11. Неустановившееся движение воды в открытых руслах

Неустановившееся движение является наиболее общим видом движения. Оно характеризуется изменением па­раметров движения в отдельных точках пространства, занятого движу­щейся жидкостью, во времени.

В открытых руслах неустановившееся движение сопровождается переменными как во времени, так и по длине русла скоростями, глуби­нами, расходами, площадями живого сечения потока и другими харак­теристиками.

Неустановившееся движение возникает при нарушении по тем или иным причинам в каком-либо створе первоначальных условий движения потока. Это изменение является возмущением, вызывающим перемещающиеся вверх или вниз по течению волны или ряда волн. По­этому неустановившееся движение в открытых руслах называется также волновым. Отличительной особенностью этого волнового движения является его способность к переносу значительных расходов воды, поэтому движущиеся в открытых руслах волны называют волнами перемещения.

Следует отметить, что с физической точки зрения существуют два типа волн на воде, а именно: колебательные волны и волны пе­ремещения.

Колебательная волна (ветровая, корабельная и т.п.) выражае­тся колебательными движениями (по кругу или эллипсу) поверхностно­го слоя воды без перемещения массы по направлению перемещения вол­ны. Она характеризует так называемого движения волны по глубокой воде, когда значение 2πН /λ ≥ 2,65. Здесь Н - глубина воды; - длина волны;

Волна перемещения характеризуется движением потока с переносом почти всей массы воды по направлению движения. Она характеризует, так называемое, движение волны по мелкой воде, когда значение2πН/λ≤ 2,65.

Волны перемещения подразделяются на непрерывные (длинные) и прерывные, а само неустановившееся движе­ние - соответственно на медленно изменяющееся и быстро изменяющееся (резко нестационарное).

Непрерывные волны перемещения имеют малую кривизну про­дольного профиля. Длина волны в несколько раз (иногда в несколько десятков раз) превышает глубину потока. Параметры потока изменя­ются медленно как во времени, так и по длине волны.

Прерывные волны возникают при быстром появлении возмущения и характеризуются значительной кривизной мгновенного продольного профиля и резким изменением уровней воды на коротком участке (пре­рывной поверхностью водотока), а также быстрым изменением во вре­мени глубин, скоростей и т. д.

Волна прорыва (попуска) и половодий (паводков), кроме того, представляет собой сложную волну, состоящую из простых волн, а именно: из прямой волны повышения и прямой волны понижения.

При этом необходимо отметить, что в природе существуют и другие типы простых волн перемещения, например, обратная волна повышения и обратная волна понижения.

Принято считать, что прямая волна распространяется по напра­влению течения бытового потока, а обратная волна распространяет­ся против течения бытового потока. Волна повышения - это волна, в которой глубина потока возрастает, а волна понижения наблюдае­тся, когда глубина потока убывает.

В каждой волне перемещения можно выделить фронт волны, т. е. ее переднюю часть, перемещающуюся по водотоку с неко­торой скоростью, называемой волновой. Траектория движения верхней точки фронта волны называется волновой границей. За фронтом следует тело волны, в котором изменение параметров потока происходит медленнее, чем во фронте. Высшая точка подъема уровня воды при прохождении волны перемещения называется гребнем волны. Окончание спада уровней воды в волне перемещения определяет переход потока к бытовому состоянию и определяется как хвост волны.

При распространении волны по течению она называется прямой, против течения - обратной. При возрастании уровня волна называется положительной, при уменьшении - от­рицательной.