А.М.Тужилкин, В.В.Сорокина, Н.Н.Корнеева,

О.В.Пахомова, О.В.Терешина

ГИДРАВЛИКА ИНЖЕНЕРНЫХ СООРУЖЕНИЙ

(лабораторный практикум)

Тула 2008

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

ТУЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

А.М.Тужилкин, В.В.Сорокина, Н.Н.Корнеева,

О.В.Пахомова, О.В.Терешина

ГИДРАВЛИКА ИНЖЕНЕРНЫХ СООРУЖЕНИЙ

(лабораторный практикум)

Издательство ТулГУ

УДК: 532.51 (076.5)+533.51 (076.5)

Авторы: Тужилкин А.М., Бурдова М.Г., Корнеева Н.Н., Пахомова О.В., Терешина О.В., Гидравлика инженерных сооружений: = Лабораторный практикум/А.М.Тужилкин [и др.]. -//ун-т/ Тула: Изд.ТулГУ,2008/.-78с.

ISBN

Лабораторный практикум состоит из 6 лабораторных работ, предусмотренных действующими рабочими программами дисциплин «Гидравлика открытых потоков» и «Гидравлика дорожных сооружений».

Описание каждой лабораторной работы состоит из основ теории изучаемого вопроса, методики выполнения эксперимента, формы отчетного журнала и набора контрольных вопросов.

Учебное пособие предназначено для самостоятельной подготовки студентов к проведению лабораторных занятий на установках лаборатории «Инженерная гидравлика» кафедры ЭиСТС ТулГУ.

Табл. 23. Ил. 80. Библиогр.: 3 назв.

Печатается по решению библиотечно-издательского совета Тульского государственного университета.

Рецензенты: директор по новой технике и технологии МУП «Тулагорводоканал» д-р техн.наук, доц. Е.К.Злобин;

Генеральный директор ЗАО «Тоннельпроект» С.А.Василенко

ISBN © Тужилкин А.М., Бурдова М.Г., Корнеева Н.Н.,

Пахомова О.В., Терешина О.В., 2008

© Издательство ТулГУ, 2008

Введение

Действующими учебными планами горно-строительного факультета ТулГУ для некоторых специальностей предусмотрены дисциплины, посвященные взаимодействию открытых водных потоков со специальными инженерными сооружениями. Это дисциплины «Гидравлика дорожных сооружений» для специальности 270205 «Автомобильные дороги и аэродромы» и «Гидравлика открытых потоков» для специальности 270112 «Водоснабжение и водоотведение».

Рабочие программы этих дисциплин предусматривают проведение лабораторных занятий. В лаборатории инженерной гидравлики кафедры Э и СТС смонтированы лотки и модели инженерных сооружений на которых студенты проводят предусмотренные рабочими программами дисциплин лабораторные работы. Две лабораторные установки: Водобойный колодец и водобойная стенка разработаны в ТулГУ и защищены авторскими свидетельствами.

В процессе выполнения лабораторных работ изучается не только взаимодействие инженерных сооружений и открытых потоков, но и определяется эмпирические коэффициенты, используемые при гидравлических расчетах инженерных сооружений.

Описание лабораторных установок, технология проведения гидравлического эксперимента и методика обработки результатов разработана применительно только для условий лаборатории инженерной гидравлики кафедры ЭиСТС. Во всех других случаях должны быть внесены соответствующие коррективы.

1. Моделирование потоков на инженерных сооружениях

1.1. Задачи моделирования

Движение воды по искусственным инженерным сооружениям имеет, как правило, пространственный вид со сложными и изменяющимися во времени очертаниями траекторий отдельных частиц, объектов и слоев потока.

Современный математический аппарат не способен дать не только аналитическое, но даже и численное решение о фактических параметрах пространственного потока. Великому Галлелею приписывают слова о том, что человечество гораздо раньше поймет движение самых далеких планет на небосклоне, чем движение самого маленького ручейка на земной поверхности. Пока жизнь подтверждает правоту этого утверждения.

Поэтому к гидравлическому расчету потока принимают некоторую условную модель движения воды по искусственным сооружениям, упрощая фактическую картину до того уровня, когда возможно получить решение задачи. Несоответствие между расчетной моделью и фактической картиной движения воды устраняют с помощью различного рода коэффициентов, позволяющих приблизить инженерное решение к фактическому.

Поправочные коэффициенты определяются в результате проведения специальных гидравлических экспериментов на моделях искусственного сооружения. Численные значения эмпирических коэффициентов могут быть постоянными(константы) или переменными. В последнем случае полученные в опыте коэффициенты оформляются в виде таблиц, графиков или эмпирических формул.

1.2. Пересчет результатов опытов на модели в натурные условия

Движение воды по инженерным сооружениям проходит под действием силы тяжести, поэтому моделирование их проводят по закону гравитационного подобия (по равенству чисел Фруда для любой пары сходственных элементов в натурных и модельных условиях). Заметим, что разные пары сходственных элементов могут иметь разные значения чисел Фруда.

Из общего курса гидравлики известно, что число Фруда (критерий гравитационного подобия) имеет вид:

, (1)

где V- скорость потока,

g- ускорение сил тяжести,

l – характерный линейный размер.

В безразмерных множителях закон гравитационного подобия может быть записан так:

, (2)

где δ_l – геометрический масштаб моделирования(отношение любого линейного размера в натурных условиях (l_н), к линейному размеру сходственного элемента в модельных условиях(l_м)), т.е. δ_l >1 и тем больше, чем меньше модель по сравнению с натурным инженерным сооружением.

δ_g – масштаб ускорения силы тяжести ( зависит от взаимного географического(или пространственного???) положения места расположения инженерного сооружения и места проведения гидравлических испытаний модели сооружения)

δ_V – масштаб скорости (отношение скорости потока на натурных сооружениях(V_н ) к скорости потока в сходной точке модели(V_м )

В этом случае замеренная на модели какая-либо величина(геометрическая, кинематическая или динамическая) К_м должна быть пересчитана для условий моделируемого сооружения К_н. Пересчет осуществляется по формуле:

К_н= К_м_к, (3)

где _к – безразмерный масштабный коэффициент пересчитываемой величины.

Например:

- для линейного размера _к = δ_l;

- для размера площади _к = δ_= δ_l ²;

- для размера объема _к = δ_W= δ_l ³;

- для скорости _к = δ_V = ;

- для расхода _к = δ_V= ;

- для силы давления _к = δ_P = δ_ δ_g δ_l ³;

- для манометрического давления _к = δ_р = δ_ δ_g δ_l;

- для коэффициента гидравлического трения _к = δ_=1;

- для коэффициента местного сопротивления _к = δ_=1;

- для коэффициента Шези _к = δ_с=1.

Если при модельных испытаниях используется та же жидкость(вода), то масштаб плотности δ_=1.

В этом случае приведенные выше формулы пересчета несколько упростятся.