Измерение скоростей течения воды

 

Измерение скоростей потоков обычно преследует две цели: вычисление по измеренным скоростям расхода воды и построение плана течения реки, т. е. векторного поля скоростей. Последнее используется для правильной компоновки сооружений мостовых переходов, выбора их размеров и очертаний, защиты от размыва, ледохода и т. д.

Известно, что в водотоках обычно наблюдается турбулентный режим течения воды, который характеризуется перемешиванием водных масс, вызывающим пульсацию скоростей течения, как по величине, так и по направлению. В связи с наличием пульсации скоростей в гидрометрии различают мгновенную скорость - скорость в данной точке в данное мгновение и осредненную местную скорость – скорость, осредненную за достаточно продолжительный период времени.

Существующие приборы и способы в подавляющем большинстве случаев ориентированы на определение местных осредненных скоростей U турбулентных потоков:

 

, (38)

 

где u – мгновенная местная скорость, м/с, Т₀ – период осреднения, с, udt – площадь графика пульсации скоростей, м.

Продолжительностью периода осреднения зависит от степени турбулентности потока. Как известно из гидравлики, период осреднения выбирается так, чтобы любое его превышение не повлияло на значение осредненной скорости U в данной точке, т. е. U₁=U₂=U₃….=const.

В гидрометрии принято производить измерение скорости течения в точке в течение 100 секунд, что для большинства случаев оказывается достаточным, т.е. это время превышает период осреднения.

Если скорости известны в нескольких точках по глубине, то можно построить эпюру скоростей на вертикали. В зависимости от условий движения закон распределения скоростей по вертикали может быть различным. При равномерном и близком к нему движении безнапорного потока характерна эпюра с максимумом у свободной поверхности и минимумом у дна. Минимум у дна принимают за донную скорость U_д. Максимум у свободной поверхности называют поверхностной скоростью U_пов. При напорном движении (подо льдом) максимум скоростей смещается к центру живого сечения.

Эпюра скоростей в некоторых случаях может иметь и более сложный вид, например, при сгонно-нагонных явлениях течение слоев на разной глубине может иметь даже противоположное направление.

Площадь эпюры скоростей по вертикали дает удельный расход g, а частное от деления на глубину h – среднюю скорость на вертикали Vв:

 

. (39)

 

Установлено, что при отсутствии искажений средняя скорость на вертикали открытого потока располагается на глубине от поверхности примерно 0,6h.

Подобно эпюрам скоростей на вертикалях можно построить эпюру скоростей по ширине реки, например, поверхностных или средних скоростей на вертикалях. Очертания эпюры обычно следуют очертаниям дна. Представление о распределении скоростей в живом сечении дают линии равных скоростей – изотахи, которые вычерчиваются по данным измерения скоростей в отдельных точках.

Методы измерения скоростей. Существует большое количество методов для измерения скоростей течения воды и приборов, действие которых основано на различных физических принципах.

1. Метод, основанный на регистрации числа оборотов лопастного винта (ротора). Наиболее распространенные приборы для измерения скорости течения – гидрометрические вертушки, на них мы остановимся ниже.

2. Метод, основанный на регистрации скорости плывущего тела. Для измерения скорости используются различного рода поплавки, которые могут запускаться как на поверхность потока, так и на требуемую глубину.

3. Метод, основанный на регистрации скоростного напора. Для измерения скорости используется гидрометрические трубки различной конструкции.

4. Метод, основанный на регистрации силового воздействия потока. Для измерения скорости используются приборы, в которых имеется чувствительный элемент, воспринимающий силовое воздействие потока. Они позволяют исследовать пульсацию скоростей.

5. Метод, основанный на принципе теплообмена. Скорость течения определяется в зависимости от быстроты охлаждения чувствительного нагреваемого элемента: чем больше скорость, тем выше темп охлаждения.

6. Метод, основанный на измерении объема воды, вошедшей в прибор за время наблюдений. Прибор – батометр.

7.Метод, основанный на применении ультразвука.

В настоящее время при гидрометрических работах измерение скоростей течения производится чаще всего гидрометрическими вертушками и поплавками. Остальные из указанных выше методов употребляются при проведении научно-исследовательских работ.

Гидрометрические вертушки. Посредством гидрометрических вертушек обычно определяется местная скорость течения в отдельных точках потока, хотя вертушки применяются и для интеграционного определения средней скорости на вертикали.

При измерении скорости регистрируется общее число оборотов лопастного винта и продолжительность измерения. Величина скорости определяется по тарировочному (градуировочному) графику в зависимости от числа оборотов в секунду.

Имеется очень много различных типов и конструкций гидрометрических вертушек. Современные вертушки различаются по ряду признаков: направлению оси вращения; устройству лопастного винта или ротора (лопасти и чашки), устройству контактного и счетного механизмов (механические и электрические счетчики), способу опускания вертушки в воду (тросовые и штанговые) и пр.

Гидрометрическая вертушка состоит из следующих основных частей: 1) ходовой части с лопастным винтом и контактным механизмом; 2) корпуса вертушки; 3) стабилизатора направления; 4) сигнального устройства.

Замыкание контактов происходит при вращении лопастного винта через определенное число оборотов. Сигнальное устройство служит для передачи сигналов при замыкании контактов вертушки. Применяется звуковая сигнализация посредством звонка и световая – посредством лампочки.

Наиболее распространены вертушки ГР-21 и ГР-21М, которые характеризуются большой добротностью и износоустойчивостью. Оптимальные условия их применения – равнинные реки (т.к. их винты имеют большие моменты инерции). В потоках с большой турбулентностью применяют вертушки ГР-55 и ГР-99.

Для установки вертушки в потоке на нужной глубине применяют штанги и тросы. Длина штанги – 3 м.

Время выдержки вертушки в каждой точке, как уже отмечалось, не менее 100 сек. Число оборотов вертушки между звуковыми сигналами, как правило, n= 20. При больших скоростях отсчеты берут через 2-5 сигналов. Число сигналов, и, следовательно, соответствующее им количество оборотов лопастного винта между записями времени называется приемом. Число приемов сигналов принимают четным (см. табл. 8. 1. 1).

 

Таблица 2. Пример расчета

№ приема
Т, с

 

Контроль. Для контроля сравнивают удвоенное время первой половины приемов (у нас приемов 4, а Т=63 с, 63х 2= 126 с) с временем последнего приема (128 с), расхождение допускается не более 5 с (в нашем случае 2 с). Если расхождение > 5 с, измерения дополняют еще 2-6ью приемами.

Официальным документом вертушки является тарировочная кривая. Нижняя часть её, соответствующая малым скоростям, вычерчивается в более крупном масштабе. Тарирование проводят в неподвижной воде специальных тарировочных каналов на тарировочных станциях.

Для полевых условий составляют специальную таблицу на основе тарировочной кривой (см. табл. 8. 1. 2).

 

Таблица 3. Пример тарировочной таблицы

 

Число оборотов в секунду	0,00	0,01	0,02	0,03	0,04	0,05	…	0,09
0,2	0,065	0,067	…	…	0,074	…	…	…
0,3	0,087	…	0,096					0,113
0,4	…

 

Измерение расходов воды

Расходом воды Q называется объем её, протекающий через поперечное сечение потока в единицу времени. Выражается в м³/с или л/с.

Расход воды является одним из основных гидравлических элементов потока, определяющим остальные параметры рек (H, ω, υ, I и др.)

Существуют 2 группы методов определения расхода воды: непосредственное измерение (объемный метод) и косвенное, при котором расход получается через другие характеристики потока.

Объемный метод довольно точен и применяется при малых расходах путем наполнения мерного сосуда с измерением времени наполнения.

Косвенные методы:

1) метод «скорость-площадь» - определение расхода по измеренным скоростям течения и площади поперечного сечения потока;

2)определение расходов воды с помощью мерных устройств: гидрометрических лотков, водосливов (через напор по гидравлическим зависимостям);

3)определение расходов методом смешения (электролитический – по изменению электропроводности и др.)

Наиболее распространен метод «скорость-площадь», сущность которого заключается в определении объема модели расхода.

Известно, что скорости течения в различных точках поперечного сечения открытого потока неодинаковы: наибольшие они у поверхности в середине потока, а по мере приближения к берегам и дну они уменьшаются за счет увеличения шероховатости и силы трения. Если векторное поле скоростей в потоке представить в виде перпендикуляров к площади живого сечения в каждой точке сечения длиной, равной скорости в точке, то фигура, образованная плоскостью, проходящей через концы векторов, и площадью живого сечения и является моделью расхода, а объем ее численно равен расходу Q.

Свойства модели расхода. Если модель расхода рассечь плоскостями, параллельными поверхности воды, то площади сечений будут представлять собой эпюры распределения скоростей течения по ширине реки на соответствующих глубинах, а расход численно равен:

 

, (40)

 

где u – скорость, м/с.

Если рассечь модель расхода вертикальными плоскостями, перпендикулярными плоскости живого сечения, то площади сечения будут представлять собой эпюры распределения скоростей на вертикалях. Тогда,

 

, (41)

 

где q - расход на вертикали (первая производная расхода по ширине потока, т. е. (dQ/db), м²/с

Если рассечь модель расхода вертикальными плоскостями, параллельными плоскости живого сечения, то линии пересечения будут представлять собой линии равных скоростей, т. е. изотахи, а расход определяется по выражению:

 

_{u ,} (42)

 

где ω_u – площади живого сечения, ограниченные изотахами, м²; du – интервал скорости между изотахами, м/с.

Применяемые способы вычисления расхода воды основываются на приближенных решениях выше приведенных формул.

Первая из этих формул выражает аналитический способ, вторая - графический и третья - способ вычисления расхода по изотахам.

Аналитический способ.

Основное уравнение, применяемое при этом способе, выглядит в виде многочлена:

 

+ , (43)

 

где k - коэффициент для скоростей на прибрежных вертикалях, принимаемый равным 0,7 при пологом береге, 0,8 при обрывистом береге, 0,9 при гладкой бетонной стенке.

Графический способ.

В этом способе интегрирование заменяется измерением площади эпюры элементарных расходов планиметром или палеткой.

Элементарный расход при этом определяется по уравнению:

 

, (44)

 

где q –элементарный расход, м²/с; u – средняя скорость на вертикали, м/с, h – глубина на вертикали, м.

Графически элементарный расход представляет собой площадь эпюры скоростей на вертикали.

Последовательность работы:

1). На листе миллиметровки вычерчивают профиль поперечного сечения реки и наносят расчетный уровень Н_р;

2). На том же листе вычерчивают эпюры скоростей для каждой вертикали в том же масштабе;

3). Вычисляют средние скорости течения u на вертикалях делением площади эпюры скоростей на рабочую глубину вертикали (площади эпюр определяют планиметром);

4). Строят эпюру средних скоростей, для чего над профилем по линиям соответствующих скоростных вертикалей откладывают от линии уровня воды значения средних скоростей;

5). Строят эпюру элементарных расходов q (последние получаются умножением средних скоростей u на глубины h на вертикали);

6). Вычисляют по площади эпюры q расход воды в створе Q.