Kā mainās straumes ātrums upē. Šķidruma kustība pa caurulēm

Iepriekšējos punktos tika apspriesti šķidrumu un gāzu līdzsvara likumi. Tagad apskatīsim dažas ar to kustību saistītas parādības.

Šķidruma kustību sauc ar strāvu, un kustīga šķidruma daļiņu kolekcija ir plūsma. Aprakstot šķidruma kustību, tiek noteikti šķidruma daļiņu caurlaides ātrumi. šis punkts telpa.

Ja katrā telpas punktā, kas piepildīts ar kustīgu šķidrumu, ātrums ar laiku nemainās, tad šādu kustību sauc par vienmērīgu vai stacionārs. Stacionārā plūsmā jebkura šķidruma daļiņa šķērso noteiktu telpas punktu ar tādu pašu ātruma vērtību. Mēs apsvērsim tikai ideāla nesaspiežama šķidruma vienmērīgu plūsmu. Ideāli sauc par šķidrumu, kurā nav berzes spēku.

Kā zināms, stacionārs šķidrums traukā saskaņā ar Paskāla likumu bez izmaiņām nodod ārējo spiedienu uz visiem šķidruma punktiem. Bet, kad šķidrums plūst bez berzes caur mainīga šķērsgriezuma cauruli, spiediens dažādās caurules vietās nav vienāds. Spiediena sadalījumu caurulē, caur kuru plūst šķidrums, var novērtēt, izmantojot instalāciju, kas shematiski parādīta 1. attēlā. Vertikālas atvērtas manometra caurules ir pielodētas gar cauruli. Ja šķidrums caurulē ir zem spiediena, tad manometriskajā caurulē šķidrums paceļas līdz noteiktam augstumam, atkarībā no spiediena noteiktā caurules vietā. Pieredze rāda, ka šaurās caurules vietās šķidruma kolonnas augstums ir mazāks nekā plašās vietās. Tas nozīmē, ka šajās šaurajās vietās ir mazāks spiediens. Kas to izskaidro?

Pieņemsim, ka nesaspiežams šķidrums plūst pa horizontālu cauruli ar mainīgu šķērsgriezumu (1. att.). Ļaujiet mums garīgi atlasīt vairākas caurules sadaļas, kuru apgabalus apzīmēsim ar un . Vienmērīgā plūsmā caur jebkuru caurules šķērsgriezumu vienādos laika periodos tiek pārnesti vienādi šķidruma tilpumi.

Ļaut būt šķidruma ātrumam cauri sadaļai, un ļaut būt šķidruma ātrumam cauri sadaļai. Laika gaitā caur šīm sekcijām plūstošais šķidrumu daudzums būs vienāds ar:

Tā kā šķidrums ir nesaspiežams, tad . Tāpēc nesaspiežamam šķidrumam. Šo attiecību sauc par nepārtrauktības vienādojumu.

No šī vienādojuma, t.i. šķidruma ātrumi jebkurās divās sekcijās ir apgriezti proporcionāli šķērsgriezuma laukumiem. Tas nozīmē, ka šķidruma daļiņas paātrina, pārvietojoties no caurules platās daļas uz šauro daļu. Līdz ar to noteikts spēks iedarbojas uz šķidrumu, kas ieplūst caurules šaurākajā daļā no šķidruma, kas joprojām atrodas caurules platajā daļā. Šāds spēks var rasties tikai spiediena starpības dēļ dažādās šķidruma daļās. Tā kā spēks ir vērsts uz šauro caurules daļu, spiedienam caurules platajā daļā jābūt lielākam nekā šaurajā daļā. Ņemot vērā nepārtrauktības vienādojumu, varam secināt: pie stacionāra šķidruma plūsmas spiediens ir mazāks tajās vietās, kur plūsmas ātrums ir lielāks, un, otrādi, tas ir lielāks vietās, kur plūsmas ātrums ir mazāks.

D. Bernulli bija pirmais, kas nonāca pie šāda secinājuma, tāpēc šis likums tiek saukts Bernulli likums.

Enerģijas nezūdamības likuma piemērošana kustīga šķidruma plūsmai ļauj iegūt vienādojumu, kas izsaka Bernulli likumu (mēs to sniedzam bez atvasināšanas)

- Bernulli vienādojums horizontālai caurulei.

Šeit ir redzami statiskie spiedieni un šķidruma blīvums. Statiskais spiediens ir vienāds ar vienas šķidruma daļas spiediena spēka attiecību pret saskares laukumu, ja to relatīvās kustības ātrums ir nulle. Šo spiedienu mēra ar manometru, kas kustas līdzi plūsmai. Stacionāra monometriska caurule ar atveri, kas vērsta pret plūsmu, mērīs spiedienu

Vidējais dziļuma ātrums ir hodogrāfa laukuma attiecība pret maksimālo upes dziļumu. Hodogrāfa laukumu var aprēķināt vai nu no paletes, vai arī aprēķinot upes dzīvā šķērsgriezuma laukumu (skat. 2. uzdevumu).

2. uzdevums

Nosakiet upes atvērto šķērsgriezuma laukumu, izmantojot 8. tabulas datus:

8. tabula

Upes šķērsgriezuma dziļums

I variants		II variants
	Upes dziļums, m	Attālums no mērķa pastāvīgā starta, m	Upes dziļums, m

Upes dzīvo šķērsgriezuma laukumu aprēķina kā vairāku elementāru ģeometrisku figūru summu (9. att.).

Skaitļi A 1 A 2 B 1 un A 5 B 4 A 6 ir trīsstūri, katra laukums ir vienāds ar pusi no pamatnes un augstuma reizinājuma. Atlikušās figūras ir trapeces. Katras trapeces laukums ir vienāds ar pusi no pamatu un augstuma summas.

Rīsi. 9.Upes šķērsgriezums

Punktus A 1, A 2, A 3 utt., kuros tika veikti dziļuma mērījumi, sauc par mērīšanas punktiem. Sākumpunktu, no kura tiek veikti mērījumi A 1, sauc par pastāvīgo izlīdzināšanas sākumu.

3. uzdevums

Aprēķināt ūdens plūsmu upē, ja zināms, ka atklātais šķērsgriezuma laukums ir 42,2 m2, maksimālais ūdens ātrums upē ir 0,5 m/s un upes vidējais dziļums ir 4,5 m.

Vidējā upes ātruma aprēķins, pamatojoties uz maksimālo virsmas ātrumu, tiek veikts, izmantojot formulu:

,

kur, V av - vidējais ātrums; V max - maksimālais ātrums, K - maksimālā ātruma pārejas koeficients uz vidējo. Koeficients K ir parādīts tabulā. 9.

9. tabula

Pārejas koeficienta vērtības no maksimālā ātruma uz vidējo

4. uzdevums

Nosakiet, izmantojot Chezy formulu (
, Kur ARātruma koeficients, R- hidrauliskais rādiuss, i– upes vidējais slīpums), upes vidējais ātrums, ja ir zināms, ka konkrētajā posmā kanāla dibenu veido smilšains materiāls, ir salas un sēkļi. Upes vidējais slīpums ir 0,000056, hidrauliskais rādiuss ir 1,8 m.

Ātruma koeficients C Chezy formulā tiek noteikts pēc Bazina formulas
.

Nelīdzenuma koeficientu y nosaka saskaņā ar 10. tabulu.

Kad šķidrums pārvietojas apaļā caurulē, ātrums ir nulle pie caurules sienām un maksimālais pie caurules ass. Pieņemot, ka plūsma ir lamināra, mēs atrodam likumu par ātruma izmaiņām atkarībā no attāluma no caurules ass.

Izvēlēsimies iedomātu cilindrisku šķidruma tilpumu ar rādiusu un garumu l (77.1. att.). Stacionārā plūsmā nemainīga šķērsgriezuma caurulē visu šķidruma daļiņu ātrumi paliek nemainīgi. Līdz ar to jebkuram šķidruma tilpumam pielikto ārējo spēku summa ir vienāda ar nulli. Uz aplūkojamā cilindriskā tilpuma pamatiem iedarbojas spiediena spēki, kuru summa ir vienāda ar Šis spēks darbojas šķidruma kustības virzienā. Turklāt uz sānu virsma cilindrs ir pakļauts berzes spēkam, kas vienāds ar (Tas attiecas uz vērtību attālumā no caurules ass). Stacionaritātes nosacījumam ir forma

Ātrums samazinās līdz ar attālumu no caurules ass. Tāpēc tas ir negatīvs, un, ņemot vērā to, mēs pārveidojam attiecību (77.1) šādi:

Sadalot mainīgos, iegūstam vienādojumu:

Integrācija to dod

Integrācijas konstante jāizvēlas tā, lai ātrums uz caurules sienām kļūtu nulle, t.i. - caurules rādiuss).

No šī stāvokļa

Aizstājot C vērtību ar (77.2), tiek iegūta formula

Ātruma vērtība uz caurules ass ir vienāda ar

Ņemot to vērā, formulai (77.3) var piešķirt formu

Tādējādi ar lamināro plūsmu ātrums mainās atkarībā no attāluma no caurules ass saskaņā ar parabolisko likumu (77.2. att.).

Turbulentā plūsmā ātrums katrā punktā mainās nejauši. Pastāvīgi ārējiem apstākļiem Vidējais (laika gaitā) ātrums katrā caurules posma punktā izrādās nemainīgs. Vidējā ātruma profils turbulentai plūsmai ir parādīts attēlā. 77.3. Caurules sienu tuvumā ātrums mainās daudz spēcīgāk nekā ar lamināro plūsmu, bet pārējā posmā ātrums mainās mazāk.

Pieņemot, ka plūsma ir lamināra, mēs aprēķinām šķidruma plūsmu Q, t.i., šķidruma tilpumu, kas plūst cauri caurules šķērsgriezumam laika vienībā. Caurules šķērsgriezumu sadalīsim platuma gredzenos (77.4. att.). Šķidruma tilpums sekundē izies cauri rādiusa gredzenam, kas vienāds ar gredzena laukuma un plūsmas ātruma reizinājumu punktos, kas atrodas attālumā no caurules ass.

Ņemot vērā formulu (77.5), iegūstam:

Lai iegūtu plūsmu Q, jums ir jāintegrē izteiksme (77.6) diapazonā no nulles līdz R: i 9

Caurules šķērsgriezuma laukums). No formulas (77.7) izriet, ka laminārajā plūsmā ātruma vidējā (virs šķērsgriezuma) vērtība ir vienāda ar pusi no ātruma pie vērtības. caurules ass.

Aizstājot ar (77.7) vērtību (77.4) for

Mēs iegūstam plūsmas formulu

Šo formulu sauc par Puaza formulu. Saskaņā ar (77.8) šķidruma plūsma ir proporcionāla spiediena kritumam uz caurules garuma vienību, proporcionāla caurules rādiusa ceturtajai jaudai un apgriezti proporcionāla šķidruma viskozitātes koeficientam. Atcerieties, ka Puaza formula ir piemērojama tikai laminārajai plūsmai.

Šķidrumu viskozitātes noteikšanai izmanto attiecību (77.8). Izlaižot šķidrumu caur zināma rādiusa kapilāru un izmērot spiediena kritumu un plūsmu Q, var atrast

Vidējais plūsmas ātrums mainās visā upes garumā kanāla šķērsgriezuma izmēru mainīguma dēļ. Konkrētā šķērsgriezumā vidējo ātrumu nosaka, aprēķinot vidējos vietējos ātrumus, kas mērīti atsevišķos plūsmas punktos gar upes dziļumu un platumu. Savukārt lokālie ātrumi dažādos plūsmas punktos būtiski atšķiras viens no otra. Tie parasti ir lielāki virspusē nekā apakšā, un krastos, gluži pretēji, tie ir mazāki nekā upes vidusdaļā.

Šo sadalījumu spēcīgi ietekmē kanāla šķērsgriezuma forma un ūdens kustības apstākļi apgabalā.

Veģetācijas vai citu papildu nelīdzenumu klātbūtne upes dibenā izraisa grunts ūdens plūsmas ātruma samazināšanos. Ledus segas veidošanās uz brīvās virsmas ziemā rada papildu pretestību ūdens kustībai. Tā rezultātā virsmas strāvas ātrumi samazinās, un maksimālie ātrumi virzās plūsmas biezumā. Tas noved pie tā, ka arī vidējie ātrumi upes šķērsgriezumā ziemā samazinās, salīdzinot ar vasarā laiks, ja citas lietas ir vienādas.

Lai analizētu lokālo plūsmas ātrumu sadalījumu pa dzīvo šķērsgriezumu, praksē tie tiek mērīti atsevišķos punktos gar plūsmas dziļumu veselā virknē. ātrgaitas vertikāles, kas iezīmēts visā upes platumā. Attēlā 4.4. attēlā parādīts upes gultnes šķērsgriezuma profils ar izmērītajiem plūsmas ātrumiem vertikālēs. IN šajā piemērā strāvas ātrumi tika mērīti 5 punktus gar plūsmas dziļumu. Upes profils parāda izotahi - vienādu ātrumu līnijas kanāla šķērsgriezumā.

Konstrukcijas augšējā daļa parāda diagramma vidējo plūsmas ātrumu sadalījums pa vertikālēm gar upes platumu, un punktētā līnija ir vidējā straumes ātruma vērtība atklātā posmā.

Pamatojoties uz ūdens plūsmas ātrumu mērījumiem atsevišķos punktos visā plūsmas dziļumā, to var konstruēt diagramma to vertikālais sadalījums. Šādas konstrukcijas piemērs ir parādīts attēlā. 4.5. Vertikālā ass šajā grafikā parāda attālumus no brīvās ūdens virsmas līdz ātruma mērīšanas punktiem skalā, un horizontālā ass parāda šo ātrumu vērtības. Vidējais vertikālais ātrums parasti ir attālumā 0,4h, skaitot no upes dibena.

Katrā konkrētajā gadījumā plūsmas ātrumu sadalījums vertikāli un kanāla platumā ir atkarīgs no ūdens kustības apstākļiem apgabalā. Parasti maksimālie virsmas plūsmas ātrumi un augstākie vidējie plūsmas ātrumi uz vertikālēm tiek novēroti kanāla dzīvās daļas maksimālā dziļuma zonā. Uz riffles vidējo straumes ātrumu diagramma ir saskaņota ar upes platumu, salīdzinot ar ieleju sasniedzamību. Vislielākais ātrumu sadalījuma nevienmērīgums upes platumā ir vērojams apgabalos, kur kanāls griežas. Šajā gadījumā maksimālie plūsmas ātrumi ir koncentrēti upes ieliektajā - nospiestajā krastā. Attēlā 4.6. attēlā parādītas diagrammas par vidējo vertikālo ātrumu sadalījumu upes riffel posmā.

Rīsi. 4.6. Vidējo strāvas ātrumu sadalījums

riffle upes posmā

Plūsmas ātrumu sadalījuma visā upes platumā analīze liecina, ka plūsmas kodolā, kanāla dziļākajā daļā, faktiskie ūdens plūsmas ātrumi vienmēr ir lielāki par vidējo dzīvā šķērsgriezuma.

Tāpēc, veicot tehniskos un ekonomiskos aprēķinus, tiek ieviests jēdziens darba strāvas ātrums, kuras vērtību var atrast no šādas attiecības:

, (4.8)

Kur: Vav - vidējais plūsmas ātrums pa dzīvo šķērsgriezumu apskatāmajā upes posmā, m/s;

D.V.– starpība starp plūsmas ātrumu uz navigācijas kanāla ass un vidējo ātrumu atklātā posmā noteiktā upes posmā, m/s.

Vidējo strāvas ātrumu var noteikt, izmantojot Chezy formulu vai pamatojoties uz lauka mērījumiem. Strāvas ātrumu upē mēra ar speciāliem instrumentiem - hidrometriskie skaitītāji(4.7. att.) vai palaižot pludiņus. Nosakiet daudzuma vērtību D.V. tiešie mērījumi gar upes posmu ir ļoti sarežģīti.

Rīsi. 4.7. Hidrometriskais pagrieziena galds:

1 – asmeņi; 2 – korpuss; 3 – astes daļa;

4 – stienis; 5 – elektriskās spailes

Praksē darbības ātrums atsevišķam upes posmam tiek noteikts, mērot kuģa ātrumu attiecībā pret krastu, sekojot straumei. Vin un pret paisumu Vвв pēc formulas

. (4.9)

Aptuveniem aprēķiniem tas bieži tiek ņemts

Zinot straumes darbības ātrumu, varat atrast kuģa ātrumu attiecībā pret krastu:

pārvietojoties lejup pa straumi

, (4.11)

pārvietojoties pret straumi

, (4.12)

Kur: Vс – kuģa ātrums mierīgā ūdenī (ja nav straumes), m/s.

Iegūtās kuģu ātruma vērtības tiek izmantotas praksē, plānojot kravu piegādes laikus un sastādot nosūtīšanas grafikus.

REDZĒT VAIRĀK:

Būvējot daudzas inženierbūves uz upēm, ir jāzina ūdens daudzums, kas plūst konkrētajā vietā sekundē, jeb, kā saka, ūdens plūsma. Tas nepieciešams, lai noteiktu tiltu, dambju garumu, kā arī apūdeņošanai un ūdens apgādei.

Ūdens plūsmu parasti mēra kubikmetros sekundē. Ūdens plūsma liela ūdens laikā ļoti atšķiras no plūsmas zemūdens laikā, tas ir, zemā vasaras līmenī. 7. tabulā kā piemērs ir parādīti dažu upju caurplūdumi.

Ja mēs garīgi pārgriezīsim upi pāri plūsmai, mēs iegūsim tā saukto upes “dzīvo šķērsgriezumu”. Plūsmas ātruma sadalījums pa upes dzīvo šķērsgriezumu ir ļoti nevienmērīgs. Plūsmas ātrumu ietekmē kanāla dziļums, forma un šķēršļi, ar kuriem upe sastopas savā ceļā, piemēram, tilta balsts, sala utt.

Parasti pie krastiem ātrums ir mazāks, bet pa vidu, upes dziļākajā daļā, ātrums ir krietni lielāks nekā seklajā. Plūsmas augšējā daļā ātrumi ir lielāki, un jo tuvāk apakšai, jo mazāks. Līdzenā upes posmā lielākais ātrums parasti ir nedaudz zem ūdens virsmas, bet reizēm lielākais ātrums novērojams virspusē.

Ja straume sastopas ar šķērsli, piemēram, tilta balstu vai salu, tad lielākais ātrums var virzīties tuvāk upes dibenam. Vecā loka ezeros augsta ūdens laikā ātrumi dibena tuvumā samazinās līdz nullei.

14. attēlā parādīts straumes ātrumu sadalījums pa Volgas dzīvu šķērsgriezumu pie Saratovas liela ūdens laikā. Ātrums uz virsmas kreisajā rokā ir 1,3 sekundē, bet labajā rokā - 1,7 sekundē. Pāri salai, kuru lielā ūdens laikā klāj ūdens, ātrums samazinās līdz 0,5 sekundē. Upes dibenā ātrumi samazinās līdz 0,4. Vasarā lielākais ātrums šajā posmā galvenajā kanālā bija ne vairāk kā 0,4 sekundē.

Gar upi ātrumi var arī ļoti atšķirties atkarībā no dzīvā posma kontūrām. Piemēram, četrpadsmit kilometrus lejpus Saratovas, pie Uvekas, kur kanālā nav salu un to ierobežo aizsprosti, liela ūdens laikā virszemes ātrums sasniedza 3 sekundē, savukārt Saratovā ātrums bija līdz 1,8 sekundē.

Upes dziļajās vietās, ko sauc par sasniedzamiem, dzīvais šķērsgriezums ir lielāks. Seklās vietās vai riffles dzīvais šķērsgriezums ir daudz mazāks. Tā kā īsā posmā upes garumā ūdens plūsmas ir vienādas, un šķērsgriezumi uz straumi ir lielāki nekā plaisā, tad plūsmas ātrumi būs atšķirīgi: dziļā vietā ūdens plūst klusi, bet uz plaisas tas plūst daudz ātrāk.

Strāvas ātrums ir atkarīgs arī no plūsmas slīpuma, grunts raupjuma un dziļuma. Jo lielāks slīpums, jo gludāka gultne un regulārākas tās kontūras, jo lielāks plūsmas ātrums. Aptuvenās ātruma vērtības upēs ir parādītas 8. tabulā.

Tabulā parādīts "vidējais ātrums". Šo ātrumu nosaka, dalot ūdens plūsmu ar upes šķērsgriezuma laukumu. Lielākais virsmas ātrums parasti ir pusotru reizi lielāks, bet apakšējais ātrums ir pusotru reizi mazāks par vidējo ātrumu.

Hidrometrijas zinātne nodarbojas ar upju ūdens ātruma un plūsmas mērīšanu.

Ūdens plūsmas ātrumu var izmērīt ļoti vienkāršā veidā.

Lai to izdarītu, vismaz soļos jāmēra noteikts attālums gar krastu, jāuzliek atzīmes un jāiemet ūdenī pludiņš vai vienkārši koka gabals nedaudz virs augšējās atzīmes. Laiks, kas nepieciešams, lai pludiņš pārvietotos no vienas atzīmes uz otru, tiek mērīts ar pulksteni ar sekunžu rādītāju. Dalot attālumu starp atzīmēm ar laiku, kad pludiņš peldēja no vienas atzīmes uz nākamo, mēs iegūstam plūsmas virsmas ātrumu šajā vietā.

Aptauju laikā pludiņu caurbraukšana tiek noteikta ar īpašu goniometra instrumentu.

Visprecīzāk ātrumu var izmērīt ar hidrometriskiem skaitītājiem (15. att.). Šie grozāmie galdi uz metāla stieņa (dziļumā līdz 4) vai uz troses (jebkurā dziļumā) tiek nolaisti no speciāli aprīkotiem traukiem ūdenī dažādos dziļumos. Tiklīdz atskaņotājs veic noteiktu apgriezienu skaitu, tajā esošie elektrības vadi aizveras, strāva plūst caur atskaņotāju, un augšpusē tiek ražots īss zvans. Laika intervāls starp atsevišķiem zvaniem atbilst noteiktam plūsmas ātrumam. Nolaižot pagrieziena galdu zemāk un zemāk, jūs varat izmērīt ātrumu visā upes dziļumā noteiktā vertikālē.

Ūdens plūsmu upē aprēķina šādi. Katrā no 10–20 vertikālēm, kas atrodas pāri plūsmai vienādā attālumā viena no otras, tiek noteikts vidējais plūsmas ātrums, kas pēc tam tiek reizināts ar upes šķērsgriezuma laukumu starp vertikālēm. Šādā veidā iegūtās individuālās privātās izmaksas starp vertikālēm tiek summētas. Summa dod upes kopējo caurplūdumu, kas izteikts kubikmetros sekundē.

Nobeigumā sniegsim informāciju par upju burzmu.

Braušanu var veikt, atkarībā no ātruma, dažādos dziļumos. Parasti ar ātrumu 1,5 jūs varat brist 1, zirga mugurā - 1,2 dziļumā un ar automašīnu - 0,5 dziļumā. Ar 2 ātrumu var brist 0,6 dziļumā, šķērsot upi zirga mugurā 1 dziļumā un ar automašīnu 0,3 dziļumā, ja ūdens ir mierīgs, lielākais dziļums brišanai nosaka tikai cilvēka augums un mašīnas konstrukcija.

Ir vairāki veidi, kā izmērīt upes ātrumu. To var izdarīt, risinot matemātiskas problēmas, kad ir kādi dati, un to var izdarīt, pielietojot praktiskas darbības.

Upes plūsmas ātrums

Straumes ātrums ir tieši atkarīgs no upes gultnes slīpuma. Kanāla slīpums ir divu sekciju, punktu augstuma starpības attiecība pret posma garumu. Jo lielāks slīpums, jo lielāks ir upes plūsmas ātrums.

Jūs varat uzzināt, kāds ir upes straumes ātrums, braucot ar laivu augšup un pēc tam lejup pa straumi. Laivas ātrums ar straumi ir V1, laivas ātrums pret straumi ir V2. Lai aprēķinātu upes plūsmas ātrumu (V1 - V2): 2.

Lai izmērītu ūdens plūsmas ātrumu, tiek izmantota īpaša nobīdes ierīce, ritenis, kas sastāv no asmens, korpusa, astes daļas un rotora.

Ir vēl viens vienkāršākais veids kā atrast upes ātrumu.

Var mērīt 10 metrus augšup pa straumi, pa soļiem. Jūsu augums būs precīzāks. Pēc tam ar akmeni vai zaru izdari atzīmi krastā un iemet koka šķembu upē virs atzīmes. Pēc tam, kad šķemba sasniedz atzīmi krastā, jums jāsāk skaitīt sekundes. Pēc tam izmērīto 10 metru attālumu sadaliet ar sekunžu skaitu šajā attālumā. Piemēram, šķemba 10 metrus nobrauca 8,5 sekundēs. Upes plūsmas ātrums būs 1,18 metri sekundē.

Ūdens režīma elementi un to ievērošanas metodes

(pēc L.K. Davidova teiktā)

Vairāku iemeslu ietekmē, kas tiks aplūkoti turpmāk, upēs plūst ūdens, mainās līdzenās virsmas stāvoklis, tās slīpumi un plūsmas ātrumi. Ūdens plūsmas ātruma, līmeņu, slīpumu un plūsmas ātruma kumulatīvās izmaiņas laika gaitā sauc par ūdens režīmu, bet plūsmas ātruma, līmeņu, slīpumu un ātruma izmaiņas atsevišķi sauc par ūdens režīma elementiem.

Ūdens plūsma (Q) ir ūdens daudzums, kas laika vienībā plūst caur noteiktu upes dzīvo posmu. Plūsmas ātrumu izsaka m3/s. Ūdens līmenis (H) ir ūdens virsmas augstums (centimetros), mērot no kādas nemainīgas salīdzināšanas plaknes.

Līmeņu novērojumi un to apstrādes metodes

Līmeņa svārstību novērojumi tiek veikti ūdens mērīšanas stabos (73. att.) un sastāv no ūdens virsmas augstuma mērīšanas virs noteiktas nemainīgas plaknes, kas tiek ņemta par sākotnējo jeb nulli. Par šādu plakni parasti uzskata plakni, kas iet caur atzīmi, kas ir nedaudz zem zemākā ūdens līmeņa. Šīs plaknes absolūto vai relatīvo pacēlumu sauc par grafika nulli, kuru pārsniedzot ir doti visi līmeņi.

Rīsi. 73. Pāļu ūdens mērīšanas stacija (a) un ūdens līmeņa nolasīšana, izmantojot pārvietojamo sliedi (b).

Mērījumus veic, izmantojot ūdens mērīšanas stieni ar precizitāti līdz 1 cm Ir divu veidu stieņi - pastāvīgie un pārnēsājamie. Pastāvīgās līstes ir piestiprinātas pie tilta balstiem vai pie krasta upes gultnes dibenā iedzītā kaudzes. Ar plakanām krastiem un lielām līmeņa svārstību amplitūdām novērojumi tiek veikti, izmantojot pārnēsājamu personālu. Lai to izdarītu, upes gultnē un palienē tiek iedzīti vairāki pāļi, kas atrodas līdzenumā.

Pāļu galvu atzīmes savieno nolīdzināšana ar krastā uzstādītu ūdens mērīšanas stacijas etalonu, kura absolūtā vai relatīvā atzīme ir zināma. Ūdens līmeni mēra, izmantojot pārnēsājamu stieni, kas uzstādīts uz kaudzes galvas. Zinot katras kaudzes galvas augstumu, visus izmērītos līmeņus var izteikt pārmērībās virs nulles virsmas jeb grafika nulles. Novērojumi ūdens mērīšanas stabos parasti tiek veikti 2 reizes dienā - pulksten 8 un 20. Periodos, kad līmeņi strauji mainās, papildu novērojumi tiek veikti 1, 2, 3 vai 6 stundās visas dienas garumā. Nepārtrauktai līmeņu reģistrēšanai visas dienas garumā tiek izmantoti līmeņu reģistratori, kuru aprakstu var atrast hidrometrijas mācību grāmatā (V.D. Bykovs un A.V. Vasiļjevs). Turpat var iepazīties arī ar automātiskā režīma reģistrēšanas (ūdens līmeņa un temperatūras) hidroloģisko posteni. Pāreja uz automatizēta sistēma novērojumi paātrina hidroloģiskās informācijas iegūšanu un paaugstina tās izmantošanas efektivitāti.

Pamatojoties uz visiem mērījumiem, tiek aprēķināti katras dienas vidējie līmeņi un sastādītas gada dienas vidējo līmeņu tabulas. Turklāt šajās tabulās ir norādīti katra mēneša un gada vidējie līmeņi un atlasīti augstākie un zemākie līmeņi katram mēnesim un gadam.

Vidējo, augstāko un zemāko līmeni sauc par raksturīgajiem līmeņiem. Līmeņu novērojumu dati PSRS publicēti speciālos izdevumos — hidroloģijas gadagrāmatās. Pirmsrevolūcijas periodā šie dati tika publicēti "Informācijā par ūdens līmeni Krievijas iekšējos ūdensceļos, pamatojoties uz novērojumiem ūdens mērīšanas punktos".

Pamatojoties uz ikdienas līmeņu novērojumiem, tiek izveidoti to svārstību grafiki, kas sniedz skaidru priekšstatu par līmeņa režīmu dots gads.

Upju plūsmas ātrumu mērīšanas metodes

Upju plūsmas ātrumu parasti mēra, izmantojot pludiņus vai mērierīces. Dažos gadījumos vidējais ātrums visai dzīvojamai daļai tiek aprēķināts, izmantojot Chezy formulu. Vienkāršākie un visbiežāk izmantotie pludiņi ir izgatavoti no koka. Pludiņi tiek mesti ūdenī mazās upēs no krasta, lielās upēs - no laivas. Izmantojot hronometru, tiek noteikts laiks t pludiņa pārejai starp diviem blakus esošiem mērķiem, kuru attālums l ir zināms. Strāvas virsmas ātrums ir vienāds ar pludiņa ātrumu

Precīzāk, strāvas ātrumu mēra, izmantojot hidrometrisku mērinstrumentu. Tas ļauj noteikt vidējo plūsmas ātrumu jebkurā plūsmas punktā. Ir dažāda veida atskaņotāji. PSRS pašlaik ir ieteicams izmantot modernizētos Žestovska un Burtsev hidrometriskos atskaņotājus GR-21M, GR-55, GR-11.

Mērot ātrumus, uz stieņa vai troses esošais grozāmais galds tiek nolaists ūdenī dažādos dziļumos, lai tā asmeņi būtu vērsti pret strāvu. Asmeņi sāk griezties, un jo ātrāk palielinās plūsmas ātrums. Pēc noteikta pagrieziena galda ass apgriezienu skaita (parasti 20), izmantojot īpašu ierīci, gaismas vai skaņas signāls. Apgriezienu skaitu sekundē nosaka laika intervāls starp diviem signāliem.

Pagrieziena galdiņi tiek kalibrēti speciālās laboratorijās vai rūpnīcās, kur tie tiek ražoti, t.i., tiek noteikta sakarība starp grozāmā diska lāpstiņas apgriezienu skaitu sekundē (n apgr./s) un plūsmas ātrumu (v m/s). No šīs atkarības, zinot n, varam noteikt v. Mērījumus ar stūres ratu veic vairākās vertikālēs, vairākos punktos katrā no tām.

Ūdens plūsmas noteikšanas metodes

Ūdens plūsmu noteiktā atvērtā posmā var noteikt pēc formulas

kur v ir vidējais ātrums visā dzīves posmā; w ir šīs sadaļas laukums. Pēdējais noteikts upes gultnes dziļuma mērījumu rezultātā šķērsgriezumā.

Izmantojot iepriekš minēto formulu, plūsmas ātrumu aprēķina tikai tad, ja ātrumu nosaka, izmantojot Chezy formulu. Mērot ātrumus ar pludiņiem vai pagrieziena galdu atsevišķās vertikālēs, plūsmas ātrumu nosaka atšķirīgi. Lai mērījumu rezultātā būtu zināmi katras vertikāles vidējie ātrumi. Tad ūdens patēriņa aprēķināšanas shēma tiek samazināta līdz šādai. Ūdens plūsmu var attēlot kā ūdenstilpes tilpumu - plūsmas modeli (76. att. a), ko ierobežo dzīvā posma plakne, ūdens horizontālā virsma un izliektā virsma v = f (H, B) , kas parāda ātruma izmaiņas plūsmas dziļumā un platumā. Šo tilpumu un līdz ar to arī plūsmas ātrumu izsaka ar formulu

Tā kā izmaiņu likums v = f(H,B) ir matemātiski nezināms, plūsmas ātrumu aprēķina aptuveni.

Rīsi. 76 Ūdens patēriņa aprēķināšanas shēma. a — plūsmas modelis, b — daļēja plūsma.

Plūsmas modeli var sadalīt ar vertikālām plaknēm, kas ir perpendikulāras dzīvajam šķērsgriezuma laukumam, elementārajos apjomos (76. att. b). Kopējo plūsmas ātrumu aprēķina kā daļējo plūsmas ātrumu AQ summu, no kuriem katrs šķērso daļu no atvērtā posma laukuma wi, kas atrodas starp divām ātruma vertikālēm vai starp malu un tai tuvāko vertikāli.

Tādējādi kopējais plūsmas ātrums Q ir vienāds ar

kur K ir mainīgs parametrs, kas ir atkarīgs no piekrastes rakstura un svārstās no 0,7 līdz 0,9. Mirušās telpas klātbūtnē K = 0,5.

Vidējais ātrums visam dzīvojamam posmam pie zināma ūdens plūsmas ātruma Q tiek aprēķināts pēc formulas vcр =Q/w.

Piemēram, ūdens plūsmas mērīšanai tiek izmantotas arī citas metodes kalnu upes Tiek izmantota jonu plūdu metode.

Sīkāka informācija par ūdens plūsmas ātruma noteikšanu un aprēķināšanu ir sniegta hidrometrijas kursā. Pastāv noteikta sakarība starp ūdens plūsmas ātrumiem un līmeņiem, Q - f(H), ko hidroloģijā sauc par ūdens plūsmas līkni. Līdzīga empīriskā līkne ir parādīta attēlā. 77 a.

Tas tika balstīts uz izmērītajām ūdens plūsmām upē bezledus periodā. Punkti, kas atbilst ziemas ūdens plūsmām, atrodas pa kreisi no vasaras līknes, jo Qwinter sasalšanas laikā (vienā līmeņa augstumā) izmērītās plūsmas ir mazākas nekā vasaras QL. Plūsmas ātruma samazināšanās ir upes gultnes nelīdzenuma palielināšanās ledus veidojumu dēļ un atklātā šķērsgriezuma laukuma samazināšanās sekas. Attiecība starp Qwin un Ql, izteikta ar pārejas koeficientu

Tas nepaliek nemainīgs un laika gaitā mainās, mainoties ledus veidojumu intensitātei, ledus biezumam un tā apakšējās virsmas raupjumam. Kzim=f(T) izmaiņu gaita no sasalšanas sākuma līdz atvēršanai parādīta att. 77 b.

Plūsmas līkne ļauj noteikt upes ūdens diennakts caurplūdumu, pamatojoties uz zināmajiem ūdens mērīšanas stacijās novērotajiem līmeņiem. Ledus brīvajam periodam līknes Q = f(H) izmantošana nesagādā nekādas grūtības. Ikdienas izmaksas sasalšanas vai citu ledus veidojumu laikā var noteikt, izmantojot to pašu līkni Q = f(H) un hronoloģisko grafiku Kzim = f/(T), no kura tiek ņemtas Kzim vērtības vēlamajam datumam:

QZIM = Kzim Ql

Ir arī citi veidi, kā noteikt ziemas izmaksas, piemēram, izmantojot “ziemas” plūsmas līkni, ja to var izveidot.

Vairākos gadījumos ūdens plūsmas līknes nepārprotamība tiek pārkāpta arī bezledus periodā. Visbiežāk tas tiek novērots, ja kanāls ir nestabils (saneši, erozija), kā arī tad, kad rodas mainīgs aizplūdums, ko izraisa noteiktas upes un tās pieplūdes līmeņu nesakritība, hidrotehnisko būvju darbība, kanāla aizaugšana ar ūdenstilpnēm. veģetācija un citas parādības. Katrā no šiem gadījumiem tiek izvēlēta viena vai cita metode ikdienas ūdens plūsmu noteikšanai, kā norādīts hidrometrijas kursā.

Pamatojoties uz ikdienas ūdens patēriņa datiem, varat aprēķināt vidējo patēriņu desmitgadei, mēnesim vai gadam. Vidējos, augstākos un zemākos izdevumus konkrētajam gadam vai vairākiem gadiem sauc par raksturīgajiem izdevumiem. Pamatojoties uz ikdienas plūsmas datiem, tiek izveidots kalendārais (hronoloģiskais) ūdens plūsmas svārstību grafiks, ko sauc par hidrogrāfu (78. att.).

Rīsi. 78.Hidrogrāfs.

Upes plūsmas mehānisms

(pēc L.K. Davidova teiktā)

Kustība ir lamināra un turbulenta

Dabā ir divi šķidruma kustības veidi, tostarp ūdens: lamināra un turbulenta. Laminārā kustība ir paralēla strūklai. Ar pastāvīgu ūdens plūsmu ātrumi katrā plūsmas punktā laika gaitā nemainās ne lielumā, ne virzienā. Atvērtās plūsmās ātrums no apakšas, kur tas ir nulle, vienmērīgi palielinās līdz lielākajai vērtībai virspusē. Kustība ir atkarīga no šķidruma viskozitātes, un pretestība kustībai ir proporcionāla ātrumam līdz pirmajai jaudai. Sajaukšanai plūsmā ir molekulārās difūzijas raksturs. Laminārais režīms ir raksturīgs pazemes plūsmām, kas plūst smalkgraudainās augsnēs.

Upju plūsmās kustība ir nemierīga. Raksturīga iezīme turbulentais režīms ir ātruma pulsācija, t.i., tā izmaiņas laika gaitā katrā lieluma un virziena punktā. Šīs ātruma svārstības katrā punktā notiek ap stabilām vidējām vērtībām, kuras parasti izmanto hidrologi. Lielākie ātrumi tiek novēroti uz plūsmas virsmas. Uz leju tie samazinās salīdzinoši lēni un tiešā dibena tuvumā tiem joprojām ir diezgan lielas vērtības. Tādējādi upes plūsmā ātrums apakšā praktiski nav nulle. Turbulentās plūsmas teorētiskie pētījumi norāda uz ļoti plāna robežslāņa klātbūtni apakšā, kurā ātrums strauji samazinās līdz nullei.

Turbulentā kustība praktiski nav atkarīga no šķidruma viskozitātes. Izturība pret kustību turbulentās plūsmās ir proporcionāla ātruma kvadrātam.

Eksperimentāli ir noskaidrots, ka pāreja no laminārā uz turbulento režīmu un atpakaļ notiek pie noteiktām attiecībām starp plūsmas ātrumu vav un plūsmas dziļumu Hav. Šo attiecību izsaka bezdimensijas Reinoldsa skaitlis

saucējs (ν) - koeficients kinemātiskā viskozitāte.

Atvērtiem kanāliem kritiskie Reinoldsa skaitļi, pie kuriem mainās kustības režīms, svārstās aptuveni diapazonā no 300 līdz 1200. Ja ņemam Re = 360 un kinemātiskās viskozitātes koeficientu = 0,011, tad 10 cm dziļumā kritiskais ātrums (ātrums, ar kādu laminārā kustība pārvēršas turbulentā) ir 0,40 cm/s; 100 cm dziļumā samazinās līdz 0,04 cm/s. Zemas kritiskā ātruma vērtības izskaidro ūdens kustības turbulento raksturu upju plūsmās.

Saskaņā ar mūsdienu koncepcijām (A.V. Karaushev un citi), iekšā turbulenta plūsma dažādos virzienos un ar dažādiem relatīvie ātrumi pārvietojas dažāda lieluma elementāri ūdens tilpumi (struktūrelementi). Tādējādi līdz ar kopējo plūsmas kustību var pamanīt atsevišķu ūdens masu kustību, kas uz īsu brīdi noved it kā uz patstāvīgu eksistenci. Tas acīmredzami izskaidro nelielu piltuvju - virpuļu, kas ātri parādās un tikpat ātri pazūd, it kā izšķīst iekšā, vētrainas plūsmas parādīšanos uz virsmas. kopējā masaūdens. Tas arī izskaidro ne tikai ātruma pulsāciju plūsmā, bet arī duļķainības, temperatūras un izšķīdušo sāļu koncentrācijas pulsāciju.

Ūdens kustības nemierīgais raksturs upēs izraisa ūdens masas sajaukšanos. Sajaukšanas intensitāte palielinās, palielinoties plūsmas ātrumam. Sajaukšanās fenomenam ir liela hidroloģiskā nozīme. Tas palīdz izlīdzināt temperatūru, suspendēto un izšķīdušo daļiņu koncentrāciju plūsmas dzīvajā šķērsgriezumā.

Rīsi. 65. Izliektas ūdens virsmas plūsmas piemēri. a - kliedzošs atbalsts, b - lejupslīdes līkne (pēc A.V. Karausheva teiktā).

Ūdens kustība upēs

Ūdens upēs pārvietojas gravitācijas F' ietekmē. Šo spēku var sadalīt divās komponentēs: paralēli apakšējai Fx un normālai apakšējai F’y (skat. 68. att.). Spēku F' līdzsvaro reakcijas spēks no apakšas. Spēks F'х atkarībā no slīpuma izraisa ūdens kustību straumē. Šim spēkam, kas darbojas pastāvīgi, vajadzētu izraisīt kustības paātrinājumu. Tas nenotiek, jo to līdzsvaro pretestības spēks, kas plūsmā rodas iekšējās berzes starp ūdens daļiņām un kustīgās ūdens masas berzes rezultātā pret dibenu un krastiem. Slīpuma izmaiņas, grunts nelīdzenums, kanāla sašaurināšanās un paplašināšanās izraisa attiecības izmaiņas dzinējspēks un pretestības spēki, kas izraisa plūsmas ātruma izmaiņas upes garumā un dzīvajā posmā.

Izšķir šādus ūdens kustības veidus straumēs: 1) vienmērīga, 2) nevienmērīga, 3) nepastāvīga. Ar vienmērīgu plūsmas ātruma kustību, atvērtais šķērsgriezums un ūdens plūsmas ātrums ir nemainīgs visā plūsmas garumā un laika gaitā nemainās. Šāda veida kustību var novērot kanālos ar prizmatisku šķērsgriezumu.

Ar nevienmērīgu kustību slīpums, ātrums un atvērtais posms laika gaitā nemainās noteiktā posmā, bet gan mainās visā plūsmas garumā. Šāda veida kustība vērojama upēs mazūdens periodos ar stabilām ūdens plūsmām tajās, kā arī dambja veidota aizplūdes apstākļos.

Nestabila kustība ir tāda, kurā visi plūsmas hidrauliskie elementi (slīpumi, ātrumi, atvērtais šķērsgriezuma laukums) aplūkojamajā posmā mainās gan laikā, gan garumā. Upēm plūdu un palu laikā raksturīga nestabila kustība.

Ar vienmērīgu kustību plūsmas virsmas I slīpums ir vienāds ar apakšējo slīpumu i un ūdens virsma ir paralēla izlīdzinātajai grunts virsmai. Nevienmērīga kustība var būt lēns vai paātrināts. Plūsmai palēninot upi, brīvās ūdens virsmas līkne izpaužas kā aizplūdes līkne. Virsmas slīpums kļūst mazāks par apakšējo slīpumu (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) (65. att.).

Rīsi. 68. Čezi vienādojuma atvasināšanas shēma (pēc A.V. Karauševa).

Ūdens plūsmas ātrumi un to sadalījums pa atvērto posmu

Plūsmas ātrumi upēs nav vienādi dažādos plūsmas punktos: tie atšķiras gan plūstošā posma dziļumā, gan platumā. Par katru atsevišķu vertikāli zemākie ātrumi tiek novēroti pie dibena, kas ir saistīts ar upes gultnes nelīdzenumu ietekmi. No apakšas uz virsmu ātruma pieaugums sākumā notiek ātri, pēc tam palēninās, un maksimums atklātās plūsmās tiek sasniegts virspusē vai 0,2 H attālumā no virsmas. Vertikālo ātruma izmaiņu līknes sauc par hodogrāfiem vai ātruma diagrammām (66. att.). Ātrumu vertikālo sadalījumu lielā mērā ietekmē grunts topogrāfijas nelīdzenumi, ledus sega, vējš un ūdens veģetācija. Ja apakšā ir nelīdzenumi (pakalni, laukakmeņi), plūsmas ātrumi šķēršļa priekšā krasi samazinās virzienā uz leju. Ātrumi apakšējā slānī samazinās līdz ar ūdens veģetācijas attīstību, kas būtiski palielina kanāla dibena nelīdzenumu. Ziemā zem ledus, īpaši slāņu klātbūtnē, papildus berzes ietekmē uz nelīdzenās ledus apakšējās virsmas ātrumi ir nelieli. Maksimālais ātrums mainās uz dziļuma vidu un dažreiz atrodas tuvāk apakšai. Vējš, kas pūš straumes virzienā, palielina ātrumu virspusē. Ar pretēju attiecību starp vēja virzienu un straumi, ātrumi pie virsmas samazinās, un maksimuma pozīcija nobīdās uz lielāku dziļumu, salīdzinot ar tā stāvokli mierīgā laikā.

Plūsmas platumā gan virsmas, gan vidējie ātrumi uz vertikālēm mainās diezgan raiti, pamatā atkārtojot dziļumu sadalījumu dzīvajā posmā: piekrastes tuvumā ātrums ir mazāks, plūsmas centrā lielākais. Līnija, kas savieno punktus upes virsmā ar lielākajos ātrumos, sauc par stieni. Zinot stieņa stāvokli, ir liela nozīme izmantojot upes ūdens transportēšanai un kokmateriālu plostošanai. Ātrumu sadalījuma vizuālu attēlojumu dzīvā posmā var iegūt, konstruējot izotus - līnijas, kas savieno punktus ar vienādiem ātrumiem dzīvā posmā (67. att.). Maksimālo ātrumu apgabals parasti atrodas kādā dziļumā no virsmas. Līniju, kas savieno atsevišķu dzīvu posmu punktus visā plūsmas garumā ar vislielākajiem ātrumiem, sauc par plūsmas dinamisko asi.

Rīsi. 66. Ātruma diagrammas. a - atvērts kanāls, b - šķēršļa priekšā, c - ledus sega, d - dūņu uzkrāšanās.

Vidējo vertikālo ātrumu aprēķina, dalot ātruma diagrammas laukumu ar vertikālo dziļumu vai izmērīto ātrumu klātbūtnē raksturīgos dziļuma punktos (VPOV, V0.2, V0.6, V0.8, VDON), izmantojot piemēram, viena no empīriskajām formulām

Vidējais ātrums tiešraides sadaļā. Chezy formula

Lai aprēķinātu vidējo plūsmas ātrumu, ja nav tiešu mērījumu, plaši tiek izmantota Chezy formula. Viņai ir nākamais skats:

kur Hav ir vidējais dziļums.

Koeficienta C vērtība nav nemainīga vērtība. Tas ir atkarīgs no upes gultnes dziļuma un nelīdzenuma. Ir vairākas empīriskas formulas C noteikšanai. Šeit ir divi no tiem:

Maninga formula

N. N. Pavlovska formula
kur n ir raupjuma koeficients, kas atrasts saskaņā ar īpašām M.F. Sribny tabulām. Mainīgo rādītāju Pavlovska formulā nosaka atkarība.

No Chezy formulas var redzēt, ka plūsmas ātrums palielinās, palielinoties hidrauliskajam rādiusam vai vidējam dziļumam. Tas notiek tāpēc, ka, palielinoties dziļumam, apakšas nelīdzenuma ietekme uz ātruma vērtību atsevišķos vertikālajos punktos vājinās un līdz ar to ātruma diagrammas laukums, ko aizņem mazi ātrumi, samazinās. Hidrauliskā rādiusa palielināšanās rada arī koeficienta C pieaugumu. No Chezy formulas izriet, ka plūsmas ātrums palielinās, palielinoties slīpumam, bet šis pieaugums ir mazāk izteikts turbulentas kustības laikā nekā lamināras kustības laikā.

Kalnu un zemienes upju plūsmas ātrums

Zemienes upju plūdums ir daudz mierīgāks nekā kalnu upēs. Zemienes upju ūdens virsma ir samērā līdzena. Šķēršļi mierīgi plūst apkārt, šķēršļa priekšā redzamā atzarojuma līkne vienmērīgi sakrīt ar augšteces zonas ūdens virsmu.

Kalnu upēm ir raksturīgs ārkārtējs ūdens virsmas nelīdzenums (putojošas grēdas, reversie lūzumi, kritumi). Reversie defekti rodas šķēršļa priekšā (akmeņu kaudze kanāla apakšā) vai ar krasu apakšas slīpuma samazināšanos. Ūdens pacēlumu hidraulikā sauc par hidraulisko (ūdens) lēcienu. To var uzskatīt par vienu vilni, kas parādās uz ūdens virsmas šķēršļa priekšā. Atsevišķa viļņa izplatīšanās ātrums uz virsmas, kā zināms, ir c = , kur g ir gravitācijas paātrinājums, H ir dziļums.

Ja plūsmas vidējais plūsmas ātrums vav izrādās vienāds ar viļņa izplatīšanās ātrumu vai pārsniedz to, tad pie šķēršļa izveidojies vilnis nevar izplatīties pret straumi un apstājas netālu no tā sākuma punkta. Tiek veidots apturēts pārvietošanās vilnis.

Ļaujiet vav = c. Aizvietojot vērtību no iepriekšējās formulas šajā vienādībā, iegūstam vav = , vai

Šī vienādojuma kreisā puse ir pazīstama kā Frūda skaitlis (Fr). Šis skaitlis ļauj novērtēt vētraina vai mierīga plūsmas režīma pastāvēšanas apstākļus: pie Fr< 1 — спокойный режим, при Fr >1 - vētrains režīms.

Tādējādi pastāv šādas attiecības starp plūsmas raksturu, dziļumu, ātrumu un līdz ar to arī slīpumu: palielinoties slīpumam un ātrumam un samazinoties dziļumam pie noteikta plūsmas ātruma, plūsma kļūst turbulentāka; samazinoties slīpumam un ātrumam un palielinoties dziļumam pie noteikta plūsmas ātruma, plūsma kļūst mierīgāka.

Kalnu upēm, kā likums, raksturīgas straujas straumes, savukārt zemienes upēm ir mierīgs plūsmas režīms. Turbulents plūsmas režīms var rasties arī zemienes upju krāču zonās. Pāreja uz aptuvenu plūsmu strauji palielina plūsmas turbulenci.

Šķērsvirziena aprites

Viena no ūdens kustības pazīmēm upēs ir straumju neparalēla plūsma. Tas skaidri izpaužas līkumos un ir novērojams taisnos upju posmos. Paralēli vispārējai plūsmas kustībai paralēli krastiem, kopumā plūsmā ir iekšējās straumes, kas vērstas dažādos leņķos pret plūsmas kustības asi un rada kustības ūdens masas virzienā, kas ir šķērsvirziena plūsmai. Krievu pētnieks N.S. Leļavskis tam pievērsa uzmanību pagājušā gadsimta beigās. Viņš iekšējo plūsmu struktūru skaidroja šādi. Pie stieņa, pateicoties lieliem ātrumiem uz ūdens virsmas, no sāniem tiek ievilktas strūklas, kā rezultātā plūsmas centrā veidojas neliels līmeņa paaugstinājums. Rezultātā plaknē, kas ir perpendikulāra plūsmas virzienam, pa slēgtām kontūrām veidojas divas cirkulācijas plūsmas, kas diverģē apakšā (69. att. a). Kombinācijā ar kustību uz priekšu šīs šķērseniskās cirkulācijas strāvas izpaužas spirālveida kustību veidā. Ļeļavskis virsmas strāvu, kas vērsta uz serdi, sauca par bojātu, bet apakšējo – par vēdekļveida strāvu.

Izliektajos kanāla posmos no tā tiek izmestas ūdens strūklas, kas saskaras ar ieliektu krastu. Ūdens masas, ko nes šīs atstarotās strūklas, kurām ir mazāki ātrumi, uzliekot ūdens masām, ko nes šādas strūklas, kas tām ietriecas, paaugstina ūdens virsmas līmeni ieliektā krasta tuvumā. Rezultātā veidojas ūdens virsmas šķība, un ūdens strūklas, kas atrodas netālu no ieliektā krasta, nolaižas pa tā nogāzi un tiek novirzītas apakšējos slāņos uz pretējo izliekto krastu. Izliektajos upju posmos rodas cirkulācijas straume (69. att. b).

Rīsi. 69. Cirkulācijas strāvas kanāla taisnā (a) un izliektā (b) posmā (pēc N. S. Leļavska). 1 - virsmas un apakšējo strūklu plāns, 2 - cirkulācijas strāvas vertikālā plaknē, 3 - spirālveida strāvas.

Iekšējo plūsmu iezīmes pētīja A. I. Losievskis laboratorijas apstākļos. Viņš noteica cirkulācijas strāvu formas atkarību no plūsmas dziļuma un platuma attiecības un identificēja četrus iekšējo plūsmu veidus (70. att.).

I un II tipu attēlo divas simetriskas cirkulācijas. I tipam raksturīga strūklas konverģence virspusē un diverģence apakšā. Šis gadījums ir raksturīgs ūdenstecēm ar plašu un seklu kanālu, kad krastu ietekme uz caurplūdumu ir nenozīmīga. Otrajā gadījumā grunts strūklas tiek virzītas no krastiem uz vidu. Šis cirkulācijas veids ir raksturīgs dziļām plūsmām ar lielu ātrumu. III tips ar vienvirziena cirkulāciju tiek novērots trīsstūra formas kanālos. IV tips - starpprodukts - var rasties pārejas laikā no I tipa uz II tipu. Tādā gadījumā plūsmas vidū esošās strūklas var būt saplūstošas ​​vai diverģējošas, attiecīgi, piekrastes tuvumā – novirzošas vai saplūstošas. Tālāka attīstība idejas par cirkulācijas strāvām tika iegūtas M. A. Veļikanova, V. M. Makkavejeva, A. V. Karausheva un citu darbos. Šo plūsmu rašanās teorētiskie pētījumi ir izklāstīti speciālos kursos par hidraulikas un kanālu plūsmu dinamiku. Šķērsstraumju parādīšanās kanālu līkumos ir izskaidrojama ar šeit attīstošo centrbēdzes inerces spēku un ar to saistīto ūdens virsmas šķērsslīpu. Centrbēdzes inerces spēks, kas rodas līknēs, dažādos dziļumos nav vienāds.

Rīsi. 70. Iekšējo plūsmu diagramma (pēc A.I. Losijevska). 1 - virsmas strūkla, 2 - apakšējā strūkla.

Rīsi. 71. Cirkulāciju izraisošo spēku pievienošanas shēma. a - centrbēdzes spēka P1 vertikālās izmaiņas, b - pārspiediens, c - iegūtā centrbēdzes un spēka diagramma, kas iedarbojas uz vertikāli pārspiediens, g - šķērseniskā cirkulācija.
Virspusē tas ir lielāks, apakšā mazāks gareniskā ātruma samazināšanās ar dziļumu dēļ (71. att. a).

Atkarībā no līkuma virziena novirzošais Koriolisa spēks vai nu pastiprina, vai vājina šķērseniskās plūsmas līkumā. Tas pats spēks ierosina šķērseniskās plūsmas taisnos posmos.

Zemā līknes līmenī cirkulācijas strāvas gandrīz nav izteiktas. Palielinoties līmenim, palielinoties ātrumam un centrbēdzes spēkam, cirkulācijas strāvas kļūst atšķirīgas. Šķērsvirziena strāvu ātrums parasti ir mazs - desmitiem reižu mazāks par ātruma garenisko komponentu. Aprakstītais cirkulācijas straumju raksturs tiek novērots, pirms ūdens sasniedz palieni. No brīža, kad ūdens nokļūst palienē, upē veidojas divas plūsmas - augšējā ielejas virzienā un apakšējā, galvenajā kanālā. Šo plūsmu mijiedarbība ir sarežģīta un joprojām slikti izprotama.

Mūsdienu literatūra par kanālu plūsmu dinamiku (K.V. Grishanin, 1969) acīmredzot sniedz stingrāku skaidrojumu šķērsvirzienu rašanās upes plūsmā. Šādu cirkulāciju izcelsme ir saistīta ar Koriolisa paātrinājuma pārneses mehānismu uz elementārajiem ūdens apjomiem plūsmā caur spiediena gradientu, ko izraisa šķērsslīpums (un nemainīgs vertikāli) un atšķirības tangenciālajos spriegumos, kas rodas elementāro tilpumu malās. ūdens vertikālās plūsmas ātruma atšķirības.

Koriolisa paātrinājumam līdzīgu lomu spēlē centripetālais paātrinājums kanāla pagriezienā.

Papildus šķērseniskajai cirkulācijai plūsmā tiek novērotas virpuļu kustības ar vertikālu rotācijas asi (72. att.).

Rīsi. 72. Virpuļu diagramma ar vertikālām asīm (pēc K.V. Grišaņina).

Daži no tiem ir mobili un nestabili, citi ir stacionāri un tiem ir lieli šķērseniski izmēri. Biežāk tie rodas plūsmu sateces vietās, aiz stāvām krasta dzegām, plūstot ap kādiem zemūdens šķēršļiem u.c. Stacionāru virpuļu veidošanās apstākļi vēl nav izpētīti. Grišaņins norāda, ka stabila lokalizēta virpuļa veidošanos veicina ievērojamais plūsmas dziļums un augšupejošas ūdens plūsmas esamība. Šie virpuļi plūsmā, kas pazīstami kā virpuļi, ir līdzīgi gaisa virpuļi- tornado.

Šķērsvirziena cirkulācijām un virpuļkustībām ir liela nozīme nogulumu transportēšanā un upju kanālu veidošanā.

Hidrauliskā pretestība.

Kad šķidrums plūst pa caurulēm, tam ir jātērē enerģija, lai pārvarētu ārējās un iekšējās berzes spēkus. Cauruļu taisnās daļās šie pretestības spēki darbojas visā plūsmas garumā, un kopējais enerģijas zudums to pārvarēšanai ir tieši proporcionāls caurules garumam. Šādas pretestības sauc par lineārām. To lielums (spiediena zudums) ir atkarīgs no šķidruma blīvuma un viskozitātes, kā arī no caurules diametra (jo mazāks diametrs, jo lielāka pretestība), plūsmas ātruma (palielinot ātrumu, palielinās zudumi) un no caurules tīrības. caurules iekšējā virsma (jo lielāks ir sienu raupjums, jo lielāka pretestība).

Papildus berzei taisnos posmos cauruļvados rodas papildu pretestība plūsmas pagriezienu, šķērsgriezuma izmaiņu, krānu, atzaru uc veidā. Šajos gadījumos tiek izjaukta plūsmas struktūra un tā enerģija tiek tērēta pārstrukturēšana, turbulence un ietekme. Šādas pretestības sauc par vietējām. Lineārās un lokālās pretestības ir divu veidu tā sauktās hidrauliskās pretestības, kuru noteikšana ir jebkuras hidrauliskās sistēmas aprēķina pamatā.

Šķidruma plūsmas režīmi Praksē tiek novēroti divi raksturīgi šķidruma plūsmas režīmi: laminārais un turbulents.

Laminārajā režīmā elementāras plūsmas plūsmas plūst paralēli, nesajaucoties. Ja šādā plūsmā tiek ievadīta krāsaina šķidruma plūsma, tā turpinās savu plūsmu tieva pavediena veidā starp nekrāsota šķidruma plūsmu, neizskalojot. Šis plūsmas režīms ir iespējams pie ļoti zemiem plūsmas ātrumiem. Palielinoties ātrumam virs noteiktas robežas, plūsma kļūst turbulenta, virpuļveida, kurā tiek intensīvi sajaukts šķidrums cauruļvada šķērsgriezumā. Pakāpeniski palielinot ātrumu, krāsainā straume straumē vispirms sāk svārstīties ap savu asi, pēc tam tajā parādās pārtraukumi, sajaucoties ar citām plūsmām, un tad visa straume iegūst vienmērīgu krāsu.

Viena vai otra plūsmas režīma esamība ir atkarīga no plūsmas kinētiskās enerģijas attiecības vērtības 1 1

(■п-гпi2=ч-рУу2) iekšējo berzes spēku darbam (/7 = р„5^/) - sk. (2.9).

Šī ir bezdimensiju attiecība

^-pVv21 (p,5^/) var vienkāršot, paturot prātā, ka V ir proporcionāls V. Arī lielumiem 1 un A/r ir vienāda dimensija, un tos var samazināt, kā arī tilpuma V attiecību pret šķērsgriezums 5 ir lineārs izmērs y.

Tad kinētiskās enerģijas attiecību pret iekšējo berzes spēku darbu līdz nemainīgiem faktoriem var raksturot ar bezdimensiju kompleksu:

ko sauc par Reinoldsa skaitli (vai kritēriju) par godu angļu fiziķim Osbornam Reinoldsam, kurš pagājušā gadsimta beigās eksperimentāli novēroja divu plūsmas režīmu klātbūtni.

Mazas Reinoldsa skaitļu vērtības norāda uz iekšējo berzes spēku darba pārsvaru šķidruma plūsmā un atbilst laminārajai plūsmai. Lielas vērtības Jūs atbilst kinētiskās enerģijas pārsvaram un turbulentās plūsmas režīmam. Robeža pārejas sākumam no viena režīma uz otru - kritiskais Reinoldsa skaitlis - apaļajām caurulēm ir 1?cr = 2300 (caurules diametrs tiek ņemts par raksturīgo izmēru).

Tehnoloģijās, tostarp dīzeļlokomotīvju tehnoloģijā, hidrauliskajās (tostarp gaisa un gāzes) sistēmās parasti notiek turbulenta šķidrumu plūsma. Laminārā plūsma notiek tikai viskozās šķidrumos (piemēram, eļļā) ar zemu plūsmas ātrumu un plānos kanālos (plakanās radiatora caurulēs).

Hidrauliskās pretestības aprēķins. Lineāros spiediena zudumus nosaka, izmantojot Darcy-Weisbach formulu:

kur X (“lambda”) ir lineārās pretestības koeficients atkarībā no Reinoldsa skaitļa. Laminārai plūsmai apaļā caurulē R, = 64/E (atkarīgs no ātruma), turbulentām plūsmām k vērtība ir maz atkarīga no ātruma, un to galvenokārt nosaka caurules sienu nelīdzenums.

Vietējos spiediena zudumus arī uzskata par proporcionāliem ātruma kvadrātam un definē šādi:

kur £ (“zeta”) ir vietējās pretestības koeficients atkarībā no pretestības veida (rotācijas, izplešanās utt.) un tās ģeometriskajiem raksturlielumiem.

Vietējie pretestības koeficienti ir noteikti eksperimentāli, to vērtības ir norādītas atsauces grāmatās.

Hidraulisko sistēmu aprēķināšanas jēdziens. Aprēķinot jebkuru hidraulisko sistēmu, parasti tiek atrisināta viena no divām problēmām: vajadzīgās spiediena starpības (spiediena) noteikšana, lai izietu noteiktu šķidruma plūsmas ātrumu, vai šķidruma plūsmas ātruma noteikšana sistēmā pie noteiktas spiediena starpības.

Jebkurā gadījumā ir jānosaka kopējais spiediena zudums AN sistēmā, kas ir vienāds ar visu sistēmas sekciju pretestību summu, t.i., visu cauruļvadu taisno posmu lineāro pretestību un vietējo pretestību summu. citi sistēmas elementi:

Ja vidējais plūsmas ātrums ir vienāds visos cauruļvada posmos, vienādojums (2.33) tiek vienkāršots:

Parasti sistēmā ir sadaļas, kurās plūsmas ātrumi atšķiras viens no otra. Šajā gadījumā vienādojumu (2.33) ir ērti reducēt citā formā, ņemot vērā, ka šķidruma plūsmas ātrums ir nemainīgs visiem sistēmas elementiem (bez zariem). Aizvietojot vērtības u = C)/5 stāvoklī (2.33), iegūstam

hidrauliskais raksturlielums vai sistēmas kopējais pretestības koeficients.

Jāpatur prātā, ka cauruļvada aprēķins nav problēmas risinājums ar vienu noteiktu atbildi. Tā rezultāti ir atkarīgi no cauruļvadu sekciju diametru izvēles vai ātruma tajos. Patiešām, ir iespējams ņemt vērā zemas ātruma vērtības un iegūt nelielus spiediena zudumus. Bet tad pie noteikta plūsmas ātruma cauruļvada šķērsgriezumiem (diametriem) jābūt lieliem, un sistēma būs apjomīga un smaga. Pieņemot lieli ātrumi plūsmu caurulēs, samazināsim to šķērseniskos izmērus, bet tajā pašā laikā ievērojami palielināsies spiediena zudumi un enerģijas izmaksas sistēmas darbībai (proporcionāli ātruma kvadrātam). Tāpēc aprēķinos parasti tiek norādītas dažas vidējās, “optimālās” šķidruma plūsmas ātruma vērtības. Ūdens sistēmām optimālais ātrums ir aptuveni 1 m/s, zema spiediena gaisa sistēmām - 8-12 m/s.

Ūdens āmurs ir parādība, kas rodas šķidruma plūsmā, kad tā plūsmas ātrums strauji mainās (piemēram, kad cauruļvadā pēkšņi aizveras vārsts vai apstājas sūknis). Šajā gadījumā kinētiskā enerģija Plūsma acumirklī pārvēršas potenciālā enerģijā, un plūsmas spiediens vārsta priekšā strauji palielinās. Novads augsts asinsspiediens tad izplatās no vārsta virzienā uz plūsmu, kas vēl nav pilnībā inhibēta ar ātrumu, kas ir tuvu skaņas ātrumam a šajā vidē.

Straujš spiediena pieaugums noved ja ne pie iznīcināšanas, tad pie cauruļvada elementu elastīgas deformācijas, kas samazina trieciena spēku, bet palielina šķidruma spiediena svārstības caurulē. Spiediena lēciena lielumu pilnīgas šķidruma plūsmas apstāšanās laikā, kam bija ātrums v, nosaka izcilā krievu zinātnieka - profesora N. E. Žukovska formula, ko viņš ieguva 1898. gadā: Dr = raa, kur p ir šķidruma blīvums.

Lai novērstu trieciena parādības lielās hidrauliskajās sistēmās (piemēram, ūdensapgādes tīklos), slēgierīces ir konstruētas tā, lai to slēgšana notiktu pakāpeniski.