Потік рідини у відкритому руслі

Потік рідини у відкритому руслі

Зміст

1. Запровадження
2. Типи потоків
3. Умови рівномірного руху на відкритому руслі
4. Кінематичні характеристики потоків рідини
5. Розрахункові швидкості води в каналі
6. Список використаної літератури

Запровадження

Поті́к рідини́

— нерозривний рух маси рідини, обмеженої системою поверхонь твердих тіл і / або поверхонь дотику рідких та газоподібних тіл Рух рідини в каналі називається безнапорним рухом. Особливістю його наявність вільної поверхні з тиском у всій її довжині. З погляду гідравліки безнапорного потоки можна розділити на що встановилися потоки з рівномірним рухом рідини і несталі потоки, часто званібистротоками. Характер і швидкість руху рідини, ухил і форма вільної поверхні, глибина потоку залежить від форми перерізу русла, його ж розмірів та ухилу дна.Уклони дна таких потоків зазвичай невеликі, тому живі перерізу у відкритих руслах умовно приймаються вертикальними та глибина потоку вимірюється за вертикаллю.

Типи потоків

Розрізняють такі типи потоків (або типи руху рідини). Напірний потік — це рух рідини обмежений твердими стінками з усіх боків, при цьому в будь-якій точці потоку тиск відрізняється від атмосферного зазвичай у більшу сторону, але може бути і меншим за атмосферний. Рух у цьому випадку відбувається за рахунок напору, що створюється, наприклад, насосом чи водонапірної вежею. Тиск вздовж напірного потоку зазвичай змінний. Такий рух має місце у всіх гідроприводах технологічного обладнання, водопроводах, опалювальних системах тощо.

Безнапірний потік відрізняється від попереднього тим, що він має вільну поверхню, котра знаходиться під атмосферним тиском. Безнапірний рух відбувається під дією сил тяжіння самого потоку рідини. Тиск в таких потоках приблизно однаковий і відрізняється від атмосферного тільки за рахунок глибини потоку. Прикладом такого руху може бути протікання води в руслах річки, каналу чи струмка.

Вільний струмінь не має твердих стінок. Рух відбувається під дією сил інерції і ваги рідини. Тиск в такому потоці практично дорівнює атмосферному. Приклад вільного струменя — витікання рідини з шланга, крана тощо.

Умови рівномірного руху на відкритому руслі

Рівномірний рух рідини характеризується прямими паралельними лініями струмів (траєкторіями), і навіть сталістю місцевоїосредненной у часі швидкості вздовж кожну лінію струму. Отже, в існуванні рівномірного руху необхідним є дотримання низки умов. На вільної поверхнібезнапорних потоків встановлюється постійне, зазвичай, атмосферне тиск. Томупьезометрический ухил Iр для таких потоків відповідає уклону вільної поверхні Iз, т. е. Iр = Iз. Раніше було встановлено, що з рівномірних потоківпьезометрический ухил дорівнюєгидравлическому, т. е. Iр = I. Отже, рівномірнийбезнапорное рух можливо, за дотриманні рівності

Iр = I = Iз. І тому необхідно, щоб величина швидкісного напору за довжиною потоку також залишалася б постійної. Цим диктується дотримання умов:

 * русло –призматическое;
 * витрата води постійний (Q =const);
 * глибина h, отже, форма та Європейська площа живого перерізу  і , R постійні;
 * лінія дна немає перелому, т. е. і =sin =const, у своїй і >0;
 * шорсткість дна і стінок русла постійна за довжиною (п = const);
 * місцеві опору у руслі відсутні.

Повністю задовольнити всім умовам можна тільки в штучних руслах.

Кінематичні характеристики потоків рідини

У гідравліці розрізняють такі характеристики потоку: живий переріз, змочений периметр, гідравлічний радіус, витрата, середня швидкість. Живим перерізом потоку називається поверхня в межах потоку, нормальна до всіх ліній току, що її перетинають або до осередненої місцевої швидкості. Площа живого перерізу позначається буквою ω Для елементарної струминки рідини використовують поняття живого перерізу елементарної струминки (поверхня перерізу струминки, перпендикулярна до ліній току), площу якого позначають через dω. У гідравліці зазвичай беруть за живий переріз площину, нормальну до напрямку середньої швидкості потоку і обмежену стінками трубки або русла.

Змочений периметр потоку

— лінія, по якій рідина стикається з поверхнями русла в даному живому перерізі. Довжина цієї лінії позначається буквою χ. Вільна поверхня рідини при визначенні змоченого периметра не враховується. У напірних потоках змочений периметр збігається з геометричним периметром, так як потік рідини стикається з усіма твердими стінками.

Гідравлічним радіусом

R потоку називається величина, що дорівнює відношенню площі живого перерізу ω до змоченої периметру χ:

[math]R = \left( \frac{w}{x} \right )[/math] При напірному русі в трубі круглого перерізу з внутрішнім діаметром d гідравлічний радіус буде дорівнювати: [math]R = {w \over x} = {{\left ( \frac{\pi d ^ 2}{4} \right )} \over {\pi d}} = \left( \frac{d}{4} \right )[/math] тобто четвертині діаметра, або половині радіусу труби.

Витрата

потоку рідини (витрата рідини) — це об'ємна, масова або вагова кількість рідини, що проходить через живий переріз потоку в одиницю часу. У практичних розрахунках застосовують так звану середню швидкість потоку: при цьому мають на увазі швидкість, однакову для всіх точок перерізу, рухаючись з якою, частки рідини забезпечували б ту ж витрату Q, яка має місце при реальному розподілі швидкостей, тобто: [math]V = {Q \over W}[/math] де V — середня швидкість потоку рідини; Q — витрата потоку; ω — живий переріз потоку.

Розрахункові швидкості води в каналі

Під час проектування каналів допущені швидкості течії, як і і за проектуванні напірних трубопроводів, мають великий економічне значення, оскільки вибір швидкості течії визначає розміри каналу. Крайні значення швидкостей (мінімальні і максимальні) обмежуються з двох причин. При малих швидкостях перетин каналу виходить великим, що, збільшуючи обсяг земляних робіт, робить дорожчою будівництво. З іншого боку, при малих швидкостях відбувається замулення каналу внаслідок осідання зважених в рідини частинок. При великих швидкостях перетин виходить менше. Це обсяг земляних робіт, але потрібно понад міцне покриття стінок каналу, що додаткових витрат. Правильний вибір розрахункової швидкості, тому має значення. У кожному окремому разі, це питання має вирішуватися конкретно з урахуванням інтересів усіх місцевих умов. Розрахункові швидкості нічого не винні перевищувати що допускаються. Як що допускаються приймаються швидкості нерозміющого грунту чи одягу (зміцнення укосів і дна) каналів. Значення їх залежить від глибини і матеріалу, з яких складено стінки каналів. Для визначення нерозмивающий швидкості то, можливо рекомендована формула Б. І.Студеничникова, отримана за даними лабораторних і натурних досліджень, у широкому діапазонікрупностей частінокнесвязного грунту

де h – глибина. d – середньозважний діаметр частинок грунту (беруться в метрах) У той самий час швидкості нічого не винні бути нижче критичних значень швидкостей, у яких починається випадання наносів і відбувається замулення каналів, що призводить до ї зарастанію. Ці швидкості називаються незаіляющімі. незаіляющімі швидкістю каналах може бути орієнтовно визначено за такою формула Гиршкана де k – коефіцієнт, змінюється від 0,33 до 0,55 залежно від гідравлічноїкрупности частинок (1,5–3,5мм/c). гідравлічна Крупність – це швидкість рівномірного падіння частки в нерухомій воді. Щоб запобігає зростаніям каналу досить підтримати у ньому середню швидкість течії води не нижче 0,5 м/с. У звичайних водопровідних каналах розрахункові швидкості перебувають у межах 0,5 – 3 м/с залежно від типу грунтів чи одягу каналу. У разі зимового режиму великий небезпекою на каналах може бути глибинний лід - шуга. Основною причиною появи у каналі шуги - переохолодження води. Після утворення крижаного покриву подальше зниження температури повітря викликає лише збільшення товщини льоду, але з виділення шуги. Для швидкого освіти поверхового льоду необхідно швидкості течії води в каналах цей період зменшити до0,5м/с. Щоб уникнути розмиву льоду нормальні швидкості під нею нічого не винні перевищувати 1,2-1,5 м/с. При швидкостях, великих 2,25 м/с, поверховий лід в каналах не утворюється. Вибір допустимих швидкостей має велику економічне значення під час проектування і експлуатації штучних водотоків.

Використана література

1. Р. У. Железняков.Гидравлика і гідрологія. М.: “Транспорт”, 1989.
2. Довідник по гідравліці. Під редакцією В.А. Большакова. Київ: «>Вища школа», 1977.
3. Т. М. Башта.Машиностроительная гідравліка. Довідкове посібник. М.: «>Машгиз»,1963.
4. Т. М. Башта.Гидравлика, гідравлічні машини та гідравлічні приводи. М.: «Машинобудування», 1970.
5. Р.Р.Чугаев.Гидравлика.Изд.3., М.- Л.: «Енергія», 1975 р.
6. Д.В.Штеренлихт.Гидравлика. М.: «>Энергоатомиздат», 1984 р.