Строительство и архитектура / 7. Водоснабжение и канализация

К.т.н. Калякин А.М., Чеснокова Е.В., Долганов А.В., Шустов Р.А.

Саратовский государственный технический университет

имени Гагарина Ю.А., Россия

Постановка задачи о расчете открытого дырчатого канала

Дырчатое дно открытого канала предполагает истечение жидкости через каждое отверстие в дне; при этом обычно формулируются две задачи.

1. При заданной геометрии отверстий и характеристик потока (глубина, расход, форма самого канала) требуется определить расход воды, вытекающей через отверстия. Если система отверстий равномерно распределена вдоль дна, то имеем поток с переменным расходом, и на единице площади дна с отверстиями вытекает некоторый расход воды Q₀.

Очевидно, для того чтобы подсчитать его, необходимо суммировать расходы изо всех отверстий на единице длины. Заметим, что в данном случае интегрирование не совсем корректно с математической точки зрения, хотя возможно подобрать подынтегральную функцию [1]. На практике часто применяют дырчатые напорные трубопроводы, например при отборе воды в двухэтажных отстойниках [1]. Обычно для расчетов напорных трубопроводов используют упрощенное уравнение Бернулли, которое не применимо к открытым каналам. Тем не менее, расчеты открытых дырчатых каналов необходимы в связи с определением поступления количества воды через донные решетки в водозаборных сооружениях горных и предгорных рек. Необходимо при расчетах открытых каналов иметь в виду, что образуется специфическая свободная поверхность, особенности которой связаны с отходящим расходом, поэтому форму свободной поверхности необходимо учитывать. Установлено [3], что коэффициент расхода μ при истечении из отверстия при условии, что жидкость в канале движется зависит от скорости потока, но для расхода все же применима известная зависимость

, (1)

где S – площадь отверстия.

В данном случае не упоминается о взаимном влиянии отверстий, что почти всегда бывает необходимо.

Как следует из (1) зависимость для расхода не отличается от обычной, а коэффициент расхода, как величина безразмерная, как следует из [3] зависит от безразмерного отношения

, (2)

где V_СР – средняя скорость потока, V_ИСТ – скорость истечения, которая определяется как Q₁/S.

В [3] получено выражение для величины коэффициента расхода в виде

. (3)

2. Вторая задача связана с тем, что система отверстий при истечении через них представляет местное гидравлическое сопротивление, влияющее в конечном счете на все характеристики свободной поверхности. И в этой задаче так же как и в предыдущей параметры свободной поверхности влияют на истечение и, следовательно, на сопротивление.

То, что истечение через систему отверстий (и даже через одно отверстие) приводит к гидравлическим сопротивлениям понятно. Причина возникновения сопротивлений заключается в том, что вытекание из отверстий заставляет определенные струйки искривляться, но они не могут быть изолированы от остального потока и поэтому вблизи них также происходит искривление соседних струек, что и приводит к появлению местных сопротивлений. В данном случае мы имеем не часто встречающийся вид местных сопротивлений, когда они по своей природе местные, но распределены по длине потока равномерно.

Литература:

1. Б.О. Ботук. Гидравлика. Гос. изд-во «Высшая школа», М., 1962., 450 с.

2. Х.А. Навоян. Примеры гидравлических расчетов водопропускных сооружений. изд-во «Будiвельник», Киев, 1975, 148 с.

3. Калякин А.М., Никонова В.Т., Сауткина Т.Н., Чеснокова Е.В. Определение расхода воды при истечении через отверстие в дне (открытый поток). «Совершенствование методов гидравлических расчетов водопропускных и очистных сооружений». Межвузовский научный сборник. СГТУ, 2011. с. 54-56.