Практикум по гидравлике открытых русел на портативной (стр. 1 из 4)

Министерство образования Российской Федерации

Томский государственный

архитектурно-строительный университет

Знания, не проверенные

опытом, бесплодны

Леонардо да Винчи

ПРАКТИКУМ ПО ГИДРАВЛИКЕ

ОТКРЫТЫХ РУСЕЛ НА ПОРТАТИВНОЙ

ЛАБОРАТОРИИ «КАПЕЛЬКА-2»

Методические указания к лабораторным работам

Томск – 2006

УДК 556.537

Слабожанин Г.Д. Практикум по гидравлике открытых русел на портативной лаборатории «Капелька-2». Методические указания к лабораторным работам. / Слабожанин Д.Г., Ребенков К.Н., Соболев А.И. Томск: Изд-во Томского архитектурно-строительного университета, 2006.- 27 с.

Рецензент к.ф.-м.н. А.В. Жуков

Редактор Т.С. Володина

В указаниях приводятся основные теоретические сведения, содержание и порядок выполнения демонстраций и лабораторных работ по гидравлике открытых русел на разработанной авторами портативной лаборатории «КАПЕЛЬКА - 2». По сравнению с аналогами она не имеет двигателей, насосов, вентилей, не требует подвода воды и электроэнергии, удобна для лекционных демонстраций, экономит лабораторные площади и имеет низкую стоимость.

Методические указания предназначены для студентов строительных и технологических специальностей.

Печатается по решению методического семинара кафедры теплогазоснабжения № 5 от 01.03.2006.

Утверждены и введены в действие проректором по учебной работе О.Г. Кумпяком

с 01.03.2006

до 01.03.2011

Изд. лиц. № 021253 от 31.10.97 Подписано в печать _______. Формат 60×90/16. Бумага офсет. Гарнитура Таймс, Печать офсет. Уч.-изд. л. . Тираж экз. 100

Заказ №

Изд-во ТГАСУ, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2

Отпечатано с оригинал – макета в ООП ТГАСУ.

634003, г. Томск, ул. Партизанская, 15.
СОДЕРЖАНИЕ

Введение ………………………..…………………………….

Работа 1. Изучение водослива с тонкой стенкой …………...

Работа 2. Изучение водослива с широким порогом ………..

Работа 3. Изучение водослива практического профиля …….

Работа 4. Исследование гидравлического прыжка …….. ….

Работа 5. Изучение работы водопропускной трубы ……….

Работа 6. Определение коэффициента шероховатости

в канале ……………………………………………………..…

ВВЕДЕНИЕ

Лабораторные работы на портативной лаборатории «Капелька-2» позволяют закрепить теоретические знания и приобрести навыки проведения эксперимента по гидравлике открытых русел.

Лаборатория «Капелька-2» состоит из трёх устройств (№/№ 5, 6, 7). Устройства (рисунок введения) имеют прозрачные корпуса и содержат по два бака 1 и 2, соединённых между собой щелевым каналом (лотком) 3 через отверстия 4, 5 и 6, 7. В щелевом лотке установлены модели гидротехнических сооружений: в устройстве № 5 (рисунок введения, а) - модели водослива с тонкой стенкой 8 и водослива с широким порогом 9; в устройстве № 6 (рисунок введения, б) - модели щита (затвора) 11 и водосливов практического профиля с криволинейным 12 и с полигональным (многоугольным) 13 очертаниями; в устройстве № 7 (рисунок введения, в) – модели напорной 14 и безнапорной 15 водопропускных труб.

Устройства заполнены водой с микроскопическими частицами алюминия для визуализации течения. В одном из баков предусмотрена шкала 10 для измерения уровня воды.

Устройства работают следующим образом. При перевёртывании устройства жидкость из верхнего бака 1 поступает через отверстие 6 в нижнюю часть лотка 3 и через отверстие 5 отводится в нижний бак 2, вытесняя из него воздух через отверстие 7 в верхнюю часть лотка 3 и отверстие 4 в верхний бак 1 в виде пузырьков.

Благодаря пузырьковому перепуску воздуха обеспечиваются постоянные во времени напор питания Н_п лотка и расход Q в нем, несмотря на изменение уровней в баках. Это позволяет провести замеры в ходе опыта.

Расход в лотке можно регулировать наклоном устройств от себя, влево или вправо.

1,2 – баки; 3 – щелевой канал (лоток); 4, 5 и 6, 7 – отверстия, соединяющие баки; 8 и 9 – водосливы с тонкой стенкой и широким порогом; 10 – уровнемерная шкала; 11 – щит (затвор); 12 и 13 – водосливы практического профиля с криволинейным и полигональным очертаниями; 14 и 15 – напорная и безнапорная водопропускные трубы

Работа 1. ИЗУЧЕНИЕ ВОДОСЛИВА С ТОНКОЙ СТЕНКОЙ

Цель работы. Изучение картины протекания жидкости через водослив с тонкой стенкой, экспериментальное определение коэффициента расхода и сравнение его с расчётными данными.

Водослив – преграда, через которую переливается вода.

Различают водосливы с тонкой стенкой, с широким порогом и практического профиля. Водослив с тонкой стенкой (рис 1.1) обычно служит для измерения расходов и стабилизации уровня жидкости в резервуарах. Стенка называется тонкой, если струя касается только её входной кромки. Такой характер течения наблюдается, если толщина стенки δ<0.5H, либо она имеет острую входную кромку (см. водослив 8 на рисунке введения).

Часть потока перед водосливом называется верхним бъефом (В.Б.), а за ним – нижним бъефом (Н.Б.). Верхняя кромка водослива именуется гребнем, а наибольшее превышение уровня воды в верхнем бъефе над гребнем – геометрическим напором Н. Он обычно фиксируется перед водосливом на расстоянии приблизительно 3Н от гребня. Глубина воды в нижнем бъефе называется бытовой глубиной h_б.

Если изменение уровня воды в нижнем бъефе не влияет на величину напора Н, водослив называется неподтопленным (при этом свободная поверхность воды показана на рис 1.1 сплошной линией), и если увеличение h_б вызывает повышение уровня в верхнем бъефе – водослив называют подтопленным, а свободная поверхность занимает положение, показанное пунктиром. Условие подтопления имеет вид h_б>P, Z/P<(Z/P)_кр≈0.75, где Z – геометрический перепад уровней на водосливе, т.е. превышение уровня в верхнем бъефе над уровнем в нижнем бъефе; Р – высота водослива. Превышение уровня в нижнем бъефе над гребнем водослива называется глубиной подтопления – h_п.

Расход воды через неподтопленные водосливы любого типа определяется по общей формуле:

где Q – расход; b – ширина водослива; g – ускорение свободного падения; m – коэффициент расхода, зависящий от типа и геометрии водослива; Н₀ – полный напор на водосливе

где α – коэффициент Кориолиса (корректив кинетической энергии); V=Q/(b(H+P)) – скорость потока в верхнем бъефе (на подходе). При Н<0,5Р скоростным напором можно пренебречь и считать Н_о=Н.

В инженерных расчётах коэффициент расхода m для неподтопленного водослива с тонкой стенкой без бокового сжатия определяют по формуле

Для подтопленного водослива любого типа расход определяется формулой

где коэффициент подтопления s_п<1 и вычисляется по эмпирическим (полученным из опыта) формулам.

Работа выполняется на устройстве № 5, приведённом на рисунке введения, а.

1. Привести устройство в исходное состояние, для чего установить его на стол так, чтобы водослив с тонкой стенкой находился сверху (в верхней части лотка), и подождать, пока вся жидкость перетечёт в нижний бак.

2. Перевернуть устройство в вертикальной плоскости.

3. Наблюдать картину течения воды через водослив с тонкой стенкой и после него, выяснить влияние наклона устройства влево и вправо на отрыв струи от стенки и положение гидравлического прыжка за водосливом.

4. Повторить операции по п.п. 1 и 2, после чего замерить геометрический напор Н (см. рис. 1.1) на водосливе с тонкой стенкой и время t изменения уровня в баке со шкалой на произвольно выбранную величину S, например, на 5 см.

5. Замерить высоту водослива P; размеры горизонтального сечения бака А, Б и ширина водослива (лотка) b указаны на корпусе устройства.

6. Результаты измерений занести в табл. 1.1, сделать вычисления и сравнить опытное и расчётное значения коэффициентов расхода.

Примечание. Размеры сечения бака: А = … см; В = … см; ширина водослива b = … см; коэффициент Кориолиса α = 1.1; ускорение свободного падения g = 981 см/с².

№ п/п	Наименование величин	Обозначение, формулы	Значения величин
1	Высота водослива, см	Р
2	Геометрический напор, см	Н
3	Изменение уровня воды в баке, см	S
4	Время наблюдения за уровнем, с	t
5	Расход воды, см³/с	Q=ABS/t
6	Скорость потока до водослива, см/с	V=Q/(b(H+P))
7	Полный напор, см
8	Коэффициент расхода опытный
9	Коэффициент расхода расчётный