Истечение воды из отверстий, насадков, водосливов и коротких труб

В гидротехнической практике с такими видами движения воды приходится встречаться при устройстве шлюзов, водосливов, трубопереездов, дюкеров, расчете фонтанов и пр.

Истечение воды из отверстий. Вытекающая струя может выходить в атмосферу или поступать под уровень жидкости. На выходе струи происходит ее сжатие и уменьшение живого сечения жидкости. Сжатие струи характеризуется коэффициентом сжатия , представляющим собой отношение сжатого живого сечения со к площади отверстия

В идеальном случае при постоянном напоре скорость истечения воды из отверстия можно определить по формуле Торичелли, м/с:

(43)

где g - ускорение свободного падения, м/с; Н - напор над центром отверстия, м.

Вследствие сжатия струи происходят потеря напора и снижение скорости, поэтому необходимо ввести коэффициент скорости . Расход через отверстие определяют по формуле:

(44)

Коэффициент сжатия и коэффициент скорости, определяющие расход, можно заменить коэффициентом расхода :

(45)

Обычно коэффициенты сжатия, скорости и расхода мало меняются и их можно приближенно принять такими: = 0,62-0,64; = 0,97; = 0,60-0,62.

Если отверстие затоплено и истечение происходит под уровень, то в формуле (45) применяют разность уровней Z перед отверстием и за отверстием.

Истечение из насадков. Насадком называется короткая труба, присоединенная к отверстию. Насадки изменяют пропускную способность отверстий. В практике применяют насадки следующих типов (рис. 8): а - цилиндрические, б - конические (сходящиеся), в - расходящиеся, г - коноидальные. По условиям работы насадки могут быть затопленными и незатопленными.

Рис. 8. Типы насадков

Для расчета расхода воды при истечении через насадок используют формулу Торичелли. Скорость вытекания определяют по формуле (43), расход по формуле (45). Для цилиндрических насадков коэффициент расхода = 0,82, для конических (сходящихся) он зависит от угла конусности . При углах конусности 5,13, 45° составляет соответственно 0,92; 0,945; 0,857.

Коноидалъные насадки имеют большой коэффициент расхода (до 0,97-0,98) вследствие плавного закругления входа. Благодаря способности конических насадков давать сплошную струю с большой скоростью они получили широкое распространение в дождевальных устройствах, фонтанах и др.

Истечение воды через короткие трубы. Короткими называются трубы, длина которых несколько превышает длину насадков. К ним относятся трубы, укладываемые под дорогами, насыпями, часто используемые в качестве дюкеров и др.

Течение воды через водосливы.Водосливом называют установленную на пути движения водного потока преграду, через которую переливается вода. Преграда может быть сплошной или с вырезом в ней разной формы.

Рис. 9. Водосливы:

а - общий вид; б – прямоугольный; в – трапецеидальный; г - треугольный

Водосливы широко применяют в качестве подпорных плотинных устройств гидрометрических сооружений для определения расхода воды, шлюзов-регуляторов, водосбросных сооружений при плотинах и пр. Основные элементы водосливов приведены на рис.9.

Участок водосливного сооружения, где происходит перелив воды, называется порогом водослива. Превышение уровня воды перед водосливом (в верхнем бьефе УВБ) над порогом водослива образует напор Н (рис. 9, а). Напор измеряется на расстоянии трех-пяти величин Н от порога. Величина С характеризует толщину порога водослива.

В зависимости от формы водосливного отверстия водосливы подразделяются на прямоугольные (рис. 9, б), трапецеидальные (рис. 9, в) и треугольные (рис. 9, г). Разделяют водосливы и по толщине порога (толщине стенки). Если толщина порога составляет не более 0,5Н, то их относят к водосливам с тонкой стенкой, если более 2Н, то - с широким порогом.

На пропускную способность водослива влияет уровень воды ниже водослива (в нижнем бьефе). У незатопленных водосливов уровень нижнего бьефа ниже порога водослива и не влияет на расход воды через водослив. У затопленных уровень нижнего бьефа, располагающегося выше порога водослива, снижает расход.

Расход воды через водослив определяют по формуле:

(49)

где Q - расход воды, м³/с; b - ширина порога, м; Н - величина напора, м; - модуль расхода воды, для незатопленных водосливов, равный 1,95.

Расход воды через прямоугольный водослив с широким порогом определяют по формуле:

(50)

(51)

где m - коэффициент расхода ( 0,38-0,39).

Расход воды через водосливы с тонкой стенкой прямоугольного (Q_п), трапецеидального (Q_тп) и треугольного (Q_тр) сечений (с углом выреза 90°) определяют по формулам

(52)

(53)

(54)

Лекция 3