Равномерное движение жидкости в открытых руслах

Открытые русла классифицируются:

1. По площади живого сечения потока - на призматические (форма и размеры элементов поперечного сечения постоянны, площадь живого се­чения потока меняется только в связи с изменением глубины) и непризма­тические (форма русла, геометрические размеры какого-либо элемента по* перечного сечения меняются по длине потока);

2. По форме поперечного сечения - правильной формы (треугольные, прямоугольные, круговые и т.п.) и неправильной формы (русла составного профиля),

3. По величине продольного уклона - с прямым уклоном дна (i > 0), горизонтальные (i= 0), с обратным уклоном (i < 0).

В руслах трапецеидального поперечного сечения (каналах) (рис.11.1): площадь живого сечения

 5

ширина русла по свободной поверхности потока смоченный периметр

гидравлический радиус

где b - ширина канала по дну; h - глу­бина воды в канале, m1,m₂ - коэффи­циенты заложения откосов,

                                  При определении геометрических параметров элементов русел пря­моугольного и треугольного поперечных сечений следует пользоваться те­ми же зависимостями, принимая для прямоугольных т = О, а для треуголь­ных b = 0.

Для русел криволинейного поперечного сечения определение элемен­тов живого сечения потока весьма сложный процесс. При расчете типовых сечений (круглого и параболического) используются вспомогательные таб­лицы, приведенные в прил. 9.

Для русел круглого поперечного сечения (рис. 11.2) радиусом г в прил. 9 в зависимости от относительной глубины наполнения при-

водятся относительные — площадь живого сечения (, смоченный периметр,  ширина русла

по свободной поверхности потока , гидравлический радиус . Задачи, связанные с определением необходимой степени заполнения поперечного¹ сечения трубы, при заданном расходе решаются под­бором.

Для русел параболического поперечного сече­ния (рис. 11.3), описываемых уравнением

 >

соответствующие относительные характеристики вы­ражаются как , где р - параметр параболы. Их значения приведены в прил. 9.

При равномерном движении потока в открытом русле средняя в сече­нии скорость определяется по формуле Шези

где С — коэффициент Шези; R — гидравлический радиус; i — уклон дна русла.

Коэффициент Шези С зависит от шероховатости стенок и дна, формы и размеров русла. Его используют при расчете открытых русел, шерохова­тость стенок которых соответствует зоне квадратичного сопротивления.

Для открытых русел при определении коэффициента Шези используется формула Павловского:

 где п - коэффициент шероховатости русла, у - переменный показатель сте­пени.

Показатель степени у зависит от шероховатости и размеров русла. При расчете открытых русел можно принимать . Более подробно

расчет открытых русел изложен в работах

Величина называется скоростной характеристикой, с учетом этого скорость потока

Соответственно расход воды в русле

По формуле Н.Н. Павловского

где п - коэффициент шероховатости русла, z - показатель степени, который можно определить по формуле

Величина называется расходной характеристикой, с учетом

этого расход Каналы, сечение которых при неизменной площади О) характеризу­ются наименьшим значением смоченного периметра и, следовательно, наибольшим значением гидравлического радиуса  согласно формуле Шези обладают наибольшей пропускной способностью при равно­мерном движении. Такое сечение канала называется гидравлически наивыгоднейшим. Оно также может быть определено как сечение с наименьшей площадью (0 и наибольшей средней скоростью течения!) при заданных значениях i,n,Q. На сооружение каналов с гидравлически наивыгоднейшими сечения­ми затрачивается минимум земляных работ (площадь сечения) или мини­мум работ по укреплению дна и берегов (смоченный периметр). Из различ­ных форм живого сечения наиболее выгодным будет полукруглое сечение, так как в этом случае при заданной площади будет наименьший смоченный периметр. На практике чаще всего делают трапецеидальные или параболи­ческие сечения, так как полукруг имеет в верхней части вертикальной стен­ки и требует бетонного или железобетонного укрепления.