Р авномерным движением в открытом русле будет такое установившееся движение, при котором в соответственных точках любых двух сечений скорости одинаковы по величине и по направлению

Равномерное движение в открытом русле может иметь место при следующих условиях:

1. Постоянство расхода воды   

2. Постоянство формы живого сечения и его геометрических характеристик (призматические каналы).

3. Постоянство геометрического уклона по всей длине канала   .

4. Постоянство шероховатости русла и отсутствие местных сопротивлений.

Эти условия являются необходимыми, однако их недостаточно для того, чтобы в канале имело место равномерное течение; для этого необходимо также, чтобы глубина была одинакова во всех сечениях. Следствием того, что   будет равенство уклона свободной поверхности   уклону дна   и гидравлическому уклону   .

Глубина потока h₀, соответствующая равномерному движению называется нормальной глубиной. Равномерное движение жидкости невозможно в естественных руслах, так как вдоль них практически все условия равномерного движения нарушаются.

36

Удельная энергия сечения   в отличие от полной удельной энергии потока   , которая определяется относительно выбранной произвольной плоскости сравнения, вычисляется, если плоскость сравнения проведена через самую нижнюю точку дна русла.  , (8.19) Или, выразив скорость   , получим В выражении удельной энергии сечения (8.19):  - удельная потенциальная энергия сечения;  - удельная кинетическая энергия сечения Тогда  .

Прямая линия 1 - график изменения удельной потенциальной энергии, который имеет угол наклона 45° относительно горизонтальной координатной оси   ; кривая 2 - график изменения удельной кинетической энергии имеет вид гиперболы; кривая 3 -график удельной энергии сечения   . График   получается путем сложения значений удельных потенциальных и кинетических энергий при определенной глубине   .

На кривой 3 имеется точка «к», которая соответствует случаю, когда функция   имеет минимум   и глубину   . Точка «к» делит кривую 3 на два отрезка. Верхний отрезок этой кривой соответствует условию, что глубина потока в русле   . В результате возрастания глубины кинетическая энергия уменьшается, а потенциальная - увеличивается. Потоки жидкости в руслах, в которых   , получили название спокойных потоков. Нижний отрезок кривой 3 относится к потокам с глубиной   . При снижении глубины потока уменьшается площадь живого сечения, в результате этого происходит увеличение скорости и возрастание кинетической энергии, а потенциальная энергия уменьшается. Поток жидкости в русле при глубине   называется бурным потоком. Если глубина в русле   , поток жидкости находится в критическом состоянии.

Значение критической глубины для русла любой формы может быть определено из условия, что функция   имеет минимум. Производная этой функции должна быть равна нулю,   .

 . (8.22) Тогда  . (8.23)

37

Действительную глубину потока обозначим h. 1. h > h,спокойное состояние потока (при равномерном или неравномерном движении) 2. h < h –бурное состояние потока 3. h = h– критическое состояние потока, всегда равномерное движение. Число Фруда характеризует соотношение между силой инерции и внешней силой, в поле которой происходит движение, действующими на элементарный объём жидкости или газа: где  — характерный масштаб скорости,  — ускорение, характеризующее действие внешней силы,  — характерный размер области, в которой рассматривается течение.

Например, если рассматривается течение жидкости в трубе в поле силы тяжести, то под величиной   понимается ускорение свободного падения, под величиной  }  — скорость течения, а за   можно принять длину трубы или её диаметр.

Гидравлический прыжок - явление резкого увеличения глубины при переходе потока из бурного состояния в спокойное, когда глубина изменяется от   до   . Гидравлический прыжок может происходить в результате движения жидкости через плотины, входящие в состав гидроузлов водохранилищ. Гидравлический прыжок образуется, когда поток из бурного состояния в результате перелива через плотину переходит в спокойное состояние.

38

Гидравлическим прыжком называется резкое увеличение глубин на относительно коротком участке русла от величины   <  до величины  >  , т.е. прыжок образуется при переходе бурного потока в спокойный.

Совершенный прыжок представляет собой поверхностный валец в виде развитой водоворотной области, который характеризуется возвратным течением у свободной поверхности. Условие образования определяется соотношением:

В русле произвольной формы поперечного сечения (в т.ч. трапецеидальном) критическая глубина может быть найдена графоаналитическим способом по основному уравнению критического состояния потока

где ω к ,   - площадь живого сечения и ширина потока по верху при глубине h= , м.

значит прыжок совершенный.

Для русел с формой поперечного сечения, отличной от прямоугольного, сопряженные глубины можно определить с помощью графика прыжковой функции.

Прыжковой функцией   называется двучлен

                        (1)

где   - коэффициент количества движения ( );   - глубина погружения центра тяжести рассматриваемого сечения от свободной поверхности потока, м.

Для трапецеидального русла  .

На графике прыжковой функции каждой глубине бурного потока   соответствует только одна сопряженная глубина   спокойного потока и наоборот. Для построения графика прыжковой функции необходимо, задаваясь рядом значений h в интервале от h< , h= , до h> , (Рис. 6), определить по формуле (1) соответствующие им значения   Расчеты выполняются в табличной форме 6.

Расчетные параметры прыжковой функции                        Таблица 6

h	0,66	1	1,34	1,68	2,02	2,36	2,7
П(h)	34,97	25,88	23,38	23,97	26,48	30,43	35,54

По графику 

39