, проходящую по оси трубопровода. После этого устанавливают, чему равно каждое слагаемое, входящее в уравнение Д. Бернулли, применительно к условиям решаемой задачи. Например, z0=H (искомая величина напора в резервуаре); p0=pa (атмосферное давление); V0 (скорость движения воды в резервуаре) и т. д. 3. После подстановки всех найденных величин в уравнении Д. Бернулли и его преобразования записывают расчетное уравнение в буквенном выражении для определения искомой величины H. 4. Определяют скорость движения воды на каждом участке. 5. По скоростям движения воды вычисляют числа Рейнольдса и устанавливают режим движения на каждом участке. Значение кинематического коэффициента вязкости следует взять из Приложения 1. 6. Определяют потери напора по длине каждого участка (hl1, hl2, hl3) и в каждом местном сопротивлении: вход в трубу из резервуара hвх, внезапное расширение hвр и внезапное сужение hвс. Потери напора по длине следует определять по формуле Дарси , где l – длинна расчетного участка; d – диаметр трубопровода; V – средняя скорость движения потока на рассматриваемом участке; λ – коэффициент гидравлического трения (коэффициент Дарси), учитывающий влияние на потерю напора по длине вязкости жидкости и шероховатости стенки трубы; его определяют по различным формулам в зависимости от зоны (области) сопротивления, в которой работает трубопровод. При значении критерия зоны турбулентности трубопровода работает в зоне гидравлически гладких труб и значение λ следует определять по формуле Блазиуса , где - число Рейнольдса; ν - кинематический коэффициент вязкости, определяемый в зависимости от температуры по Приложению 1.1. При трубопровод работает в переходной зоне сопротивления, в которой определяют по формуле Альтшуля . При имеет место квадратичная зона сопротивления, и значение λ определяется по формуле Шифринсона . Потери напора в местных сопротивлениях вычисляют по формуле Вейсбаха , где V– средняя скорость за данным сопротивлением; ζ - безразмерный коэффициент местного сопротивления (берут по справочнику). При вычислении потери напора на входе в трубу коэффициент местного сопротивления ζвх=0,5. Значение коэффициента местного сопротивления при внезапном сужении трубопровода , где ω1 – площадь широкого сечения трубы; ω2 – площадь узкого сечения трубы. Потерю напора при внезапном расширении трубопровода можно определить по формуле Борда где V1 и V2 - средние скорости течения соответственно до и после расширения. 7. После определения потерь напора по длине и в местных сопротивлениях вычисляют искомую величину - напор Н в резервуаре. 8. Строят напорную линию. Напорная линия показывает, как изменяется полный напор (полная удельная энергия) по длине потока. Значения Н откладывают от осевой линии трубопровода. При построении напорной линии нужно вертикалями выделить расчетные участки. Таких участков в данной задаче будет три. Далее в произвольно выбранном вертикальном масштабе откладывают от осевой линии величину найденного уровня жидкости в резервуаре Н. Проводя по этому уровню горизонтальную линию, получаем линию исходного (первоначального) напора. От уровня жидкости в резервуаре по вертикали, отвечающей сечению при входе жидкости в трубопровод, откладывают в масштабе вниз отрезок, равный потери напора при входе жидкости в трубу (потеря напора в местном сопротивлении). На участке l1 имеет место потеря напора по длине трубопровода hℓ1. Для получения точки, принадлежащей напорной линии в конце участка l1 , нужно от линии полного напора после входа жидкости в трубу отложить по вертикали в конце участка l1 вниз в масштабе отрезок, соответствующий потере напора на участке l1. Затем от точки полного напора в конце участка l1 откладывается в масштабе по вертикали отрезок, соответствующий потере напора в местном сопротивлении (внезапное расширение или сужение), и так до конца трубопровода. Соединяя точки полного напора, получим напорную линию. Пьезометрическая линия показывает, как изменяется пьезометрический напор z+ р/γ (удельная потенциальная энергия) по длине потока. Удельная потенциальная энергия меньше полной удельной энергии на величину удельной кинетической энергии aV2/(2g). Поэтому, чтобы построить пьезометрическую линию, нужно вычислить на каждом участке величину aV2/(2g) и отложить ее числовое значение в масштабе вниз по вертикали от напорной линии. Откладывая соответствующие значения aV2/(2g) в начале и в конце каждого участка и соединяя полученные точки, строим пьезометрическую линию. График напорной и пьезометрической линий будет построен правильно в том случае, если при их построении были выдержаны принятые вертикальный и горизонтальный масштабы, а также верно вычислены все потери напора и все скоростные напоры αV2/(2g). После построения напорной и пьезометрической линий на графике показывают все потери напора и все скоростные напоры с указанием их численных значений. Примерный вид графика приведен на рис. 1.4.2.
Рис. 1.4.2 Задача 1.5 Задание. Горизонтальный трубопровод из стальных труб, схема которого показана на рис. 1.5, имеет участок с параллельным соединением труб, состоящим из двух линий длиной l1 и l2 и диаметрами d1 и d2. В точках В, С и D заданы расходы воды QB, QC и QD. Требуется: 1. Установить диаметры труб на участках АВ и СD по предельным расходам. 2. Определить распределение расходов по 1-й и 2-й линиям параллельного соединения трубопроводов. 3. Определить необходимый напор в точке А для обеспечения заданных расходов QB, QC и QD при заданном свободном напоре (превышении пьезометрической линии над поверхностью земли) в конце трубопровода Hсв, если известны длины участков АВ и СD. 4. Построить пьезометрическую линию по длине трубопровода.
Рис. 1.5
Исходные данные Номер варианта l1, м l2, м lАВ , м lCD, м d1, мм d2, мм QB, л/с QC , л/с QD, л/с Hсв , м Методические указания к решению задачи 1.5. Решение задачи рекомендуется выполнять в следующем порядке: 1. Подсчитывают расчетные расходы на каждом участке. При этом следует помнить, что расчетный расход на участке равен сумме узловых расходов, расположенных за данным участком (по направлению движения воды). 2. По предельным расходам, приведенным в Приложении 1.2, определяются диаметры труб на участках АВ и СD. 3. Зная общий расход, проходящий по участку с параллельным соединением трубопроводов, а также длины l1 и l2 и диаметры d1 и d2 каждой линии этого участка, определяют потерю напора в параллельно соединенных трубопроводах. Параллельным соединением трубопроводов называется такое соединение, когда две или более линий трубопровода имеют общие начальную и конечную точки. Расчет параллельного соединения трубопроводов основан на двух положениях: hℓ1=hℓ2=…=hℓn, (потери напора на всех параллельно соединенных участках одинаковы) и Q1+Q2=QBC (суммарный расход, проходящий по участкам параллельного соединения трубопроводов). С другой стороны по формуле Шези имеем , где К – расходная характеристика (модуль расхода) трубы, определяемая по Приложению 3). Следовательно где К1 и К2 - расходные характеристики труб на участках 1 и 2 определяемые по Приложению 1.3; l1 и l2 - длины участков 1 и 2. Отсюда потеря напора на участке с параллельным соединением труб: 4. Затем вычисляют расходы, проходящие по каждой линии параллельного соединения и выполняется проверка Q1+Q2 =QBC. 5. Определяют потери напора на участках АВ и СD 6. Зная заданный свободный напор в точке D, а также потери напора на каждом участке, определяют значения напоров в точках C, B и А: HC= HСВ+hCD; HB=HC+hBC; HA=HB+hAB, где hCD , hBC , hAB - ранее вычисленные потери напора на каждом участке. 7 . По полученным значениям напоров в точках А , В , С и D строят пьезометрическую линию. Задача 1.6 Задание. Трапецеидальный канал с крутизной откосов т и коэффициентом шероховатости стенок п=0,025, имеющий ширину по дну b, проложен с уклоном дна i (рис. 1.6). Требуется определить: 1 . Глубину воды в канале при пропуске расхода Q. 2. Ширину канала по верху (по урезу воды) B. 3. Среднюю скорость движения воды V . 4. Состояние потока (спокойное или бурное). 5. Критический уклон дна канала iк. 6. Для найденного значения площади поперечного сечения найти гидравлически наивыгоднейшее сечение канала (отношение b/h, соответствующее гидравлически наивыгоднейшему сечению). 7. Определить пропускную способность найденного гидравлически наивыгоднейшего сечения.
Рис. 1.6
Исходные данные Номер варианта m 1,25 1,5 2,0 1,25 1,5 1,25 b, м 2,5 3,5 5,5 i, 0,0001 0,0005 0,0004 0,001 0,0015 0,002 0,0025 0,003 0,0002 0,005 Q,, м3/с
Методические указания к решению задачи 1.6. Искомую глубину воды в канале при пропуске расхода Q можно определить двумя способами: методом подбора по формуле Шези и с помощью гидравлического показателя русла. Метод подбора заключается в следующем. Задаваясь различными значениями h, вычисляем последовательно площадь живого сечения потока ω=h(b+тh), длину смоченного периметра русла , гидравлический радиус , коэффициент Шези , расходную характеристику К = ; расход . Все вычисления сводят в таблицу.
h,м ω,м2 χ,м R,м C,м0,5/с K,м3/с Q,м3/с lgK lgh lgK1-lgK2 lgh1- lgh2 x
По данным таблицы строится график h=ƒ(Q), пользуясь которым по заданному значению Q определяют искомое значение h. Второй способ заключается в использовании показательного закона, по которому где h1 и h2 - некоторые произвольные глубины; K1 и K2 – соответствующие этим глубинам расходные характеристики; x – гидравлический показатель русла, характеризующий поперечное сечение русла, определяемый по формуле Величину гидравлического показателя русла, вычисленную для нескольких пар глубин, записывают в сводную таблицу, далее на основании произведенных вычислений определяют среднее значение гидравлического показателя русла х, по которому, используя показательный закон, находят искомую глубину воды в канале. где h1 - любая произвольная глубина воды в канале; K1 - соответствующая этой глубине расходная характеристика; - заданное значение расходной характеристики (Q и i - заданные значения расхода и уклона). Предлагается сравнить результаты, полученные 1-м и 2-м способами. После нахождения глубины определяют ширину канала по верху B=b+2mh и среднюю скорость движения воды
Состояние потока может быть определено по одному из двух параметров: по критической глубине hк или по безразмерному числу Фруда Fr. При глубине потока h>hк - поток находится в спокойном состоянии, при h<hк - поток находится в бурном состоянии. При критической глубине должно соблюдаться равенство . Исходя из площади живого сечения потока , находят величины b и h, отвечающие гидравлически наивыгоднейшему сечению канала. Зная b и h, по формуле Шези определяют пропускную способность гидравлически наивыгоднейшего сечения.
Задача 1.7 Задание. Дорожная насыпь, имеющая высоту Ннас, ширину земляного полотна В=12 м и крутизну заложения откосов m=1,5, пересекает водоток с переменным расходом, для пропуска которого в теле насыпи укладывают с уклоном iт круглую железобетонную трубу, имеющую обтекаемый оголовок. Требуется: 1. Подобрать диаметр трубы для пропуска максимального расчетного расхода Qmax в напорном режиме при допустимой скорости движения воды в трубе Vдоп=4 м/с и минимально допустимом расстоянии от бровки насыпи до подпорного уровня а=0,5 м. 2. Определить фактическую скорость движения воды в трубе Vф при пропуске максимального расхода и глубину Н перед трубой, соответствующую этому расходу. 3. Рассчитать предельные расходы и соответствующие им глубины перед трубой, при которых труба будет работать в безнапорном и полунапорном режимах.
Исходные данные
Номер варианта
6
Qmax, м3/с 4,5 б 3,9 14,5 12,8 1,7 9,6 Hнас, м 3,0 2,6 3,2 3,6 5,0 2,6 4,1 2,4 5,4 4,0 iт 0,008 0,003 0,020 0,006 0,004 0,010 0,003 0,015 0,012 0,005 Методические указания к решению задачи 1.7. Водопропускные трубы под насыпями дорог (железных и автомобильных) служат для пропуска расходов воды периодически действующих водотоков во время ливневых или весенних паводков. В настоящее время чаще всего применяются водопропускные трубы круглого сечения. По числу отверстий трубы бывают одноочковые, двухочковые, трехочковые и многоочковые. Согласно действующим типовым проектам, круглые дорожные водопропускные трубы имеют следующие стандартные отверстия: 0,75; 1,0; 1,25; 1,5 и 2 м. Одной из задач гидравлического расчета труб является определение необходимого диаметра труб. При этом считается, что пропускная способность многоочковых (двухочковых, трехочковых и т.д.) труб равна суммарной пропускной способности соответствующего количества одноочковых труб. Гидравлические расчеты водопропускных труб выполняют в зависимости от условий их работы. Различают следующие режимы работы труб: 1) безнапорный, когда входное сечение не затоплено и на всем протяжении трубы поток имеет свободную поверхность (рис. 1.7.1, а); 2) полунапорный, когда входное сечение трубы затоплено, т.е. на входе труба работает полным сечением, а на остальном протяжении поток имеет свободную поверхность (рис. 1.7.1, б); 3) напорный, когда труба работает полным сечением, т.е. все поперечное сечение трубы по всей длине полностью заполнено водой (рис. 1.7.1, в).
Рис. 1.7.1
Безнапорным режим бывает при условии , где Н - напор (глубина) воды перед трубой; d - диаметр трубы. Пропускная способность безнапорных труб может быть определена по формуле А.А. Угинчуса где μ - коэффициент расхода (принять μ=0,335); bк - средняя ширина потока в сечении с критической глубиной (определяется по графику, представленному на рис. 1.7.2).
Рис. 1.7.2
Полунапорный режим бывает при условии Н>1,2d. Пропускная способность полунапорных труб с учетом уклона дна определяется по формуле где μ - коэффициент расхода, зависящий от типа оголовка (для условий данной задачи принять μ=0,7); ω - площадь сечения трубы; d - диаметр отверстия трубы; iT - уклон дна трубы. Пропускная способность полунапорных труб больше, чем безнапорных. Напорный режим имеет место при одновременном выполнении трех условий: 1) входной оголовок должен быть обтекаемым; 2) Н>1,4d; 3) iт<i, где i - гидравлический уклон. Пропускную способность напорных труб вычисляют по формуле Коэффициент расхода μ определяют зависимостью
где ςвх - коэффициент сопротивления на входе, для обтекаемых оголовков ςвх=0,2; λ - гидравлический коэффициент трения (принять λ=0,025); l - длина трубы . При напорном режиме трубы обладают наибольшей пропускной способностью. В соответствии с вышеизложенными определениями, задачу решают в следующем порядке. 1. Исходя из заданной допустимой скорости движения воды в трубе Vдоп, определяют: площадь живого сечения потока ; диаметр напорной трубы Найденный диаметр округляют до большего стандартного значения dст (0,75; 1,0; 1,25; 1,5; 2,0 м). 2. Вычисляют фактическую скорость движения воды по формуле 3. Определяют длину трубы l. При ширине земляного полотна В, высоте насыпи Ннас и крутизне заложения ее откосов m длина трубы составит l=2Hнасm+B. 4. Вычисляют значение коэффициента расхода
5. Определяют напор воды перед трубой При этом должны быть выдержаны условия: Н>1,4d; Н≤(Ннас-0,5); iт<i. Проверка последнего условия проводится на основании формулы Шези откуда гидравлический уклон , где K – расходная характеристика, , м3/с; С – коэффициент Шези, , м0,5/с; n - коэффициент шероховатости , n=0,014. 6. Рассчитывают предельные расходы и соответствующие им глубины перед трубой при полунапорном и безнапорном режимах. Верхний предел существования полунапорного режима определяют условием H=1,4d. Соответствующий ему предельный расход вычисляется по формуле . Верхний предел существования безнапорного режима определяют условием H=1,2d. Соответствующий ему расход вычисляется по формуле 7. Определяют среднюю ширину потока в сечении с критической глубиной. Для определения bK вычисляют отношение Затем находят значение безразмерного параметра После чего по графику (рис. 2.3) определяют соответствующую этому параметру величину Используя полученное значение определяют значения bK..
Раздел 2. «ГИДРОЛОГИЯ» Задача № 2.1 Задание. По результатам промера глубины в расчетном поперечнике реки и измерения продольного уклона свободной поверхности определить расход воды в реке. Подсчитать расходы Q при различных уровнях воды Н и построить кривую связи уровней воды Н с расходами Q, т. е. Q=f(Н). Исходные данные. Расстояния от урезов воды правого и левого берега до ближайшей промерной вертикали – 2 м, число промерных вертикалей – 14, расстояния между промерными вертикалями – 2 м. Условный уровень воды во время замера Z=52 м. Уклон свободной поверхности воды I=0,0004. Коэффициент шероховатости русла n=0,025 Таблица 2.1 Глубина потока на вертикалях № вертикали Глубина воды на вертикалях h, м * 0,80 1,50 1,75 2,40 2,45 2,50 2,72 2,58 2,13 1,85 1,45 1,34 0,75 0,68 * Глубина потока на вертикалях определяется как (h+0,1n), где n – последняя цифра шифра. Методические указания к решению задачи № 2.1 Расход воды Q есть объем воды, протекающей через живое сечение потока в единицу времени. Определение расхода воды по площади живого сечения и продольному уклону водной поверхности сокращенно называется способом «уклон - площадь». Он основан на применении формулы равномерного движения жидкости (формулы Шези), которая имеет вид (1.1) где - площадь живого сечения потока, м2, т. е. сечения нормального к направлению течения; С - коэффициент Шези, м0,5/с; I - уклон водной поверхности; R=ω/χ - гидравлический радиус, м; χ - длина смоченного периметра русла, м (подводного периметра). Из формулы (1.1) следует, что для определения расхода воды необходимо измерить площадь водного сечения ω, продольный уклон водной поверхности I и вычислить гидравлический радиус R и коэффициент Шези C. Площадь водного сечения подсчитывают по материалам промерных работ на гидравлическом створе. Продольный уклон водной поверхности определяется нивелированием уровней воды на концах выбранного участка реки. Коэффициент Шези С зависит от гидравлического радиуса R и степени шероховатости русла п и может быть вычислен по формуле Н.Н. Павловского при значениях гидравлического радиуса 0,1<R<3.0 м (1.2) где y – переменный показатель степени, зависящий от п и R и определяемый по формуле (1.3) В Приложение 2.1 приводятся значения коэффициента Шези С, вычисленные по формуле Павловского при разных значениях R и n= 0,025. Порядок решения задачи. В соответствие с установленным вариантом задания по глубинам и расстояниям между промерными вертикалями строят профиль водного сечения. Построение профиля производится на формализованном бланке, приведенном на рис. 2.1.1.
Рис. 2.1.1. Профиль водного сечения
Вертикальный масштаб обычно принимают крупнее горизонтального. Под профилем выписывают номера промерных вертикалей, глубины воды на вертикалях, разность глубин между соседними вертикалями, отметку дна реки, крутизну дна между промерными вертикалями. Последние значения необходимы для определения площадей живых сечений потока при разных уровнях воды. Поверхность воды обозначается горизонтальной линией с указанием отметки уровня воды. Профиль дна строят, откладывая глубины вниз от расчетного уровня воды. Разность между отметкой поверхности воды и глубиной дает отметку дна реки. Для профиля вычисляют основные морфометрические характеристики, необходимые для гидрологических и гидравлических расчетов: площадь водного сечения ω; ширину реки В; среднюю глубину hср; наибольшую глубину hнаиб.; длину смоченного периметра поперечного сечения русла χ; гидравлический радиус R . Площадь водного сечения ω может быть определена суммированием площадей, ограниченных промерными вертикалями, дном и поверхностью воды. Для прибрежных участков, если h0=hn=0, площадь водного сечения ω определяется по формулам: ω1=h1в1/2 и ωп=hпвп/2. (1.4) Для всех остальных участков площади, ограниченные промежуточными вертикалями, представляют собой трапецию и могут быть вычислены по формулам: (1.5) Общая площадь водного сечения (1.6) Здесь - местные глубины, м; - расстояние между промежуточными вертикалями, м (сумма этих расстояний между промежуточными вертикалями дает ширину реки В). Длина смоченного периметра (1.7) Наибольшая глубина наиб выбирается из результата промера глубин. Гидравлический радиус определяется по формуле Средняя глубина вычисляется отношением (1.8) Подставляя все величины в формулу (1.1), получим расход Q, пропускаемый данным сечением реки. Измерение расходов воды на реках достаточно трудоемкая задача, поэтому их измеряют сравнительно редко. Значительно проще и чаще ведутся наблюдения за уровнем воды. Между расходом воды и уровнем (или глубиной) существует гидравлическая часть. Обычно она выражается графически в виде графика =f(h), который называется кривой расхода воды. Имея кривую расхода, можно по установленным уровням Z (или глубине H) определить расходы воды , не измеряя их. Кривая расходов =f(H) строится в прямоугольной системе координат, причем по сои ординат откладывают уровни воды Z (или глубины H), а оси абсцисс - значение измеренных расходов воды . В данной задаче расходов произвести определение расходов при уровнях реки в воде 51,8 м; 51,6м; 51,4м и 51,0 м. При каждом новом уровне воды будут изменяться глубины воды на вертикалях, ширина реки и расстояния от уреза воды до ближайшей промерной вертикали. Глубины воды будут уменьшаться на величину понижения уровня , а расстояние от уреза воды правого и левого берега до ближайшей промерной вертикали следует определить по формуле (1.9) где tg - крутизна дна, определяемая по формуле tg =(hn+1-hn)/b Здесь h – глубина воды на промерной вертикали; b – расстояние между промерными вертикалями. На основании данных расчетов расходов воды при установленных уровнях воды строят кривую расходов =f(H). Построение графиков производится на формализованном бланке, приведенном на рис. 2.1.2.
Рис. 2.1.2. Кривая расходов воды Q=f(H) Задача № 2.2 Задание. Определить расход воды в реке по скоростям, измеренным гидрометрической вертушкой. Исходные данные. Исходные данные представлены в таблице 2.2.1.
Таблице 2.2.1 Скорость потока на вертикалях № вертикали Расстояние от уреза правого берега, м Рабочая глубина h, м Глубина опускания вертушки, в долях рабочей глубины Скорость в точке U, м/с I
II
III
IV
V
5,0
11,0
15,0
21,0
25,0
30,62 2,10
2,29
2,19
2,23
2,14
пов. 0,2 0,6 0,8 дно пов. 0,2 0,6 0,8 дно пов. 0,2 0,6 0,8 дно пов. 0,2 0,6 0,8 дно пов. 0,2 0,6 0,8 дно 0,20 0,20 0,12 0,11 0,08 0,24 0,22 0,21 0,17 0,12 0,25 0,25 0,24 0,20 0,14 0,16 0,16 0,15 0,09 0,08 0,16 0,14 0,12 0,09 0,08
Варианты исходных данных: рабочая глубина (h+ 0,1п) м; скорость в точке (U+0,01n) м/с, где п – последняя цифра шифра. Методические указания к решению задачи № 2.2 В таблице 2.2.1. представлены скорости течения, измеренные гидрометрической вертушкой. Гидрометрической вертушкой измеряют истинные скорости течения воды и в строго фиксированных точках потока на заранее назначенных вертикалях. Вертикали, на которых измеряется скорости течения, называются скоростными. Рабочей глубиной на вертикали называется глубина от поверхности воды до дна. Скорости течения на вертикалях измеряются в пяти точках: у поверхности; на 0,2; 0,6; 0,8 глубины (считают от поверхности) и у дна. Если из-за малости глубины (расстояние между точками должно быть не менее 1,5 диаметра лопастного винта вертушки) не представляется возможным вести измерения во всех точках, то число их сокращается в следующем порядке: остаются точки 0,2; 0,6 и 0,8 глубины; остаются точки 0,2 и 0,8; наконец остается точка 0,6 глубины. Средняя скорость на скоростной вертикали определяется в зависимости от числа точек измерения по формулам (2.1) (2.2) (2.3) (2.4) Порядок решения задачи. В соответствие с установленным вариантом задания вычисляют средние скорости течения на вертикалях. После вычисления средних скоростей на вертикалях, определяется удельный расход воды на каждой вертикали по формуле (2.5) где h – рабочая глубина на вертикали. После подсчета удельных расходов на вертикалях производится вычисление расхода воды в реке по формуле (2.6) где - удельные расходы воды на вертикалях; - расстояние между скоростными вертикалями; k – коэффициент для скоростей на приборных вертикалях, принимаемый равным: 0,7 - при пологом береге c h=0 на урезе; 0,8 - при обрывистом береге реки (для условий данной задачи принять k=0,7).
Задача № 2.3
Задание. Определить максимальный расчетный расход в заданном створе водотока с вероятностью превышения Р=0,33 % на основании многолетних гидрометрических измерений максимальных расходов. Исходные данные. Исходные данные, приведенные в табл. 2.3.1,включают значения максимальных годовых расходов воды в реке для каждого условного года наблюдений.
Таблица 2.3.1 Исходные данные Условный год
|
||||
Последнее изменение этой страницы: 2024-06-17; просмотров: 5; 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 - 3.133.118.221 (0.456 с.) |