8. Движение воды в реках. Виды движения. Действующие силы

Движение реальных жидкостей может быть ламинарным (слоистым) или турбулентным (беспорядочным). Ламинарным движение бывает в тех случаях, когда силы трения, обусловленные вязкостью жидкости, велики по сравнению с силами инерции. К таким случаям относятся просачивание воды через поры грунта и течение очень вязких жидкостей (смолы, смазочного масла, вазелина). Если силы вязкости относительно малы, движение становится турбулентным. Отношение сил инерции к силам вязкости принято характеризовать безразмерной величиной, известной под названием числа Рейнольдса.

Ламинарное движение в открытых руслах наблюдается при значениях числа Рейнольдса, меньших его критического значения Re_кр1000. У всех естественных потоков значения чисел Рейнольдса гораздо выше. В соответствии с этим движение воды в реках всегда турбулентное.

Внешнее проявление турбулентности состоит в том, что частицы воды, движущиеся вдоль русла, испытывают случайные отклонения от общего направления движения и случайные колебания продольной скорости. Вследствие этого траектории частиц имеют извилистый вид.

При отсутствии турбулентной пульсации, движение называется установившимся, если элементы осредненного движения не изменяются с течением времени. Если движение изменяется во времени, его наз-ют неустановившимся. Вследствие колебаний стока осредненное движение воды в реках неустановившееся, однако в межень всегда можно выделить отрезки времени - несколько суток, в течение которых, движение допустимо считать установившимся.

В зависимости от распределения скоростей вдоль потока различают движение равномерное и неравномерное. Движение наз-ся равномерным, если скорости течения вдоль потока не изменяются ни по абсолютной величине, ни по направлению. Если скорости изменяются вдоль потока, движение наз-ся неравномерным. Вследствие сложных геометрических форм речных русл и их кривизны осредненное движение воды в реках, как правило неравномерное.

Вода движется в реках под действием трех сил: силы тяжести, силы трения и Кориолисовой силы инерции.

18. Урав-ие равномерного движения. Определение сил трения

В равномерных потоках, напр. при движении воды в прямолинейной плесовой лощине, сила тяжести уравновешена силой гидравлического трения. В открытых руслах равенство этих сил выражается уравнением (1). Касательное напряжение на дне ₀=ghI (1) где -плотность воды; g-ускорение свободного падения; h-глубина; I-уклон.

h - масса столба воды, высотой h и с площадью основания = 1; gI - составляющая ускорения свободного падения, направленная по течению, т.е. || свободной поверхности и дну. Так. обр., правая часть уравнения (1) выражает проекцию веса выделенного столба жидкости на направление движения.

Силы жидкостного трения при развитом турбулентном движении пропорциональны квадрату скорости. Эту зависимость, применительно к трению на дне, выражают фор-ой ₀=(g/С²)V²_ср.в (2) где С - коэффициент с размерностью корня квадратного из ускорения.

Подставив (2) в урав-ие (1), получим I=V²_ср.в/hС² (3)

Если поперечное сечение потока имеет форму широкого прямоугольника (В>>h), то скорость V_ср.в практически не отличается от средней скорости в сечении V_ср, а глубина h приближенно равна средней глубине h_ср=/В. При этом формула (3) принимает вид I=V²_ср/h_срС² (4)

Решая равенство относительно V²_ср, получаем V_ср=СIh_ср (5)

Формула (5) называется формулой Шези. Формула (5) и эквивалентная ей формула (4) на практике применяются к поперечным сечениям любой формы, если только эта форма достаточно плавная (нет скачков глубины).

Опыт показывает, что коэффициент С является переменной величиной. Он зависит от шероховатости дна и более слабо от глубины потока. Существует ряд формул, выражающих эту зависимость. Достаточно надежна и удобна своей простотой эмпирическая формула Р. Маннинга:,C=h^1/6_ср/n (6)

n-коэф. шероховатости.