Тема 2.6. БЕЗНАПОРНОЕ ДВИЖЕНИЕ ЖИДКОСТИ

Безнапорный поток – поток жидкости, движущийся по руслу (трубопроводу) под действием собственной силы тяжести.

Особенностью безнапорного потока является наличие свободной поверхности, находящейся под атмосферным давлением. Линия свободной поверхности представляет собой пьезометрическую линию. При равномерном движении в безнапорном русле гидравлический уклон I, пьезометрический уклон I и уклон дна русла i_д равны между собой и определяются уклоном дна:

I = I = i_д. (2.6.1)

Кроме гидравлических характеристик для напорного потока, безнапорный поток имеет дополнительные характеристики:

1.Допустимая скорость движения.

Расчетная скорость должна соответствовать условию:

u_max > u > u_min (2.6.2)

u_min – незаиливающая скорость, которая зависит от гидравлической крупности (скорости осаждения) переносимых частиц и гидравлического радиуса трубы R:

(2.6.3)

где a – коэффициент, зависящий от гидравлической крупности частиц.

u_max - неразмывающая скорость, которая зависит от материала русла потока и приводится в справочных данных по грунтам и материалам.

2.Степень наполнения трубопровода.

аполнение– отношение высоты жидкости в трубе к диаметру труб: h /d (2.6.4)

Т.к. форма труб может быть различной,(овальная, лотковая, трапециидальная, комбинированная и т.д.), в расчетные формулы вводятся вспомогательные коэффициенты А и В, которые зависят только от наполнения и не зависят от формы трубы :

А = Q_част/Q) – отношение расхода при частичном заполнении к расходу при полном заполнении.

В = u_част /u – отношение скорости при частичном заполнении к скорости при полном заполнении.

Для определения коэффициентов А и В построены графики.

Для круглых труб:

Q_max соответствует h/d = 0,95, а u_max наблюдается при h/d = 0,81

3.Гидравлически наивыгоднейшее сечение.

Гидравлически наивыгоднейшим сечением является то сечение, которое при одинаковой с другими сечениями площади живого сечения, шероховатости и уклоне имеет наибольшую пропускную способность.

Гидравлически наивыгоднейшее сечение – лотковое, т.к. оно имеет меньший смоченный периметр на единицу живого сечения, т.е. меньший гидравлический радиус.

В грунтовых условиях проще возводить каналы в форме трапеции, для которых наивыгоднейшее сечение обеспечивается при соотношении:

, где (2.6.5)

b – ширина канала по низу, h – высота живого сечения, m – коэффициент откоса (см. пример 2.6.1).

Для прямоугольных каналов оптимальное соотношение: b / h =2.

Для расчета напорного и безнапорного турбулентного режима движения для «правильных» живых сечений (круглые, квадратные, прямоугольные, трапециевидные, параболические) используется формула Шези:

Если из формулы (2.3.4) выразить скорость, то получим

(2.6.6)

Где С, м^0,5 / с – коэффициент Шези, который определяется по формуле Павловского:

, где (2.6.7)

n – коэффициент шероховатости труб, который определяется по справочным данным в зависимости от материала и срока эксплуатации.

Приближенно можно принимать:

При R < 1 м y = 1, 5 n^0,5 (2.6.8)

При R > 1 м y = 1, 3 n^0,5

Для не старых стальных труб можно использовать формулу Маннинга:

(2.6.9.)

Практические расчетные зависимости, выведенные из формулы Шези:

(2.6.10)

Фильтрация – движение жидкости или газа через пористую среду.

Расход при фильтрации определяется

Q = w K I = w K h /l, (2.6.11)

где w - поперечное сечение фильтра без учета пор; К, м/с – коэффициент фильтрации, принимаемый по справочным данным в зависимости от вида фильтрующего материала. Коэффициент К можно также определить по эмпирической формуле:

К = С d²_э g /n или К = , м/с (2.6.12)

где С – безразмерный коэффициент, зависящий от пористости материала;

d²_э – эффективный диаметр частиц пористой загрузки;

к_ПР – коэффициент проницаемости пористой среды.

Приток грунтовой воды к дренажному каналу с двух сторон определяется:

, где (2.6.13)

l - длина канала; Н – уровень воды в траншее до откачки; h – уровень в процессе откачки; L –ширина зоны откачки.

L = (Н-h)/I_СР, где (2.6.14)

I_СР – средний уклон кривой депрессии, принимаемый по справочным данным в зависимости от вида грунта.

Более подробно расчет фильтрации приводится в /6/.