Неравномерное движение жидкости в открытых руслах

Рассматривается неравномерное движение жидкости в призматических руслах. Призматическими называются такие русла, форма и размеры поперечного сечения которых не изменяются по длине.

Свободная поверхность потока при неравномерном движении имеет криволинейное очертание. След от пересечения вертикальной плоскости, проведенной по оси потока (в призматическом русле), со свободной поверхностью называется кривой свободной поверхности.

Примеры неравномерного движения:

• а) движение воды в верхнем бьефе водоподпорного сооружения (плотины) (рис. 1 — 1, а). Это движение характеризуется увеличением глубины потока в направлении движения жидкости. Кривая свободной поверхности в этом случае называется кривой подпора.
• б) движение воды в канале, уклон дна которого возрастает (рис. 1 — 1, б).

В этом случае глубина потока уменьшается по направлению движения жидкости, кривая свободной поверхности жидкости называется кривой спада.

Удельная энергия сечения потока Вспомним, что удельной энергией потока называется сумма.

.

Удельной энергией сечения потока по определению называется сумма.

Удельная энергия потока вследствие потерь на трение убывает вниз по течению потока. Удельная энергия сечения потока при равномерном движении остается для всех сечений постоянной, так как при равномерном движении и скорость течения и глубина постоянны по длине потока. Т.о. если удельная энергия потока определяется относительно произвольно выбранной, но одной и той же для разных сечений, плоскости сравнения, удельная энергия сечения потока определяется относительно своей для каждого сечения плоскости сравнения, проходящей через нижнюю точку живого сечения (рис. 2 — 1 и 2 — 2).

Заменяя среднюю скорость течения v отношением расхода Q к площади поперечного сечения и принимая 1, получим следующее выражение для удельной энергии сечения потока:

Критическое, спокойное и бурное состояние потока При постоянном расходе Q глубина потока h может быть различной, в зависимости от уклона дна I_o, шероховатости n.

Учитывая, что площадь живого сечения при заданной форме и размерах поперечного сечения русла однозначно определяется глубиной h: = f (h), замечаем, что при постоянном расходе удельная энергия сечения потока является функцией только глубины h. Нарисуем график этой функции (рис. 2 — 3).

При h 0 0, и второе слагаемое в выражении для удельной энергии сечения потока стремится к бесконечности, а с ним стремится к бесконечности и удельная энергия сечения потока. При этом кривая графика асимптотически приближается к оси абсцисс.

При h второе слагаемое стремится к 0, а кривая графика удельной энергии сечения потока Э асимптотически приближается к прямой Э = h, так как при больших h

Так как функция, выражающая зависимость удельной энергии сечения потока от глубины непрерывна, существует некоторое значение глубины h, при котором удельная энергия сечения потока принимает минимальное значение.

Графическое изображение удельной энергии сечения потока в функции от глубины называется кривой удельной энергии сечения потока.