44. Удельная энергия и её изменения вдоль потока

Механическая энергия массы жидкости, протекающей в единицу времени через выбранное живое сечение потока, отнесенная к единице веса и определяемая относительно произвольной горизонтальной плоскости, называется удельной энергией потока и обозначается Е.

-удельная энергия потока

Вниз по течению удельная энергия потока Е для установившегося движения должна всегда уменьшаться, так как само движение и происходит за счет расходования этой энергии.

Удельной энергией сечения и обозначать символом Э. Таким образом, имеем:

При равномерном движении работа силы тяжести полностью расходуется на преодоление сил сопротивления и изменения удельной энергии сечения не наблюдается.

45. Спокойные и бурные потоки.Критическая глубина

Рассмотрим зависимость удельной энергии сечения Э от глубины наполнения h при заданной форме поперечного сечения русла и при Q = const.

Удельную энергию сечения Э можно рассматривать состоящей из двух частей: и

тенденция их изменения: при h→0

при h→∞

Глубина потока, при которой удельная энергия достигает минимального значения, назв. критической глубиной и обозначается .

Принято различать три состояния потока:

1) спокойное состояние, , а удельная энергия увелич. с увелич. ;

2) бурное состояние, , а удельная энергия с увелич.  уменьшается;

3) критическое состояние, и .

Значение критической глубины необходимо не только для определе­ния состояния потока, но и для выполнения ряда гидравлических расчетов.

Уравнение критического состоя­ния для русла произвольной формы:

Для прямоугольного русла: q – удельный расход

Для трапецеидального русла критическая глубина

Для треугольного русла:

Для параболического русла: .

П_к.кр = 1 – критическое состояние потока

П_к < 1 – спокойное состояние потока;

П_к > 1 – бурное состояние потока.

П_к - параметр кинетичности.

46 Критический уклон

Критическая глубина зависит только от геометрической формы поперечного сечения русла и расхода, но не зависит от продольного уклона дна i. В призматическом русле критическая глубина постоянна по всей его длине.

При равномерном движении жидкости нормальная глубина зависит от уклона. Тогда, для любого призматического русла можно подобрать такое значение i, при котором нормальная глубина h₀ станет равной h_кр.

Критическим уклоном называется уклон, при котором нормальная глубина равна критической.

Для определения i_кр :

Нормальная глубина уменьшается с увеличением i. Поэтому если фактический уклон дна русла i < i_KP, то h₀ > h_кр и поток при равномерном движении будет находиться в спокойном состоянии. При i > i_кр поток при равномерном движении будет находиться в бурном состоянии, то есть h₀< h_кр.

47. Гидравлически наивыгоднейший профиль

Если найти такой вариант, при котором для неизменяемой

 = const смоченный периметр  будет наименьшим _min, то гидравлический радиус будет максимально возможным в данных условиях. Следовательно, такой профиль живого сечения с  = const и R = max пропус­тит наибольший расход. Гидравлически наивыгоднейшее - такое, в котором при заданной площади живого сечения пропускная способность канала будет наибольшей, при этом имеется в виду, что коэффициент шероховатости п и уклон дна i заданы и неизменны.

Но чаще гидравлически наивыгоднейший профиль канала определяют как профиль, в котором при данных п и i заданный расход проходит при минимальной площади живого сечения .

В земляных каналах минимизация  приводит к уменьшениям выемки грунта, то есть к экономии затрат. При наименьшей длине смоченного периметра возможно уменьшение объемов работ и материалов на укрепление откосов и дна, снижаются возможные потери на фильтрацию через борта и дно канала.

48. ДОПУСКАЕМЫЕ СКОРОСТИ ДВИЖЕНИЯ ВОДЫ В КАНАЛАХ

Допустимая неразмывающая средняя скорость - наибольшее значение средней скорости движения воды, при которой поток не может вызвать недопустимого размыва (разрушения) русла.

Незаиляющая скорость - наименьшее значение средней скорости движения, при которой поток способен транспортиро­вать без осаждения находящиеся в нем наносы.

Несвязные грунты.

Считается однородным, если где и – диаметр частиц, меньше которых в данном грунте содержится по массе соответственно 5 % и 95 %.

Для связных грунтов (глины, суглинки, супеси) допускаемые неразмы­вающие скорости находят по формулам:

где – нормативная усталостная прочность на разрыв;

d – средний размер агрегатов грунта, приведенный к диаметру равнообъемного пара, м;

m – коэффициент условий работы;

κ – коэффициент однородности связных грунтов;

n – коэффициент перегрузки;

Незаиляющие скорости.

Средняя незаиляющая скорость соот­ветствует состоянию, когда мутность потока равна его транспортирующей способности . Транспортирующая способность потока –максимальное количество наносов, содержащееся в единице объема воды, которое поток транспортирует без их осаждения.

Гидравлическая крупность наносов ω - скорость равномерного падения частицы наносов в неподвижной воде.

Итак, при проектировании канала надо обеспечить, чтобы сред­няя скорость находилась в пределах > υ > ,но при этом средняя скорость не может быть больше, чем , соот­ветствующая условиям гидравлически наивыгоднейшего профиля, то есть Таким образом, если > , то средняя ско­рость должна быть ограничена в пределах > > .