Come cambia la velocità della corrente su un fiume. Movimento del fluido attraverso i tubi

Nei paragrafi precedenti sono state discusse le leggi dell'equilibrio di liquidi e gas. Consideriamo ora alcuni fenomeni associati al loro movimento.

Si chiama il movimento del fluido con la corrente e un insieme di particelle di un fluido in movimento è un flusso. Quando si descrive il movimento di un liquido, vengono determinate le velocità con cui passano le particelle liquide. questo punto spazio.

Se in ogni punto dello spazio riempito da un fluido in movimento, la velocità non cambia nel tempo, allora tale movimento è chiamato stazionario, o stazionario. In un flusso stazionario, qualsiasi particella fluida attraversa un dato punto dello spazio con lo stesso valore di velocità. Considereremo solo il flusso stazionario di un fluido incomprimibile ideale. Ideale chiamato liquido in cui non sono presenti forze di attrito.

Come è noto, un liquido stazionario in un recipiente, secondo la legge di Pascal, trasmette la pressione esterna a tutti i punti del liquido senza alcuna variazione. Ma quando un fluido scorre senza attrito attraverso un tubo di sezione trasversale variabile, la pressione nei diversi punti del tubo non è la stessa. La distribuzione della pressione in un tubo attraverso il quale scorre il liquido può essere valutata utilizzando un'installazione mostrata schematicamente nella Figura 1. I tubi verticali aperti del manometro sono saldati lungo il tubo. Se il liquido nel tubo è sotto pressione, nel tubo manometrico il liquido sale ad una certa altezza, a seconda della pressione in un dato punto del tubo. L'esperienza dimostra che nelle aree strette del tubo l'altezza della colonna di liquido è inferiore rispetto alle aree ampie. Ciò significa che c’è meno pressione in questi punti ristretti. Cosa spiega questo?

Supponiamo che un fluido incomprimibile scorra attraverso un tubo orizzontale a sezione variabile (Fig. 1). Selezioniamo mentalmente diverse sezioni del tubo, le cui aree denotiamo con e . In un flusso costante, volumi uguali di liquido vengono trasferiti attraverso qualsiasi sezione trasversale di un tubo in periodi di tempo uguali.

Sia la velocità del fluido attraverso la sezione e sia la velocità del fluido attraverso la sezione. Nel tempo i volumi di liquidi che fluiscono attraverso queste sezioni saranno pari a:

Poiché il fluido è incomprimibile, allora . Pertanto, per un fluido incomprimibile. Questa relazione è chiamata equazione di continuità.

Da questa equazione, cioè le velocità del fluido in due sezioni qualsiasi sono inversamente proporzionali alle aree della sezione trasversale. Ciò significa che le particelle liquide accelerano quando si spostano dalla parte larga del tubo a quella stretta. Di conseguenza, una certa forza agisce sul liquido che entra nella parte più stretta del tubo dal liquido rimasto nella parte larga del tubo. Tale forza può formarsi solo a causa della differenza di pressione nelle diverse parti del liquido. Poiché la forza è diretta verso la parte stretta del tubo, la pressione nella sezione larga del tubo dovrebbe essere maggiore che nella sezione stretta. Tenendo conto dell'equazione di continuità, possiamo concludere: con un flusso del fluido stazionario, la pressione è minore nei luoghi in cui la velocità del flusso è maggiore e, al contrario, è maggiore nei luoghi in cui la velocità del flusso è inferiore.

D. Bernoulli è stato il primo a giungere a questa conclusione, motivo per cui viene chiamata questa legge La legge di Bernoulli.

L’applicazione della legge di conservazione dell’energia al flusso di un fluido in movimento ci permette di ottenere un’equazione che esprime la legge di Bernoulli (la presentiamo senza derivazione)

- Equazione di Bernoulli per un tubo orizzontale.

Qui e sono le pressioni statiche e la densità del liquido. Pressione staticaè uguale al rapporto tra la forza di pressione di una parte del liquido su un'altra e l'area di contatto quando la velocità del loro movimento relativo è zero. Questa pressione verrebbe misurata da un manometro che si muove con il flusso. Un tubo monometrico stazionario con un'apertura rivolta verso il flusso misurerà la pressione

La velocità di profondità media è il rapporto tra l'area dell'ologramma e la profondità massima del fiume. L'area dell'odografo può essere calcolata dalla tavolozza o calcolando l'area della sezione trasversale vivente del fiume (vedi compito 2).

Compito 2

Determinare l'area della sezione trasversale aperta del fiume utilizzando i dati nella Tabella 8:

Tabella 8

Profondità della sezione trasversale del fiume

Opzione I		Opzione II
	Profondità del fiume, m	Distanza dall'inizio permanente del bersaglio, m	Profondità del fiume, m

L'area della sezione trasversale vivente di un fiume è calcolata come la somma di un numero di figure geometriche elementari (Fig. 9).

Le figure A 1 A 2 B 1 e A 5 B 4 A 6 sono triangoli, l'area di ciascuno di essi è pari alla metà del prodotto della base e dell'altezza. Le restanti figure sono trapezi. L'area di ciascun trapezio è uguale al prodotto della metà della somma delle basi e dell'altezza.

Riso. 9. Sezione trasversale del fiume

I punti A 1, A 2, A 3, ecc., in cui sono state effettuate le misurazioni della profondità, sono chiamati punti di misurazione.

Il punto di partenza da cui vengono effettuate le misurazioni A 1 è chiamato inizio permanente dell'allineamento.

Calcolare la portata dell'acqua nel fiume se è noto che l'area della sezione trasversale aperta è 42,2 m2, la velocità massima dell'acqua nel fiume è 0,5 m/s e la profondità media del fiume è 4,5 m.

Il calcolo della velocità media del fiume in base alla velocità superficiale massima viene effettuato utilizzando la formula:

,

dove, V av - velocità media; V max - velocità massima, K - coefficiente di transizione dalla velocità massima alla media. Il coefficiente K è presentato nella tabella. 9.

Tabella 9

Valori del coefficiente di transizione dalla velocità massima a quella media

Compito 4

Determinare utilizzando la formula di Chezy (
, Dove CON coefficiente di velocità, R– raggio idraulico, io– la pendenza media del fiume), la velocità media del fiume, se è noto che in un dato tratto il fondo del canale è composto da materiale sabbioso, sono presenti isole e secche. La pendenza media del fiume è 0,000056, il raggio idraulico è 1,8 m.

Il coefficiente di velocità C nella formula di Chezy è determinato dalla formula di Bazin
.

Il coefficiente di rugosità y è determinato secondo la tabella 10.

Quando un fluido si muove in un tubo circolare, la velocità è zero sulle pareti del tubo e massima sull'asse del tubo. Supponendo che il flusso sia laminare, troviamo la legge per la variazione di velocità con la distanza dall'asse del tubo.

Selezioniamo un volume cilindrico immaginario di liquido di raggio e lunghezza l (Fig. 77.1). In un flusso stazionario in un tubo di sezione trasversale costante, le velocità di tutte le particelle del fluido rimangono invariate. Di conseguenza, la somma delle forze esterne applicate a qualsiasi volume di liquido è uguale a zero. Le basi del volume cilindrico in esame sono soggette a forze di pressione, la cui somma è pari a Questa forza agisce nella direzione del movimento del fluido. Inoltre, su superficie laterale il cilindro è soggetto ad una forza di attrito pari a (Si riferisce al valore a distanza dall'asse del tubo). La condizione di stazionarietà ha la forma

La velocità diminuisce con la distanza dall'asse del tubo. Pertanto è negativa e tenendo conto di ciò trasformiamo la relazione (77.1) come segue:

Dividendo le variabili, otteniamo l'equazione:

L'integrazione lo dà

La costante di integrazione deve essere scelta in modo tale che la velocità sulle pareti del tubo (cioè il raggio del tubo) diventi zero.

Da questa condizione

Sostituendo il valore di C nella (77.2) si ottiene la formula

Il valore della velocità sull'asse del tubo è pari a

Tenendo conto di ciò, alla formula (77.3) può essere data la forma

Pertanto, nel flusso laminare, la velocità cambia con la distanza dall'asse del tubo secondo una legge parabolica (Fig. 77.2).

Nel flusso turbolento la velocità in ciascun punto cambia in modo casuale. A costante condizioni esterne La velocità media (nel tempo) in ciascun punto della sezione del tubo risulta essere costante. Il profilo di velocità medio per il flusso turbolento è mostrato in Fig. 77.3. In prossimità delle pareti del tubo la velocità cambia molto più fortemente che nel flusso laminare, ma nel resto della sezione la velocità cambia meno.

Supponendo che il flusso sia laminare, calcoliamo la portata del fluido Q, ovvero il volume del fluido che scorre attraverso la sezione trasversale del tubo per unità di tempo. Dividiamo la sezione trasversale del tubo in anelli di larghezza (Fig. 77.4). Un volume di liquido passerà attraverso l'anello del raggio in un secondo pari al prodotto dell'area dell'anello e della velocità del flusso nei punti situati a una distanza dall'asse del tubo.

Tenendo conto della formula (77.5), otteniamo:

Per ottenere il flusso Q è necessario integrare l'espressione (77.6) nell'intervallo da zero a R: i 9

Area della sezione trasversale del tubo). Dalla formula (77.7) segue che nel flusso laminare il valore medio (sulla sezione trasversale) della velocità è pari alla metà del valore della velocità a. asse del tubo.

Sostituendo nella (77.7) il valore (77.4) di

Otteniamo la formula per il flusso

Questa formula è chiamata formula di Poiseuille. Secondo la (77.8), la portata del fluido è proporzionale alla caduta di pressione per unità di lunghezza del tubo, proporzionale alla quarta potenza del raggio del tubo e inversamente proporzionale al coefficiente di viscosità del liquido. Ricordiamo che la formula di Poiseuille è applicabile solo per il flusso laminare.

La relazione (77.8) viene utilizzata per determinare la viscosità dei liquidi. Facendo passare un liquido attraverso un capillare di raggio noto e misurando la caduta di pressione e il flusso Q, si può trovare

Le velocità medie del flusso variano lungo la lunghezza del fiume a causa della variabilità delle dimensioni della sezione trasversale del canale. In una particolare sezione trasversale, la velocità media si trova facendo la media delle velocità locali misurate in singoli punti del flusso lungo la profondità e la larghezza del fiume. A loro volta, le velocità locali in diversi punti del flusso differiscono significativamente l'una dall'altra. Di solito sono più grandi in superficie che in fondo e sulle rive, al contrario, sono più piccoli che nella parte centrale del fiume.

Questa distribuzione è fortemente influenzata dalla forma della sezione trasversale del canale e dalle condizioni di movimento dell'acqua nella zona.

La presenza di vegetazione o altre asperità aggiuntive sul fondo del fiume porta ad una diminuzione della velocità del flusso dell'acqua di fondo. La formazione di una copertura di ghiaccio sulla superficie libera in inverno crea ulteriore resistenza al movimento dell'acqua. Di conseguenza, le velocità della corrente superficiale diminuiscono e le velocità massime si spostano nello spessore del flusso. Ciò porta al fatto che anche le velocità medie nella sezione trasversale del fiume in inverno diminuiscono rispetto a in estate tempo, a parità di altre condizioni.

Per analizzare la distribuzione delle velocità locali del flusso lungo la sezione trasversale abitativa, in pratica queste vengono misurate in singoli punti lungo la profondità del flusso su un'intera serie verticali ad alta velocità, delineato lungo la larghezza del fiume. Nella fig. La Figura 4.4 mostra il profilo in sezione trasversale del letto del fiume con le velocità di flusso misurate sulle verticali. IN in questo esempio sono state misurate le velocità attuali 5 punti lungo la profondità del flusso. Si vede il profilo del fiume isotachi – linee di uguale velocità nella sezione trasversale del canale.

La parte superiore della costruzione mostra diagramma distribuzione delle velocità medie del flusso sulle verticali lungo la larghezza del fiume, e la linea tratteggiata è il valore della velocità media della corrente sulla sezione aperta.

È possibile costruirlo sulla base delle misurazioni delle velocità del flusso dell'acqua in singoli punti lungo la profondità del flusso diagramma la loro distribuzione verticale. Un esempio di tale costruzione è mostrato in Fig. 4.5. L'asse verticale di questo grafico mostra le distanze dalla superficie libera dell'acqua ai punti di misurazione della velocità su una scala, e l'asse orizzontale mostra i valori di queste velocità. La velocità verticale media è solitamente a distanza 0,4 ore, contando dal fondo del fiume.

In ciascun caso specifico, la distribuzione delle velocità del flusso verticalmente e lungo la larghezza del canale dipende dalle condizioni di movimento dell'acqua nell'area. Tipicamente, le velocità massime del flusso superficiale e le velocità medie del flusso più elevate sulle verticali si osservano nell'area di massima profondità nella sezione vivente del canale. Sui riff, il diagramma delle velocità medie della corrente è allineato alla larghezza del fiume rispetto ai tratti delle valli. La maggiore disuniformità nella distribuzione delle velocità lungo la larghezza del fiume si osserva nelle aree in cui il canale gira. In questo caso, le velocità massime del flusso sono concentrate sulla sponda concava-pressata del fiume. Nella fig. La Figura 4.6 mostra i diagrammi della distribuzione delle velocità verticali medie nella sezione increspata del fiume.

Riso. 4.6. Distribuzione delle velocità medie della corrente

su un tratto increspato del fiume

Un'analisi della distribuzione delle velocità del flusso lungo la larghezza del fiume mostra che al centro del flusso, nella parte più profonda del canale, le velocità effettive del flusso dell'acqua sono sempre maggiori della media della sezione trasversale attiva.

Pertanto, quando si eseguono calcoli tecnici ed economici, viene introdotto il concetto velocità attuale di funzionamento, il cui valore si ricava dalla seguente relazione:

, (4.8)

Dove: Vav- velocità media del flusso lungo la sezione vivente nel tratto fluviale considerato, m/s;

D.V.– la differenza tra la velocità del flusso sull'asse del canale navigabile e la velocità media lungo il tratto aperto in un dato tratto fluviale, m/s.

La velocità media della corrente può essere determinata utilizzando la formula di Chezy o in base a misurazioni sul campo. Le velocità attuali nel fiume vengono misurate con strumenti speciali - metri idrometrici(Fig. 4.7) o lanciando galleggianti. Determinare il valore di una quantità D.V. le misurazioni dirette lungo un tratto esteso del fiume sembrano essere molto difficili.

Riso. 4.7. Tavola girevole idrometrica:

1 – lame; 2 – corpo; 3 – sezione di coda;

4 – asta; 5 – terminali elettrici

In pratica, la velocità operativa per una sezione separata del fiume viene determinata misurando la velocità della nave rispetto alla riva quando segue la corrente Vin e controcorrente Vввв secondo la formula

. (4.9)

Per calcoli approssimativi viene spesso preso

Conoscendo la velocità operativa della corrente, puoi trovare la velocità della nave rispetto alla riva:

quando ci si sposta a valle

, (4.11)

quando ci si sposta a monte

, (4.12)

Dove: Vс – velocità della nave in acque calme (in assenza di corrente), m/s.

I valori ottenuti delle velocità delle navi vengono utilizzati nella pratica durante la pianificazione dei tempi di consegna delle merci e l'elaborazione dei programmi di spedizione.

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Quando si costruiscono molte strutture ingegneristiche sui fiumi, è necessario conoscere la quantità di acqua che scorre in un determinato luogo al secondo o, come si suol dire, il flusso d'acqua. Ciò è necessario per determinare la lunghezza di ponti, dighe, nonché per l'irrigazione e l'approvvigionamento idrico.

Il flusso d'acqua viene solitamente misurato in metri cubi al secondo. Il flusso dell'acqua durante l'alta marea è molto diverso dal flusso durante la bassa marea, cioè ai bassi livelli estivi. La tabella 7 mostra come esempio le portate di alcuni fiumi.

Se tagliamo mentalmente il fiume attraverso il flusso, otteniamo la cosiddetta “sezione trasversale vivente” del fiume. La distribuzione della velocità del flusso lungo la sezione trasversale vivente del fiume è molto disomogenea. La velocità del flusso è influenzata dalla profondità del canale, dalla sua forma e dagli ostacoli che il fiume incontra lungo il suo percorso, ad esempio il sostegno di un ponte, un'isola, ecc.

Di solito la velocità è minore vicino alle sponde, ma al centro, nella parte più profonda del fiume, la velocità è molto più elevata che nella parte bassa. Nella parte superiore del flusso, le velocità sono maggiori e più ci si avvicina al fondo, minore è. Su una sezione pianeggiante del fiume, la velocità massima è solitamente leggermente al di sotto della superficie dell'acqua, ma a volte la velocità massima si osserva in superficie.

Se la corrente incontra un ostacolo, ad esempio il supporto di un ponte o un'isola, le velocità più elevate possono avvicinarsi al fondo del fiume. Nei laghi lanche durante l'acqua alta, le velocità vicino al fondo scendono a zero.

La Figura 14 mostra la distribuzione delle velocità della corrente lungo la sezione trasversale del Volga vicino a Saratov durante l'acqua alta. La velocità sulla superficie nel braccio sinistro è 1,3 al secondo e nel braccio destro 1,7 al secondo. Sull'isola, che durante l'acqua alta viene ricoperta d'acqua, la velocità scende a 0,5 al secondo. Sul fondo del fiume, le velocità scendono a 0,4. In estate, la velocità massima in questa sezione del canale principale non era superiore a 0,4 al secondo.

Lungo il fiume le velocità possono variare anche notevolmente a seconda del profilo del tratto in tensione. Ad esempio, quattordici chilometri sotto Saratov, vicino a Uvek, dove il canale non ha isole ed è limitato da dighe, durante l'alta marea la velocità superficiale raggiungeva i 3 al secondo, mentre a Saratov la velocità arrivava fino a 1,8 al secondo.

Nei luoghi profondi del fiume, chiamati tratti, la sezione trasversale vivente è maggiore. In luoghi poco profondi o in insenature, la sezione trasversale vivente è molto più piccola. Poiché in un breve tratto lungo il fiume i flussi d'acqua sono uguali e le sezioni trasversali sul tratto sono maggiori che sul rift, le velocità del flusso saranno diverse: in un luogo profondo l'acqua scorre silenziosamente, ma sulla spaccatura scorre molto più velocemente.

La velocità della corrente dipende anche dalla pendenza del flusso, dalla rugosità del fondo e dalla profondità. Maggiore è la pendenza, più liscio è il fondo e più regolare il suo contorno, maggiore è la velocità del flusso. I valori approssimativi della velocità sui fiumi sono mostrati nella Tabella 8.

La tabella mostra la "velocità media". Questa velocità è determinata dividendo il flusso d'acqua per l'area della sezione trasversale del fiume. La velocità superficiale massima è solitamente una volta e mezza maggiore e la velocità di fondo è una volta e mezza inferiore alla velocità media.

La scienza dell'idrometria si occupa di misurare la velocità e il flusso dell'acqua del fiume.

La velocità del flusso d'acqua può essere misurata in modo molto semplice.

Per fare questo, è necessario misurare una certa distanza lungo la riva, almeno a gradini, impostare dei segni e lanciare un galleggiante o semplicemente un pezzo di legno nell'acqua leggermente sopra il segno superiore. Il tempo impiegato dal galleggiante per spostarsi da una boa all'altra viene misurato da un orologio con la lancetta dei secondi. Dividendo la distanza tra i segni per il tempo in cui il galleggiante fluttua da un segno a quello successivo, otteniamo la velocità superficiale del flusso in quella posizione.

Durante i rilievi il passaggio dei galleggianti viene rilevato con un apposito strumento goniometro.

Il modo più accurato per misurare la velocità è con i misuratori idrometrici (Fig. 15). Questi giradischi su un'asta di metallo (a profondità fino a 4) o su un cavo (a qualsiasi profondità) vengono calati in acqua a diverse profondità da navi appositamente attrezzate. Non appena il piatto gira un certo numero di giri, i cavi elettrici al suo interno si chiudono, la corrente scorre attraverso il piatto e nella parte superiore viene prodotta una breve campana. L'intervallo di tempo tra le singole chiamate corrisponde ad una determinata velocità di flusso. Abbassando la piattaforma girevole sempre più in basso, è possibile misurare le velocità lungo l'intera profondità del fiume ad una determinata verticale.

La portata d'acqua sul fiume si calcola come segue. In ciascuna delle 10-20 verticali situate attraverso il flusso alla stessa distanza l'una dall'altra, viene determinata la velocità media del flusso, che viene quindi moltiplicata per l'area della sezione trasversale del fiume tra le verticali. I costi privati ​​individuali così ottenuti tra i verticali vengono sommati. La somma dà la portata totale del fiume, espressa in metri cubi al secondo.

In conclusione forniremo alcune informazioni sul guadato dei fiumi.

Il guado può essere effettuato, a seconda della velocità, a diverse profondità. Di norma, a una velocità di 1,5 puoi guadare a una profondità di 1, a cavallo a una profondità di 1,2 e in macchina a una profondità di 0,5. Alla velocità 2 puoi guadare a una profondità di 0,6, attraversare il fiume a cavallo a una profondità di 1 e in auto a una profondità di 0,3. massima profondità per il guado è determinato solo dall'altezza della persona e dal design della macchina.

Esistono diversi modi per misurare la velocità del fiume. Questo può essere fatto risolvendo problemi matematici, quando ci sono dei dati, e questo può essere fatto applicando azioni pratiche.

Velocità del flusso del fiume

La velocità della corrente dipende direttamente dalla pendenza del letto del fiume. La pendenza del canale è il rapporto tra la differenza di altezze di due sezioni, punti, e la lunghezza della sezione. Maggiore è la pendenza, maggiore è la velocità del flusso del fiume.

Puoi scoprire qual è la velocità della corrente di un fiume navigando con una barca controcorrente e poi a valle. La velocità della barca con la corrente è V1, la velocità della barca contro corrente è V2. Per calcolare la velocità del flusso del fiume è necessario (V1 - V2): 2.

Per misurare la velocità del flusso d'acqua viene utilizzato uno speciale dispositivo ritardato, una girandola, costituita da una pala, un corpo, una sezione di coda e un rotore.

Ce n'è uno in più il modo più semplice come trovare la velocità di un fiume.

Puoi misurare 10 metri a monte, a gradini. La tua altezza sarà più precisa. Quindi traccia un segno sulla riva con una pietra o un ramo e getta una scheggia di legno nel fiume sopra il segno. Dopo che la scheggia ha raggiunto il segno sulla riva, devi iniziare a contare i secondi. Quindi dividere la distanza misurata di 10 metri per il numero di secondi su questa distanza. Ad esempio, una scheggia ha percorso 10 metri in 8,5 secondi. La velocità del flusso del fiume sarà di 1,18 metri al secondo.

Elementi del regime idrico e metodi di osservazione

(secondo L.K. Davydov)

Sotto l'influenza di una serie di ragioni, che verranno discusse di seguito, i flussi d'acqua nei fiumi, la posizione della superficie piana, le sue pendenze e la velocità del flusso cambiano. La variazione cumulativa delle portate dell'acqua, dei livelli, delle pendenze e delle velocità del flusso nel tempo è chiamata regime dell'acqua, mentre le variazioni delle portate, dei livelli, delle pendenze e delle velocità individualmente sono chiamate elementi del regime dell'acqua.

La portata d'acqua (Q) è la quantità d'acqua che scorre attraverso un dato tratto vivo di un fiume nell'unità di tempo. La portata è espressa in m3/s. Il livello dell'acqua (H) è l'altezza della superficie dell'acqua (in centimetri), misurata da un piano di confronto costante.

Osservazioni sui livelli e metodi per la loro elaborazione

Le osservazioni delle fluttuazioni di livello vengono effettuate presso le postazioni di misurazione dell'acqua (Fig. 73) e consistono nel misurare l'altezza della superficie dell'acqua sopra un certo piano costante, preso come iniziale, o zero. Di solito si considera un piano di questo tipo un piano che passa attraverso una boa leggermente al di sotto del livello più basso dell'acqua. L'elevazione assoluta o relativa di questo piano è chiamata zero del grafico, oltre il quale sono dati tutti i livelli.

Riso. 73. Stazione di misurazione dell'acqua su palo (a) e lettura del livello dell'acqua mediante binario portatile (b).

Le misurazioni vengono effettuate utilizzando un'asta di misurazione dell'acqua con una precisione di 1 cm. Esistono due tipi di aste: permanenti e portatili. Le doghe permanenti sono fissate alle spalle del ponte o ad un palo conficcato nel fondo del letto del fiume vicino alla riva. Con sponde piatte e grandi ampiezze di fluttuazioni di livello, le osservazioni vengono effettuate utilizzando uno staff portatile. Per fare ciò, alcuni pali situati nell'allineamento vengono conficcati nel letto del fiume e nella pianura alluvionale.

I segni delle teste dei pali sono collegati mediante livellamento con un punto di riferimento della stazione di misurazione dell'acqua installata sulla riva, di cui è nota la marca assoluta o relativa. Il livello dell'acqua viene misurato utilizzando un'asta portatile installata sulla testa del palo. Conoscendo l'elevazione della testa di ciascun palo, è possibile esprimere tutti i livelli misurati in eccedenza rispetto alla superficie zero, o allo zero del grafico. Le osservazioni ai posti di misurazione dell'acqua vengono solitamente eseguite 2 volte al giorno: alle 8 e alle 20. Durante i periodi in cui i livelli cambiano rapidamente, vengono effettuate ulteriori osservazioni a 1, 2, 3 o 6 ore nell'arco della giornata. Per la registrazione continua dei livelli durante il giorno vengono utilizzati registratori di livello, la cui descrizione può essere trovata in un libro di testo di idrometria (V.D. Bykov e A.V. Vasiliev). Lì puoi anche conoscere il post idrologico di registrazione automatica del regime (livello dell'acqua e temperatura). Transizione a sistema automatizzato le osservazioni accelerano l'acquisizione di informazioni idrologiche e aumentano l'efficienza del loro utilizzo.

Sulla base di tutte le misurazioni, vengono calcolati i livelli medi per ciascun giorno e vengono compilate tabelle dei livelli medi giornalieri per l'anno. Inoltre, queste tabelle contengono i livelli medi per ogni mese e anno e selezionano i livelli più alto e più basso per ogni mese e anno.

I livelli medio, massimo e minimo sono chiamati livelli caratteristici. I dati relativi all'osservazione del livello vengono pubblicati in URSS in pubblicazioni speciali: gli annuari idrologici. Nel periodo pre-rivoluzionario, questi dati furono pubblicati in “Informazioni sui livelli dell’acqua nelle vie navigabili interne della Russia basate sulle osservazioni presso i posti di misurazione dell’acqua”.

Sulla base delle osservazioni giornaliere dei livelli, vengono costruiti i grafici delle loro fluttuazioni, che danno un'idea chiara del regime di livello per dato anno.

Metodi per misurare la velocità del flusso dei fiumi

Le velocità del flusso del fiume vengono solitamente misurate utilizzando galleggianti o indicatori. In alcuni casi, la velocità media dell'intera sezione abitativa viene calcolata utilizzando la formula di Chezy. I galleggianti più semplici e più comunemente usati sono fatti di legno. I galleggianti vengono gettati nell'acqua sui piccoli fiumi dalla riva, sui grandi fiumi - da una barca. Utilizzando un cronometro, viene determinato il tempo t per il passaggio del galleggiante tra due bersagli adiacenti, la distanza l tra cui è nota. La velocità superficiale della corrente è uguale alla velocità del galleggiante

Più precisamente, le velocità attuali vengono misurate utilizzando un idrometro. Consente di determinare la velocità media del flusso in qualsiasi punto del flusso. Esistono diversi tipi di giradischi. Nell'URSS, attualmente si consiglia l'uso dei giradischi idrometrici modernizzati di Zhestovsky e Burtsev GR-21M, GR-55, GR-11.

Quando si misura la velocità, una piattaforma girevole su un'asta o un cavo viene abbassata nell'acqua a varie profondità in modo che le sue pale siano dirette contro la corrente. Le pale iniziano a ruotare e più velocemente aumenta la velocità del flusso. Dopo un certo numero di giri dell'asse del piatto rotante (solitamente 20), utilizzando un dispositivo speciale, luce o segnale sonoro. Il numero di giri al secondo è determinato dall'intervallo di tempo tra due segnali.

I piatti girevoli vengono calibrati in appositi laboratori o presso gli stabilimenti dove vengono prodotti, cioè viene stabilita una relazione tra il numero di rotazioni della pala del piatto al secondo (n giri/min) e la velocità del flusso (v m/s). Da questa dipendenza, conoscendo n, possiamo determinare v. Le misurazioni con una girandola vengono effettuate su più verticali, in più punti su ciascuna di esse.

Metodi per determinare il flusso d'acqua

Il flusso d'acqua in una determinata sezione aperta può essere determinato dalla formula

Dove v è la velocità media dell'intera sezione abitativa; w è l'area di questa sezione. Quest'ultimo viene determinato a seguito di misurazioni della profondità del letto del fiume lungo una sezione trasversale.

Utilizzando la formula precedente, la portata viene calcolata solo se la velocità viene determinata utilizzando la formula di Chezy. Quando si misura la velocità con galleggianti o una piattaforma girevole su singole verticali, la portata viene determinata in modo diverso. Lascia che le velocità medie per ciascuna verticale siano note come risultato delle misurazioni. Quindi lo schema per il calcolo del consumo di acqua è ridotto a quanto segue. Il flusso d'acqua può essere rappresentato come il volume di un corpo idrico - un modello di flusso (Fig. 76 a), limitato dal piano della sezione vivente, dalla superficie orizzontale dell'acqua e dalla superficie curva v = f (H, B) , che mostra la variazione di velocità lungo la profondità e la larghezza del flusso. Questo volume, e quindi la portata, è espresso dalla formula

Poiché la legge della variazione v = f(H,B) è matematicamente sconosciuta, la portata viene calcolata in modo approssimativo.

Riso. 76 Schema per il calcolo dei consumi idrici. a — modello di flusso, b — flusso parziale.

Il modello di flusso può essere suddiviso mediante piani verticali perpendicolari all'area della sezione aperta in volumi elementari (Fig. 76 b). La portata totale è calcolata come somma delle portate parziali AQ, ciascuna delle quali attraversa una parte dell'area della sezione aperta wi, contenuta tra due verticali di velocità o tra il bordo e la verticale ad essa più vicina.

Pertanto, la portata totale Q è uguale a

dove K è un parametro variabile che dipende dalla natura della costa e varia da 0,7 a 0,9. In presenza di spazio morto K = 0,5.

La velocità media dell'intera zona abitativa con una portata d'acqua Q nota si calcola con la formula vcð =Q/w.

Vengono utilizzati anche altri metodi, ad esempio, per misurare il flusso d'acqua fiumi di montagna Viene utilizzato il metodo dell'inondazione di ioni.

Informazioni dettagliate sulla determinazione e sul calcolo della portata dell'acqua sono presentate nel corso di idrometria. Esiste una certa relazione tra le portate e i livelli del flusso d'acqua, Q - f(H), nota in idrologia come curva del flusso dell'acqua. Una curva empirica simile è presentata in Fig. 77 a.

Si basava sui flussi d'acqua misurati nel fiume durante il periodo senza ghiaccio. I punti corrispondenti ai flussi d'acqua invernali si trovano a sinistra della curva estiva, poiché i flussi misurati durante il periodo di gelo Qwinter (alla stessa altezza) sono inferiori a quelli estivi QL. La diminuzione delle portate è conseguenza dell'aumento della scabrezza dell'alveo dovuto alla formazione di ghiaccio e della diminuzione della sezione aperta. Il rapporto tra Qwin e Ql, espresso dal coefficiente di transizione

Non rimane costante e cambia nel tempo con i cambiamenti dell'intensità delle formazioni di ghiaccio, dello spessore del ghiaccio e della rugosità della sua superficie inferiore. L'andamento dei cambiamenti in Kzim=f(T) dall'inizio del congelamento all'apertura è mostrato in Fig. 77 a.

La curva di flusso consente di determinare il flusso giornaliero dell'acqua del fiume sulla base dei livelli noti osservati nelle stazioni di misurazione dell'acqua. Per il periodo senza ghiacci, l'utilizzo della curva Q = f(H) non presenta alcuna difficoltà. I costi giornalieri durante il gelo o altre formazioni di ghiaccio possono essere determinati utilizzando la stessa curva Q = f(H) e il grafico cronologico Kzim = f/(T), da cui si prendono i valori Kzim per la data desiderata:

QZIM = KzimQl

Esistono altri modi per determinare i costi invernali, ad esempio utilizzando la curva di flusso “invernale”, se è possibile costruirla.

In numerosi casi, l’univocità della curva del flusso d’acqua viene violata anche durante il periodo senza ghiaccio. Ciò si osserva più spesso quando il canale è instabile (alluvione, erosione), così come quando si verifica un ristagno variabile causato da una discrepanza nei livelli di un dato fiume e dal suo afflusso, dal funzionamento delle strutture idrauliche, dalla crescita eccessiva del canale con acqua vegetazione e altri fenomeni. In ciascuno di questi casi viene scelto l'uno o l'altro metodo per determinare i flussi d'acqua giornalieri, come delineato nel corso di idrometria.

Sulla base dei dati relativi al consumo idrico giornaliero, è possibile calcolare il consumo medio per un decennio, un mese o un anno. Le spese medie, massime e minime per un dato anno o per un certo numero di anni sono chiamate spese caratteristiche. Sulla base dei dati del flusso giornaliero, viene costruito un grafico calendario (cronologico) delle fluttuazioni del flusso d'acqua, chiamato idrogramma (Fig. 78).

Riso. 78. Idrogramma.

Meccanismo del flusso del fiume

(secondo L.K. Davydov)

Il movimento è laminare e turbolento

In natura esistono due modalità di movimento dei fluidi, compresa l'acqua: laminare e turbolento. Il movimento laminare è parallelo al getto. Con un flusso d'acqua costante, le velocità in ciascun punto del flusso non cambiano nel tempo, né in grandezza né in direzione. Nei flussi aperti, la velocità dal fondo, dove è zero, aumenta gradualmente fino al suo valore massimo in superficie. Il movimento dipende dalla viscosità del fluido e la resistenza al movimento è proporzionale alla velocità alla prima potenza. La miscelazione in un flusso ha la natura della diffusione molecolare. Il regime laminare è caratteristico dei flussi sotterranei che scorrono in terreni a grana fine.

Nei corsi d'acqua il movimento è turbolento. Caratteristica Il regime turbolento è la pulsazione della velocità, cioè il suo cambiamento nel tempo in ogni punto in grandezza e direzione. Queste fluttuazioni di velocità in ciascun punto si verificano attorno a valori medi stabili, che vengono solitamente utilizzati dagli idrologi. Le velocità più elevate si osservano sulla superficie del flusso. Verso il fondo diminuiscono in modo relativamente lento e nelle immediate vicinanze del fondo presentano ancora valori piuttosto elevati. Pertanto, nel flusso di un fiume, la velocità sul fondo è praticamente diversa da zero. Studi teorici sul flusso turbolento notano la presenza di uno strato limite molto sottile sul fondo, in cui la velocità diminuisce bruscamente fino a zero.

Il moto turbolento è praticamente indipendente dalla viscosità del fluido. La resistenza al movimento nei flussi turbolenti è proporzionale al quadrato della velocità.

È stato sperimentalmente stabilito che il passaggio dalla modalità laminare a quella turbolenta e viceversa avviene in corrispondenza di determinati rapporti tra la velocità vav e la profondità Hav del flusso. Questa relazione è espressa dal numero di Reynolds adimensionale

denominatore (ν) - coefficiente viscosità cinematica.

Per i canali aperti, i numeri di Reynolds critici ai quali cambia la modalità di movimento variano approssimativamente nell'intervallo 300-1200. Se prendiamo Re = 360 e il coefficiente di viscosità cinematica = 0,011, allora a una profondità di 10 cm la velocità critica (la velocità con cui il moto da laminare diventa turbolento) è 0,40 cm/s; a una profondità di 100 cm diminuisce a 0,04 cm/s. Bassi valori di velocità critica spiegano la natura turbolenta del movimento dell'acqua nei flussi fluviali.

Secondo concetti moderni (A.V. Karaushev e altri), all'interno di un flusso turbolento in diverse direzioni e con diversi velocità relative si muovono volumi elementari d'acqua (elementi strutturali) di diverse dimensioni. Pertanto, insieme al movimento generale del flusso, si può notare il movimento delle singole masse d'acqua, che conducono, per così dire, un'esistenza indipendente per un breve periodo. Ciò ovviamente spiega l'apparizione sulla superficie di un flusso turbolento di piccoli imbuti: vortici, che appaiono rapidamente e altrettanto rapidamente scompaiono, come se si dissolvessero in massa totale acqua. Ciò spiega anche non solo la pulsazione della velocità del flusso, ma anche la pulsazione della torbidità, della temperatura e della concentrazione dei sali disciolti.

La natura turbolenta del movimento dell'acqua nei fiumi provoca il mescolamento della massa d'acqua. L'intensità della miscelazione aumenta con l'aumentare della velocità del flusso. Il fenomeno del rimescolamento è di grande importanza idrologica. Aiuta a equalizzare la temperatura, la concentrazione delle particelle sospese e disciolte lungo la sezione trasversale del flusso.

Riso. 65. Esempi di flusso curvo della superficie dell'acqua. a - supporto urlante, b - curva di declino (secondo A.V. Karaushev).

Movimento dell'acqua nei fiumi

L'acqua nei fiumi si muove sotto l'influenza della gravità F'. Questa forza può essere scomposta in due componenti: parallela al fondo Fx e normale al fondo F’y (vedi Fig. 68). La forza F' è bilanciata dalla forza di reazione dal basso. La forza F'х, a seconda della pendenza, provoca il movimento dell'acqua nel torrente. Questa forza, agendo costantemente, dovrebbe causare un'accelerazione del movimento. Ciò non accade, poiché è bilanciato dalla forza di resistenza che si crea nel flusso a causa dell'attrito interno tra le particelle d'acqua e dell'attrito della massa d'acqua in movimento contro il fondo e le sponde. Cambiamenti di pendenza, rugosità del fondo, restringimento e allargamento del canale provocano una variazione del rapporto forza motrice e forze di resistenza, che portano a cambiamenti nella velocità del flusso lungo la lunghezza del fiume e nella sezione abitata.

Si distinguono i seguenti tipi di movimento dell'acqua nei torrenti: 1) uniforme, 2) irregolare, 3) instabile. Con un movimento uniforme della velocità del flusso, la sezione trasversale aperta e la portata dell'acqua sono costanti lungo la lunghezza del flusso e non cambiano nel tempo. Questo tipo di movimento può essere osservato in canali con sezione trasversale prismatica.

Con un movimento irregolare, la pendenza, la velocità e la sezione aperta non cambiano in una determinata sezione nel tempo, ma cambiano lungo la lunghezza del flusso. Questo tipo di movimento si osserva nei fiumi durante i periodi di magra con flussi d'acqua stabili al loro interno, nonché in condizioni di ristagno formato da una diga.

Il moto instabile è quello in cui tutti gli elementi idraulici del flusso (pendenze, velocità, area della sezione trasversale aperta) nell'area considerata cambiano sia nel tempo che nella lunghezza. Il movimento instabile è tipico dei fiumi durante le inondazioni e le inondazioni.

Con movimento uniforme, la pendenza della superficie di flusso I è uguale alla pendenza del fondo i e la superficie dell'acqua è parallela alla superficie del fondo livellata. Movimento irregolare può essere lento o accelerato. Quando il flusso rallenta nel fiume, la curva della superficie dell'acqua libera assume la forma di una curva di ristagno. La pendenza della superficie diventa inferiore alla pendenza del fondo (I< i), и глубина возрастает в направлении течения. При ускоряющемся течении кривая свободной поверхности потока называется кривой спада; глубина убывает вдоль потока, скорость и уклон возрастают (I >i) (Fig. 65).

Riso. 68. Schema per derivare l'equazione di Chezy (secondo A.V. Karaushev).

Velocità dei flussi d'acqua e loro distribuzione nella sezione aperta

Le velocità di flusso nei fiumi non sono le stesse nei diversi punti del flusso: variano sia in profondità che in larghezza della sezione corrente. Su ogni singola verticale velocità più basse si osservano in prossimità del fondo, ciò è dovuto all'influenza della rugosità dell'alveo. Dal fondo alla superficie, l'aumento di velocità avviene dapprima rapidamente, poi rallenta, e il massimo nei flussi aperti viene raggiunto in superficie o ad una distanza di 0,2H dalla superficie. Le curve delle variazioni di velocità verticale sono chiamate odografi o diagrammi di velocità (Fig. 66). La distribuzione verticale delle velocità è fortemente influenzata dalle irregolarità della topografia del fondale, dalla copertura di ghiaccio, dal vento e dalla vegetazione acquatica. Se sul fondo sono presenti irregolarità (colline, massi), le velocità del flusso davanti all'ostacolo diminuiscono bruscamente verso il basso. Le velocità nello strato inferiore diminuiscono con lo sviluppo della vegetazione acquatica, che aumenta notevolmente la rugosità del fondo del canale. In inverno, sotto il ghiaccio, soprattutto in presenza di neve fangosa, sotto l'influenza di un ulteriore attrito sulla superficie inferiore ruvida del ghiaccio, le velocità sono basse. La velocità massima si sposta al centro della profondità e talvolta si trova più vicino al fondo. Il vento che soffia nella direzione della corrente aumenta la velocità in superficie. Con il rapporto opposto tra la direzione del vento e quella della corrente, le velocità in superficie diminuiscono e la posizione del massimo si sposta ad una profondità maggiore rispetto alla sua posizione con tempo calmo.

Lungo la larghezza del flusso, sia la velocità superficiale che quella media sulle verticali cambiano in modo abbastanza graduale, ripetendo sostanzialmente la distribuzione delle profondità nella sezione attiva: vicino alla costa la velocità è inferiore, al centro del flusso è massima. Una linea che collega i punti sulla superficie del fiume a alle velocità più elevate, si chiama asta. Conoscere la posizione dell'asta ha Grande importanza quando si utilizzano i fiumi per il trasporto d'acqua e il rafting di legname. Una rappresentazione visiva della distribuzione delle velocità in una sezione sotto tensione può essere ottenuta costruendo isot - linee che collegano punti con le stesse velocità in una sezione sotto tensione (Fig. 67). La regione delle velocità massime si trova solitamente ad una certa profondità dalla superficie. La linea che collega i punti delle singole sezioni attive lungo la lunghezza del flusso con le velocità più elevate è chiamata asse dinamico del flusso.

Riso. 66. Diagrammi di velocità. a - canale aperto, b - davanti a un ostacolo, c - copertura di ghiaccio, d - accumulo di fanghi.

La velocità verticale media si calcola dividendo l'area del diagramma di velocità per la profondità verticale oppure in presenza di velocità misurate in punti caratteristici in profondità (VPOV, V0.2, V0.6, V0.8, VDON) utilizzando una delle formule empiriche, per esempio

Velocità media nella sezione live. Formula Chezy

Per calcolare la velocità media del flusso in assenza di misurazioni dirette, è ampiamente utilizzata la formula di Chezy. Lei ha vista successiva:

dove Hav è la profondità media.

Il valore del coefficiente C non è un valore costante. Dipende dalla profondità e dalla rugosità del letto del fiume. Esistono diverse formule empiriche per determinare C. Qui ce ne sono due:

La formula di Maning

formula di N. N. Pavlovsky
dove n è il coefficiente di rugosità, trovato secondo le tabelle speciali di M.F. Sribny. L'indicatore variabile nella formula di Pavlovsky è determinato dalla dipendenza.

Dalla formula di Chezy si può vedere che la velocità del flusso aumenta all'aumentare del raggio idraulico o della profondità media. Ciò accade perché con l'aumentare della profondità si indebolisce l'influenza della rugosità del fondo sul valore della velocità nei singoli punti verticali e quindi diminuisce l'area del diagramma di velocità occupata dalle basse velocità. Un aumento del raggio idraulico porta anche ad un aumento del coefficiente C. Dalla formula di Chezy segue che la velocità del flusso aumenta con l’aumentare della pendenza, ma questo aumento è meno pronunciato durante il moto turbolento che durante il moto laminare.

Velocità di scorrimento dei fiumi di montagna e di pianura

Il flusso dei fiumi di pianura è molto più calmo di quello dei fiumi di montagna. La superficie dell'acqua dei fiumi di pianura è relativamente piatta. Gli ostacoli scorrono tranquilli, la curva del ristagno che appare davanti all'ostacolo si accoppia dolcemente con la superficie dell'acqua della zona a monte.

I fiumi di montagna sono caratterizzati da estreme irregolarità della superficie dell'acqua (creste schiumose, faglie inverse, avvallamenti). Le faglie inverse si verificano davanti ad un ostacolo (un cumulo di massi sul fondo del canale) o con una brusca diminuzione della pendenza del fondo. L'aumento dell'acqua nell'idraulica è chiamato salto idraulico (d'acqua). Può essere considerata come un'onda singola che appare sulla superficie dell'acqua davanti a un ostacolo. La velocità di propagazione di una singola onda sulla superficie, come è noto, è c = , dove g è l'accelerazione di gravità, H è la profondità.

Se la velocità media del flusso vср del flusso risulta essere uguale alla velocità di propagazione dell'onda o superarla, l'onda formata sull'ostacolo non può propagarsi a monte e si ferma vicino al punto del suo inizio. Si forma un'onda di spostamento fermata.

Sia vav = c. Sostituendo il valore della formula precedente in questa uguaglianza, otteniamo vav = , or

Il lato sinistro di questa equazione è noto come numero di Froude (Fr). Questo numero permette di stimare le condizioni per l'esistenza di un regime di flusso tempestoso o calmo: a p< 1 — спокойный режим, при Fr >1 - modalità tempesta.

Esistono quindi le seguenti relazioni tra la natura del flusso, profondità, velocità e, di conseguenza, pendenza: all'aumentare della pendenza e della velocità e alla diminuzione della profondità a una data portata, il flusso diventa più turbolento; al diminuire della pendenza e della velocità e all'aumentare della profondità, a parità di portata, il flusso diventa più calmo.

I fiumi di montagna sono generalmente caratterizzati da flussi rapidi, mentre i fiumi di pianura hanno un regime di flusso calmo. Un regime di flusso turbolento può verificarsi anche nelle aree rapide dei fiumi di pianura. La transizione verso un flusso agitato aumenta notevolmente la turbolenza del flusso.

Circolazioni trasversali

Una delle caratteristiche del movimento dell'acqua nei fiumi è il flusso non parallelo delle correnti. Si manifesta chiaramente sulle curve e si osserva sui tratti rettilinei dei fiumi. Insieme al movimento generale del flusso parallelo alle rive, in generale ci sono correnti interne al flusso, dirette ad angoli diversi rispetto all'asse di movimento del flusso e che producono movimenti masse d'acqua in direzione trasversale al flusso. Il ricercatore russo N.S Lelyavsky attirò l'attenzione su questo alla fine del secolo scorso. Ha spiegato la struttura dei flussi interni come segue. In corrispondenza dell'asta, a causa delle elevate velocità sulla superficie dell'acqua, i getti vengono aspirati lateralmente, di conseguenza si crea un leggero aumento del livello al centro del flusso. Di conseguenza, su un piano perpendicolare alla direzione del flusso, si formano due flussi di circolazione lungo contorni chiusi, divergenti nella parte inferiore (Fig. 69 a). In combinazione con il movimento in avanti, queste correnti di circolazione trasversale assumono la forma di movimenti elicoidali. Lelyavsky definì difettosa la corrente superficiale diretta verso il nucleo, e quella divergente sul fondo come a forma di ventaglio.

Nelle sezioni curve del canale, i getti d'acqua, incontrando una sponda concava, vengono lanciati via da esso. Le masse d'acqua portate da questi getti riflessi, che hanno velocità inferiori, sovrapposte alle masse d'acqua portate dai getti successivi che li incidono, aumentano il livello della superficie dell'acqua in prossimità della riva concava. Di conseguenza, si verifica un'inclinazione della superficie dell'acqua e i getti d'acqua situati vicino alla sponda concava scendono lungo il suo pendio e sono diretti negli strati inferiori verso la sponda convessa opposta. Una corrente di circolazione si verifica nelle sezioni curve dei fiumi (Fig. 69 b).

Riso. 69. Correnti di circolazione su una sezione diritta (a) e su una sezione curva (b) del canale (secondo N. S. Lelyavsky). 1 - piano dei getti di superficie e di fondo, 2 - correnti di circolazione nel piano verticale, 3 - correnti elicoidali.

Le caratteristiche dei flussi interni sono state studiate da A.I. Losievsky in condizioni di laboratorio. Stabilì la dipendenza della forma delle correnti di circolazione dal rapporto tra profondità e larghezza del flusso e identificò quattro tipi di flussi interni (Fig. 70).

I tipi I e II sono rappresentati da due circolazioni simmetriche. Il tipo I è caratterizzato dalla convergenza del getto in superficie e dalla divergenza sul fondo. Questo caso è tipico dei corsi d'acqua con canale largo e poco profondo, quando l'influenza delle sponde sulla portata è insignificante. Nel secondo caso, i getti di fondo sono diretti dalle rive al centro. Questo tipo di circolazione è tipico per flussi profondi con velocità elevate. Il tipo III con circolazione unidirezionale si osserva in canali di forma triangolare. Il tipo IV - intermedio - può verificarsi durante la transizione dal tipo I al tipo II. In questo caso, i getti al centro del flusso possono essere convergenti o divergenti, rispettivamente, vicino alla costa: divergenti o convergenti. Ulteriori sviluppi idee sulle correnti di circolazione sono state ottenute nei lavori di M. A. Velikanov, V. M. Makkaveev, A. V. Karaushev e altri. Gli studi teorici sul verificarsi di questi flussi sono presentati in corsi speciali sull'idraulica e la dinamica dei flussi dei canali. La comparsa di correnti trasversali nelle curve dei canali è spiegata dalla forza d'inerzia centrifuga che qui si sviluppa e dalla pendenza trasversale associata della superficie dell'acqua. La forza d'inerzia centrifuga che si forma sulle curve non è la stessa a diverse profondità.

Riso. 70. Schema dei flussi interni (secondo A.I. Losievsky). 1 - getto di superficie, 2 - getto di fondo.

Riso. 71. Schema della somma delle forze che causano la circolazione. a - variazione verticale della forza centrifuga P1, b - sovrappressione, c - diagramma risultante della forza centrifuga e della forza agente sulla verticale sovrapressione, g - circolazione trasversale.
In superficie è maggiore, sul fondo è minore a causa della diminuzione della velocità longitudinale con la profondità (Fig. 71 a).

A seconda della direzione della curva, la forza di Coriolis di deflessione rafforza o indebolisce i flussi trasversali in corrispondenza della curva. La stessa forza eccita i flussi trasversali nei tratti rettilinei.

A livelli bassi della curva, le correnti di circolazione non sono quasi espresse. All'aumentare dei livelli, aumentano la velocità e la forza centrifuga, le correnti di circolazione diventano distinte. La velocità delle correnti trasversali è solitamente piccola, decine di volte inferiore alla componente longitudinale della velocità. La natura descritta delle correnti di circolazione viene osservata prima che l'acqua raggiunga la pianura alluvionale. Dal momento in cui l'acqua entra nella pianura alluvionale, nel fiume si creano due corsi d'acqua: uno superiore, verso valle, e uno inferiore, nel canale principale. L’interazione di questi flussi è complessa e ancora poco compresa.

La letteratura moderna sulla dinamica dei flussi dei canali (K.V. Grishanin, 1969) fornisce, apparentemente, una spiegazione più rigorosa per l'emergere di circolazioni trasversali in un flusso fluviale. L'origine di tali circolazioni è legata al meccanismo di trasmissione dell'accelerazione di Coriolis ai volumi elementari d'acqua nel flusso attraverso un gradiente di pressione causato dalla pendenza trasversale (e costante verticalmente) e dalla differenza delle tensioni tangenziali provocate sui bordi dei volumi elementari dell’acqua dalle differenze nelle velocità del flusso verticale.

Un ruolo simile all'accelerazione di Coriolis è svolto dall'accelerazione centripeta durante la svolta del canale.

Oltre alla circolazione trasversale, nel flusso si osservano movimenti di vortice con un asse di rotazione verticale (Fig. 72).

Riso. 72. Diagramma dei vortici con assi verticali (secondo K.V. Grishanin).

Alcuni di essi sono mobili e instabili, altri sono stazionari e hanno grandi dimensioni trasversali. Più spesso sorgono alla confluenza dei flussi, dietro ripide sporgenze costiere, quando si aggirano alcuni ostacoli sottomarini, ecc. Le condizioni per la formazione di vortici stazionari non sono ancora state studiate. Grishanin suggerisce che la formazione di un vortice localizzato stabile è facilitata dalla significativa profondità del flusso e dall'esistenza di un flusso d'acqua verso l'alto. Questi vortici nel flusso, conosciuti come vortici, si assomigliano vortici d'aria- tornado.

Le circolazioni trasversali e i movimenti vorticosi svolgono un ruolo importante nel trasporto dei sedimenti e nella formazione dei canali fluviali.

Resistenza idraulica.

Quando il fluido scorre attraverso i tubi, deve consumare energia per superare le forze di attrito esterno ed interno. Nei tratti rettilinei dei tubi, queste forze di resistenza agiscono lungo tutta la lunghezza del flusso e la perdita di energia totale per superarle è direttamente proporzionale alla lunghezza del tubo. Tali resistenze sono chiamate lineari. La loro entità (perdita di carico) dipende dalla densità e dalla viscosità del liquido, nonché dal diametro del tubo (minore è il diametro, maggiore è la resistenza), dalla velocità del flusso (l'aumento della velocità aumenta le perdite) e dalla pulizia del fluido. superficie interna del tubo (maggiore è la rugosità delle pareti, maggiore è la resistenza).

Oltre all'attrito nei tratti rettilinei, nelle tubazioni si incontra ulteriore resistenza sotto forma di curve del flusso, cambiamenti di sezione trasversale, rubinetti, diramazioni, ecc. In questi casi, la struttura del flusso viene interrotta e la sua energia viene spesa ristrutturazione, turbolenza e impatti. Tali resistenze sono chiamate locali. Le resistenze lineari e locali sono due tipi di cosiddette resistenze idrauliche, la cui determinazione costituisce la base per il calcolo di qualsiasi sistema idraulico.

Regimi di flusso dei fluidi In pratica si osservano due regimi di flusso dei fluidi caratteristici: laminare e turbolento.

In modalità laminare, i flussi elementari di flusso scorrono in parallelo senza mescolarsi. Se in un tale flusso viene introdotto un flusso di liquido colorato, esso continuerà il suo flusso sotto forma di un filo sottile nel flusso di liquido non colorato, senza essere dilavato. Questo regime di flusso è possibile a portate molto basse. Con un aumento della velocità oltre un certo limite, il flusso diventa turbolento, simile a un vortice, in cui il liquido all'interno della sezione trasversale della tubazione viene miscelato intensamente. Con un graduale aumento della velocità, il flusso colorato nel flusso inizia prima a oscillare attorno al proprio asse, quindi compaiono delle rotture dovute alla miscelazione con altri flussi e quindi, di conseguenza, l'intero flusso riceve un colore uniforme.

La presenza dell'uno o dell'altro regime di flusso dipende dal valore del rapporto tra l'energia cinetica del flusso 1 1

(***п-гпi2=ч-рУу2) al lavoro delle forze di attrito interno (/7 = р„5^/) - cfr. (2.9).

Questo è un rapporto adimensionale

^-pVv21 (p,5^/) può essere semplificato tenendo presente che V è proporzionale a V. Anche le quantità 1 e A/r hanno la stessa dimensione, e possono essere ridotte, e il rapporto tra il volume V e la sezione trasversale 5 è di dimensione lineare y.

Quindi il rapporto tra l'energia cinetica e il lavoro delle forze di attrito interno, fino a fattori costanti, può essere caratterizzato da un complesso adimensionale:

che prende il nome di numero (o criterio) di Reynolds in onore del fisico inglese Osborne Reynolds, che alla fine del secolo scorso osservò sperimentalmente la presenza di due regimi di flusso.

Piccoli valori dei numeri di Reynolds indicano la predominanza del lavoro delle forze di attrito interno nel flusso del fluido e corrispondono al flusso laminare. Grandi valori Corrispondete alla predominanza dell'energia cinetica e ad un regime di flusso turbolento. Il limite per l'inizio della transizione da una modalità all'altra - il numero critico di Reynolds - è 1?cr = 2300 per i tubi tondi (il diametro del tubo è preso come dimensione caratteristica).

Nella tecnologia, inclusa quella delle locomotive diesel, nei sistemi idraulici (compresi aria e gas), di solito si verifica un flusso turbolento di liquidi. Il flusso laminare si verifica solo in liquidi viscosi (ad esempio olio) a basse portate e in canali sottili (tubi piatti del radiatore).

Calcolo della resistenza idraulica. Le perdite di carico lineari vengono determinate utilizzando la formula di Darcy-Weisbach:

dove X (“lambda”) è il coefficiente di resistenza lineare, dipendente dal numero di Reynolds. Per un flusso laminare in un tubo tondo, R, = 64/E (dipende dalla velocità), per flussi turbolenti il ​​valore di k dipende poco dalla velocità ed è determinato principalmente dalla rugosità delle pareti del tubo.

Anche le perdite di carico locali sono considerate proporzionali al quadrato della velocità e sono definite come segue:

dove £ (“zeta”) è il coefficiente di resistenza locale, dipendente dal tipo di resistenza (rotazione, dilatazione, ecc.) e dalle sue caratteristiche geometriche.

I coefficienti di resistenza locale sono stabiliti sperimentalmente; i loro valori sono riportati nei libri di consultazione.

Il concetto di calcolo dei sistemi idraulici. Quando si calcola un sistema idraulico, viene solitamente risolto uno dei due problemi: determinare la differenza di pressione (pressione) richiesta per far passare una determinata portata del fluido o determinare la portata del fluido nel sistema a una determinata differenza di pressione.

In ogni caso è necessario determinare la perdita di carico totale nel sistema AN, che è pari alla somma delle resistenze di tutte le sezioni del sistema, cioè la somma delle resistenze lineari di tutti i tratti rettilinei delle tubazioni e delle resistenze locali di altri elementi del sistema:

Se la velocità media del flusso è la stessa in tutte le sezioni della tubazione, l'equazione (2.33) è semplificata:

Tipicamente, ci sono sezioni del sistema in cui le velocità del flusso differiscono l'una dall'altra. In questo caso è conveniente ridurre l'equazione (2.33) ad un'altra forma, tenendo conto che la portata del fluido è costante per tutti gli elementi del sistema (senza diramazioni). Sostituendo i valori u = C)/5 nella condizione (2.33), otteniamo

caratteristica idraulica, o coefficiente di resistenza globale del sistema.

Va tenuto presente che il calcolo della pipeline non è una soluzione a un problema con una risposta definitiva. I suoi risultati dipendono dalla scelta dei diametri delle sezioni della tubazione o delle velocità al loro interno. È infatti possibile tenere conto di bassi valori di velocità e ottenere piccole perdite di carico. Ma poi, ad una data portata, le sezioni trasversali (diametri) della tubazione devono essere grandi e il sistema sarà ingombrante e pesante. Avendo accettato alte velocità flusso nei tubi, ne ridurremo le dimensioni trasversali, ma allo stesso tempo aumenteranno notevolmente le perdite di carico e i costi energetici per il funzionamento dell'impianto (proporzionalmente al quadrato della velocità). Pertanto, nei calcoli, vengono solitamente specificati alcuni valori medi "ottimali" delle portate dei fluidi. Per i sistemi idrici la velocità ottimale è di circa 1 m/s, per i sistemi ad aria a bassa pressione - 8-12 m/s.

Il colpo d'ariete è un fenomeno che si verifica nel flusso di un fluido quando la velocità del suo flusso cambia rapidamente (ad esempio, quando una valvola in una tubazione si chiude improvvisamente o una pompa si ferma). In questo caso energia cinetica Il flusso si trasforma istantaneamente in energia potenziale e la pressione del flusso davanti alla valvola aumenta notevolmente. Regione ipertensione poi si diffonde dalla valvola verso il flusso non ancora completamente inibito con una velocità prossima alla velocità del suono a in questo mezzo.

Un forte aumento della pressione porta, se non alla distruzione, alla deformazione elastica degli elementi della tubazione, che riduce la forza d'impatto, ma aumenta le fluttuazioni della pressione del fluido nel tubo. L'entità del salto di pressione durante l'arresto completo del flusso del fluido, che aveva una velocità v, è determinata dalla formula dell'eccezionale scienziato russo, il professor N. E. Zhukovsky, da lui ottenuta nel 1898: Dr = paa, dove p è il densità del liquido.

Al fine di prevenire fenomeni d'urto nei grandi impianti idraulici (ad esempio reti idriche), i dispositivi di intercettazione sono progettati in modo che la loro chiusura avvenga gradualmente.