Тужилкин А.М., Сорокина В.В. Гидравлика инженерных сооружений (лабораторный практикум) - файл n1.doc

Тужилкин А.М., Сорокина В.В. Гидравлика инженерных сооружений (лабораторный практикум)
скачать (1282 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc1282kb.13.09.2012 16:53скачать

n1.doc

  1   2   3   4







А.М.Тужилкин, В.В.Сорокина, Н.Н.Корнеева,

О.В.Пахомова, О.В.Терешина

ГИДРАВЛИКА ИНЖЕНЕРНЫХ СООРУЖЕНИЙ

(лабораторный практикум)


Тула 2008
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования
ТУЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

А.М.Тужилкин, В.В.Сорокина, Н.Н.Корнеева,

О.В.Пахомова, О.В.Терешина
ГИДРАВЛИКА ИНЖЕНЕРНЫХ СООРУЖЕНИЙ
(лабораторный практикум)


Издательство ТулГУ
УДК: 532.51 (076.5)+533.51 (076.5)

Авторы: Тужилкин А.М., Бурдова М.Г., Корнеева Н.Н., Пахомова О.В., Терешина О.В., Гидравлика инженерных сооружений: = Лабораторный практикум/А.М.Тужилкин [и др.]. -//ун-т/ Тула: Изд.ТулГУ,2008/.-78с.

ISBN

Лабораторный практикум состоит из 6 лабораторных работ, предусмотренных действующими рабочими программами дисциплин «Гидравлика открытых потоков» и «Гидравлика дорожных сооружений».

Описание каждой лабораторной работы состоит из основ теории изучаемого вопроса, методики выполнения эксперимента, формы отчетного журнала и набора контрольных вопросов.

Учебное пособие предназначено для самостоятельной подготовки студентов к проведению лабораторных занятий на установках лаборатории «Инженерная гидравлика» кафедры ЭиСТС ТулГУ.

Табл. 23. Ил. 80. Библиогр.: 3 назв.
Печатается по решению библиотечно-издательского совета Тульского государственного университета.

Рецензенты: директор по новой технике и технологии МУП «Тулагорводоканал» д-р техн.наук, доц. Е.К.Злобин;

Генеральный директор ЗАО «Тоннельпроект» С.А.Василенко


ISBN © Тужилкин А.М., Бурдова М.Г., Корнеева Н.Н.,

Пахомова О.В., Терешина О.В., 2008

© Издательство ТулГУ, 2008
ВВЕДЕНИЕ
Действующими учебными планами горно-строительного факультета ТулГУ для некоторых специальностей предусмотрены дисциплины, посвященные взаимодействию открытых водных потоков со специальными инженерными сооружениями. Это дисциплины «Гидравлика дорожных сооружений» для специальности 270205 «Автомобильные дороги и аэродромы» и «Гидравлика открытых потоков» для специальности 270112 «Водоснабжение и водоотведение».

Рабочие программы этих дисциплин предусматривают проведение лабораторных занятий. В лаборатории инженерной гидравлики кафедры Э и СТС смонтированы лотки и модели инженерных сооружений на которых студенты проводят предусмотренные рабочими программами дисциплин лабораторные работы. Две лабораторные установки: Водобойный колодец и водобойная стенка разработаны в ТулГУ и защищены авторскими свидетельствами.

В процессе выполнения лабораторных работ изучается не только взаимодействие инженерных сооружений и открытых потоков, но и определяется эмпирические коэффициенты, используемые при гидравлических расчетах инженерных сооружений.

Описание лабораторных установок, технология проведения гидравлического эксперимента и методика обработки результатов разработана применительно только для условий лаборатории инженерной гидравлики кафедры ЭиСТС. Во всех других случаях должны быть внесены соответствующие коррективы.

1. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОТОКОВ НА ИНЖЕНЕРНЫХ СООРУЖЕНИЯХ

1.1. Задачи моделирования
Движение воды по искусственным инженерным сооружениям имеет, как правило, пространственный вид со сложными и изменяющимися во времени очертаниями траекторий отдельных частиц, объектов и слоев потока.

Современный математический аппарат не способен дать не только аналитическое, но даже и численное решение о фактических параметрах пространственного потока. Великому Галлелею приписывают слова о том, что человечество гораздо раньше поймет движение самых далеких планет на небосклоне, чем движение самого маленького ручейка на земной поверхности. Пока жизнь подтверждает правоту этого утверждения.

Поэтому к гидравлическому расчету потока принимают некоторую условную модель движения воды по искусственным сооружениям, упрощая фактическую картину до того уровня, когда возможно получить решение задачи. Несоответствие между расчетной моделью и фактической картиной движения воды устраняют с помощью различного рода коэффициентов, позволяющих приблизить инженерное решение к фактическому.

Поправочные коэффициенты определяются в результате проведения специальных гидравлических экспериментов на моделях искусственного сооружения. Численные значения эмпирических коэффициентов могут быть постоянными(константы) или переменными. В последнем случае полученные в опыте коэффициенты оформляются в виде таблиц, графиков или эмпирических формул.
1.2. Пересчет результатов опытов на модели в натурные условия
Движение воды по инженерным сооружениям проходит под действием силы тяжести, поэтому моделирование их проводят по закону гравитационного подобия (по равенству чисел Фруда для любой пары сходственных элементов в натурных и модельных условиях). Заметим, что разные пары сходственных элементов могут иметь разные значения чисел Фруда.

Из общего курса гидравлики известно, что число Фруда (критерий гравитационного подобия) имеет вид:

, (1)

где V- скорость потока,

g- ускорение сил тяжести,

l – характерный линейный размер.

В безразмерных множителях закон гравитационного подобия может быть записан так:

, (2)

где ?l – геометрический масштаб моделирования(отношение любого линейного размера в натурных условиях (lн), к линейному размеру сходственного элемента в модельных условиях(lм)), т.е. ?l >1 и тем больше, чем меньше модель по сравнению с натурным инженерным сооружением.

?g – масштаб ускорения силы тяжести ( зависит от взаимного географического(или пространственного???) положения места расположения инженерного сооружения и места проведения гидравлических испытаний модели сооружения)

?V – масштаб скорости (отношение скорости потока на натурных сооружениях(Vн ) к скорости потока в сходной точке модели(Vм )

В этом случае замеренная на модели какая-либо величина(геометрическая, кинематическая или динамическая) Км должна быть пересчитана для условий моделируемого сооружения Кн. Пересчет осуществляется по формуле:

Кн= Кмк, (3)

где к – безразмерный масштабный коэффициент пересчитываемой величины.

Например:

- для линейного размера к = ?l;

- для размера площади к = ?= ?l 2;

- для размера объема к = ?W= ?l 3;

- для скорости к = ?V =;

- для расхода к = ?V= ;

- для силы давления к = ?P = ? ?g ?l 3;

- для манометрического давления к = ?р = ? ?g ?l;

- для коэффициента гидравлического трения к = ?=1;

- для коэффициента местного сопротивления к = ?=1;

- для коэффициента Шези к = ?с=1.

Если при модельных испытаниях используется та же жидкость(вода), то масштаб плотности ?=1.

В этом случае приведенные выше формулы пересчета несколько упростятся.
1.3. Основные правила к выбору размеров модели сооружений
При изготовлении модели инженерного сооружения основной величиной становится геометрический масштаб моделирования ?l. Чем больше ?l (чем меньше размеры модели по сравнению с сооружением), тем опыт дешевле. Но при выборе величины ?l обязательно должны быть выполнены следующие условия:

1. Сила тяжести должна оставаться доминирующей и определять, в основном, характер течения.

2. Обработка поверхности модели, соприкасающейся с водой, должна создавать равенство коэффициентов Шези Смн (т.к. ?с=1). Требуемый коэффициент шероховатости модели пн может быть вычислен так

пм=пн / ?l (4)

3. На модели должна сохраняться квадратичная зона сопротивления с числом Рейнольдса потока

, (5)

где R – гидравлический радиус;

 - абсолютная шероховатость.

Из (5) следует, что принятый масштаб моделирования ?е должен удовлетворять условию (6)

4. Размеры и конструкция измерительных приборов и устройств, применяемых при изучении потока на модели, не должна вносит заметных изменений в его характер.
2.ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МОДЕЛЕЙ СООРУЖЕНИЙ
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

Исследование гидравлического прыжка
1. Общие сведения
Различают спокойное и бурное состояние открытого потока.

Состояние открытого потока в каком-то сечении обычно определяют путем:

1) вычисления параметра его кинетичности:

(7)

где: Q - расход потока;

?- коэффициент Кариолиса, ?=1,1;

g – ускорение силы тяжести;

ширина сечения потока по свободной поверхности;

- площадь живого сечения;

2) сравнения глубины потока h с критической глубиной hк

При этом соблюдаются следующие условия:

а) для потоков в спокойном состоянии

и

б) для потоков в бурном состоянии

и

По длине русла в зависимости от очертания его продольного профиля поток может переходить из одного состояния в другое. При этом поток переходит из спокойного состояния в бурное путем плавного уменьшения глубины, а из бурного состояния в спокойное – резким увеличением глубины.

Гидравлическим прыжком называется явление резкого увеличения глубины потока при переходе его из бурного состояния в спокойное (рис. 1)



Рис. 1

Принято считать, что гидравлический прыжок происходит между ближайшими к нему сечениями потока, движение в которых можно считать плавноизменяющимся. Глубины потока в этих сечениях называют сопряженным (первая сопряженная глубина - в сечении до гидравлического прыжка и вторая сопряженная глубина – в сечении после гидравлического прыжка).

Если соблюдаются условия, что и , то на наклонной поверхности тела гидравлического прыжка образуется поверхностный валец. Такой гидравлический прыжок называют совершенным.

Сопряженные глубины совершенного гидравлического прыжка характеризуется равенством значений прыжковой функции , величина которой может быть вычислена по формуле:

(8)

где: - коэффициент Буссинеска, ;

глубина погружения центра тяжести сечения, а остальные обозначения прежние.

Минимум прыжковой функции , как и удельной энергии сечения Э(h), наблюдаются при критической глубине.

Для русел прямоугольной формы сечения шириной «» расчетные формулы получаются следующими:

Критическая глубина:

(9)

Параметр кинетичности:

(10)

Прыжковая функция:

(11)
Соотношение между сопряженными глубинами:

а) при известной второй сопряженной глубине h2

(12)

б) при известной первой сопряженной глубине h1

(13)

Потери удельной энергии в гидравлическом прыжке:

(14)

Высотой гидравлического прыжка считают разницу сопряженных глубин:

(15)

Длину прыжка – определяют по эмпирическим формулам; наибольшее распространение получили:

а) формула Н.Н. Павловского

(16)

б) формула М.Д. Чертоусова

(17)

в) формула Б.А. Бахметьева

(18)

Если и , то поверхностного вальца на теле прыжка не образуется, а поверхность воды за прыжком принимает волнистый характер в виде ряда затухающих волн. Такой гидравлический прыжок получил название прыжка-волны (рис. 2)
  1   2   3   4


Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации