Расчет распределения скоростей по глубине и ширине потока.

16. Кривой расходов называется графическое изображение в прямоугольных координатах связи между расходами Q и уровнями H воды - Q=f (H)

17.Кривая расходов воды строится для каждого гидрометрического створа. На горизонтальной оси этого графика размечается шкала расходов, а на вертикальной – шкала уровней над нулем графика или отметки горизонтов воды.

Измеренные расходы воды наносят на график точками, обведенными кружками, с указанием номера расхода или даты его измерения. Посредине полосы этих точек проводят плавную линию, которая и представляет собой кривую расходов.

На одном и том же графике вместе с кривой расходов Q = f(H) часто наносят кривые площадей живых сечений ω = f(Н) и средних скоростей течения v = f(H).

Масштабы уровней, расходов, площадей и средних скоростей назначаются с таким расчетом, чтобы кривая Q = f(H) расположилась к оси абсцисс под углом 40–45º, а кривые ω = f(Н) и v = f(H) – под углом 55–60°.

Для удобства пользования кривой расходов ее нижнюю ветвь часто вычерчивают отдельно в более крупном масштабе.

Разброс точек измеренных расходов на графике Q = f(H) обусловлен, помимо неизбежно допускаемых погрешностей при их определении, рядом природных факторов: неустойчивостью русла реки, изменчивостью уклона водной поверхности в течение года, наличием ледяного покрова в зимнее время и др.

18. Турбулентная пульсация. Схемы кинематической структуры турбулентного руслового потока

Турбулентный режим движения жидкости характеризуется беспорядочным движением частиц. При этом режиме частицы жидкости движутся по произвольным траекториям и с различной скоростью, причем скорость в любой точке потока непрерывно изменяется как по величине, так и по направлению около некоторого среднего значения. Такое изменение во времени мгновенной местной скорости (u’) называется пульсацией скорости (рис. 6.3).А среднюю во времени скорость называютосредненной (^u)

Существующие методы измерения скорости потоков жидкости можно разделить на 3 основные группы: кинематические, динамические и физические. При измерении скорости кинематическими методами в потоке создаются какие-либо метки, скорость которых и определяется с помощью соответствующих приборов. Метки могут быть как искусственными (тепловые, радиоактивные, ионизационные и другие), так и естественно существующими в потоке.

Схемы кинематической структуры турбулентного руслового потока

На основе экспериментальных данных Клавен выявил двухмерную схему структуры потока:

Рис. 1.4. Схема кинематической структуры турбулентного потока (по А.Б. Клавену)

Крупные вихри имеют сложное строение. Внутри них обнаруживаются подобные вихри меньшего размера, охваченные объединяющих их контуром.

Продольные размеры наиболее крупных структур изменяются от 3,6 до 10 глубин потока, в среднем составляя 6,7 его глубины. Продольные размеры таких структур зависят от шероховатости русла. При ее увеличении они уменьшаются, а их плотность на единицу длины потока при этом увеличивается.

Так, Кондратьев считает, что турбулентный поток обладает свойствами дискретной среды и рассматривает его отдельные фрагменты. В потоке с грядовым дном, для участка над напорным склоном гряды, он выделяет два фрагмента: транзитный поток, в котором частицы движутся по слабоизогнутым траекториям, где можно применить потенциальный закон течения, и придонный слой с траекториями циклоидальной формы. Этот слой заполнен катящимися по дну эллиптическими вальцами, по которым скользит транзитный поток:

• Рис. 1 .5. Схема кинематической структуры потока в придонном слое, (по Н.Е. Кондратьеву).

Н.С. Знаменская, развивая гипотезу Кондратьева для подвалья гряды, схематизирует течения в нем в виде концентрических элементов и выделяет зону выброса из подвалья гряды завихренной жидкости (рис. 1.7). Эта зона в реальных потоках очень сложна, но для плоского потока схематизируется в виде системы восходящих вихрей эллипсоидной формы.

Рис. 1.7. Схема кинематической структуры потока при грядовой форме дна,по Н.С. Знаменской.

1 - транзитный поток; 2 - водоворотная зона подвалья гряды; 3 - зона вихрей, катящихся по напорному склону гряды; 4 - зона вихрей, вырывающихся из подвалья гряды в толщу потока.

Существенно отличная точка зрения изложена Великановым. Рассматривая спектр турбулентных пульсаций, он выделяет в нем в качестве основной незначительную часть - вихри крупного размера, имеющие вид эллипсов.

Эти вихри, возникая в толще потока в результате неустойчивости основного осредненного течения и охватывая его на полную глубину (рис. 1.8), перемещаются в направлении осредненного течения с некоторым скольжением относительно дна.

Рис. 1.8. Схема кинематической структуры потока, (по М.Л. Великанову).

Оригинальная схема структуры потока предложена В.М.Маккавеевым, представившим поток в виде серии водоворотов с вертикальными осями вращения, занимающими всю глубину потока. В пределах каждого такого водоворота жидкость совершает осевые и вращательные движения. По длине потока наблюдается чередование водоворотов таким образом, что восходящие течения жидкости внутри них обязательно сменяются нисходящими (рис. 1.9). Таким образом, осуществляется смена восходящих и нисходящих течений жидкости, пронизывающих толщу потока на всю его глубину.

Рис. 1.9. Схемакинематической структуры потока, (по В.М. Маккавееву).

19. Уравнение равномерного движения турбулентного руслового потока (закон Лоренца).

Если рассмотреть плоское движение (т. е. потенциальное движение, когда траектории всех частиц параллельны одной и той же плоскости и являются функции ей двух координат и если движение неустановившееся), одновременно являющееся равномерным турбулентным в системе координат XYZ, когда линии тока параллельны оси OX, то

Усредненная скорость при сильно турбулентном движении.

Это выражение: логарифмический закон распределения скоростей для турбулентного движения.

При напорном движении поток состоит в основном из пяти областей:

1) ламинарная: приосевая область, где местная скорость максимальна, в этой области λлам= f(Re), где число Рейнольдса Re < 2300;

2) во второй области поток начинает переходить из ламинарного в турбулентный, следовательно, увеличивается и число Re;

3) здесь поток полностью турбулентный; в этой области трубы называются гидравлическими гладкими (шероховатость Δ меньше, чем толщина вязкого слоя δв, то есть Δ < δв).

В случае, когда Δ> δв, труба считается «гидравлически шероховатой».

Характерно, что если для λлам = f(Re–1), то в этом случае λгд = f(Re– 0,25);

4) эта область находится на пути перехода потока к подвязкому слою: в этой области λлам = (Re, Δ/r0). Как видно, коэффициент Дарси уже начинает зависеть от абсолютной шероховатости Δ;

5) эта область называется квадратичной областью (коэффициент Дарси не зависит от числа Рейнольдса, но определяется почти полностью касательным напряжением) и является пристенной.

Эту область называют автомодельной, т. е. не зависящей от Re.

В общем случае, как известно, коэффициент Шези

Формула Павловского:

где п – коэффициент шероховатости;

R– гидравлический радиус.

При 0,1 ≤ R ≤ 3 м

причем при R< 1 м