А) неподтопленный водослив; б) подтопленный водослив.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

«ВОДОСЛИВ С ТОНКОЙ СТЕНКОЙ»

Санкт-Петербург, 2017

Лабораторная работа

ВОДОСЛИВ С ТОНКОЙ СТЕНКОЙ

Цели работы:

1) Ознакомиться с работой неподтопленного водослива с тонкой стенкой.

2) Ознакомиться с работой подтопленного водослива с тонкой стенкой.

3) Определить коэффициент расхода водослива с тонкой стенкой.

Основные теоретические сведения.

Водосливом называется преграда на пути потока, через которую переливается вода. Также водосливом называется замкнутое безнапорное отверстие.

Часть потока, расположенная ниже по течению от водосливной стенки, называется нижним бьефом, а часть потока, расположенная выше по течению от водосливной стенки - верхним бьефом.

Различают водосливы с тонкой стенкой (рис. 1 а), с широким порогом (рис. 1 б), и со стенкой практиче­ского профиля (рис. 1 в).

а) водослив с тонкой стенкой	б) водослив со стенкой практического профиля	в) водослив с широким порогом
δ = (0,1... 0,5)Н	δ = (0,5... 2)Н	δ = (2... 8)Н

Рис. 1 Классификация водосливов по ширине порога водослива

По соотношению уровней воды в нижнем и верхнем бьефах различают подтопленные и неподтопленные водосливы. До тех пор, пока уровень воды в нижнем бьефе не влияет на расход и напор в верхнем бьефе, водослив считается неподтопленным. Когда уровень воды в нижнем бьефе оказывает влияние на расход и напор в верхнем бьефе, водослив считается подтопленным.

Превышение уровня воды в верхнем бьефе над порогом водослива называется геометрическим напором на водосливе. Обозначается Н, единицы измерения – м.

На подходе к водосливу свободная поверхность потока понижается. Это объясняется следующим: как видно из рис. 2, при подходе к водосливу живое сечение потока уменьшается, следовательно, согласно уравнению неразрывности потока, скорость над порогом водослива и кинетическая энергия возрастает. По закону сохранения энергии при увеличении кинетической энергии уменьшается потенциальная энергия. Уменьшение потенциальной энергии ведёт за собой снижение свободной поверхности воды.

Это понижение становится заметным на расстоянии 1_В =(3...5) Н от водосливной стенки. Поэтому геометрический напор следует измерять на расстоянии ≥ 1_В от водосливной стенки.

Водосливная стенка считается тонкой в случае, когда на неподтопленном водосливе нижняя граница потока после прохождения верхового ребра порога водослива не касается водосливной стенки вплоть до падения струи в нижний бьеф (см. рис. 2, а). Это происходит в том случае, если δ ≤ (0,1…0,5)Н.

При уменьшении Н дальность полёта струи на неподтопленном водосливе уменьшается, а при δ > (0,1... 0,5)Н поток будет стекать из верхнего в нижний бьеф по поверхности водосливной стенки. При этом водослив уже не будет водосливом с тонкой стенкой, а перейдёт в класс водосливов со стенкой практического профиля (изменится его коэффициент расхода).

На рис. 2, а изображён водослив с тонкой стенкой в гидравлическом лотке кафедры "Водоснабжение, водоотведение и гидравлика". Поперечное сечение лотка прямоугольной формы. Вертикальная плоская водосливная стенка 1 устанавливается под прямым углом к продольной оси лотка. Ширина прямоугольного водосливного отверстия bравна внутренней ширине лотка[1]. При этом поток, проходя через водослив, не испытывает бокового сжатия.

а) Неподтопленный водослив с тонкой стенкой
Вид сверху	На рисунке цифрами обозначены: 1 — водослив; 2 — нижний бьеф; 3 — верхний бьеф; 4 – трубка для поддержания атмосферного давления под струей.   Другие обозначения на рисунке: hб— глубина в нижнем бьефе (бытовая глубина); hп— высота подтопления; C— высота водосливной стенки; δ — толщина стенки; — отметка уровня воды в верхнем бьефе; — отметка уровня воды в нижнем бьефе; — отметка гребня водосливной стенки; — отметка уровня дна канала;
б) Подтопленный водослив с тонкой стенкой

Рис. 2. Схема водослива с тонкой стенкой

а) неподтопленный водослив; б) подтопленный водослив.

Форма продольного разреза потока, преодолевающего неподтопленный водослив с тонкой стенкой, изображённая на рис. 2, а, наблюдается только в условиях свободного доступа воздуха под летящую струю. На рассматриваемом водосливе ширина потока, проходящего через водосливное отверстие, равна ширине лотка. Поэтому под летящей струёй образуется замкнутое воздушное пространство. Воздух из него постепенно выносится потоком воды в виде пузырей, снижается давление под струёй. Это сказывается на расходе и нарушает чистоту эксперимента. Для поддержания гидравлического режима неподтопленного водослива с тонкой стенкой в поток вводится трубка 4, как показано на рис. 2, а, чтобы обеспечить сообщение воздушного пространства под струёй с атмосферой.

В случае водослива с тонкой стенкой, подтопление начинается тогда, когда уровень воды нижнего бьефа поднимется выше уровня стенки (рис. 2, б) – это можно определить визуально.

При этом вводится понятие высоты подтопления:

Если h_п<0, то водослив - неподтопленный; визуальный признак – уровень воды в нижнем бьефе находится ниже порога водослива.

Если h_п> 0, то водослив - подтопленный; визуальный признак – уровень воды в нижнем бьефе находится выше порога водослива.

Расход воды, протекающей через прямоугольный водослив с тонкой стенкой, определяется по формуле

(1)

где m — коэффициент расхода водослива. Коэффициент расхода учитывает конструктивные и гидравлические особенности водослива.