Работа 1. Изучение водослива с тонкой стенкой

Цель работы. Изучение картины протекания жидкости через водослив с тонкой стенкой, экспериментальное определение коэффициента расхода и сравнение его с расчётными данными.

1. Общие сведения

Водослив – преграда, через которую переливается вода.

Различают водосливы с тонкой стенкой, с широким порогом и практического профиля. Водослив с тонкой стенкой (рис 1.1) обычно служит для измерения расходов и стабилизации уровня жидкости в резервуарах. Стенка называется тонкой, если струя касается только её входной кромки. Такой характер течения наблюдается, если толщина стенки δ<0.5H, либо она имеет острую входную кромку (см. водослив 8 на рисунке введения).

V_o²/(2g)

V_o

(3…4)Н

Н

Рис. 1.1. Схема водослива с тонкой стенкой

Часть потока перед водосливом называется верхним бъефом (В.Б.), а за ним – нижним бъефом (Н.Б.). Верхняя кромка водослива именуется гребнем, а наибольшее превышение уровня воды в верхнем бъефе над гребнем – геометрическим напором Н. Он обычно фиксируется перед водосливом на расстоянии приблизительно 3Н от гребня. Глубина воды в нижнем бъефе называется бытовой глубиной h_б.

Если изменение уровня воды в нижнем бъефе не влияет на величину напора Н, водослив называется неподтопленным (при этом свободная поверхность воды показана на рис 1.1 сплошной линией), и если увеличение h_б вызывает повышение уровня в верхнем бъефе – водослив называют подтопленным, а свободная поверхность занимает положение, показанное пунктиром. Условие подтопления имеет вид h_б>P, Z/P<(Z/P)_кр≈0.75, где Z – геометрический перепад уровней на водосливе, т.е. превышение уровня в верхнем бъефе над уровнем в нижнем бъефе; Р – высота водослива. Превышение уровня в нижнем бъефе над гребнем водослива называется глубиной подтопления – h_п.

Расход воды через неподтопленные водосливы любого типа определяется по общей формуле:

, (1.1)

где Q – расход; b – ширина водослива; g – ускорение свободного падения; m – коэффициент расхода, зависящий от типа и геометрии водослива; Н₀ – полный напор на водосливе

, (1.2)

где α – коэффициент Кориолиса (корректив кинетической энергии); V=Q/(b(H+P)) – скорость потока в верхнем бъефе (на подходе). При Н<0,5Р скоростным напором можно пренебречь и считать Н_о=Н.

В инженерных расчётах коэффициент расхода m для неподтопленного водослива с тонкой стенкой без бокового сжатия определяют по формуле

. (1.3)

Для подтопленного водослива любого типа расход определяется формулой

, (1.4)

где коэффициент подтопления _п1 и вычисляется по эмпирическим (полученным из опыта) формулам.

1.2. Порядок выполнения работы

Работа выполняется на устройстве № 5, приведённом на рисунке введения, а.

1. Привести устройство в исходное состояние, для чего установить его на стол так, чтобы водослив с тонкой стенкой находился сверху (в верхней части лотка), и подождать, пока вся жидкость перетечёт в нижний бак.

2. Перевернуть устройство в вертикальной плоскости.

3. Наблюдать картину течения воды через водослив с тонкой стенкой и после него, выяснить влияние наклона устройства влево и вправо на отрыв струи от стенки и положение гидравлического прыжка за водосливом.

4. Повторить операции по п.п. 1 и 2, после чего замерить геометрический напор Н (см. рис. 1.1) на водосливе с тонкой стенкой и время t изменения уровня в баке со шкалой на произвольно выбранную величину S, например, на 5 см.

5. Замерить высоту водослива P; размеры горизонтального сечения бака А, Б и ширина водослива (лотка) b указаны на корпусе устройства.

6. Результаты измерений занести в табл. 1.1, сделать вычисления и сравнить опытное и расчётное значения коэффициентов расхода.

Таблица 1.1

№ п/п	Наименование величин	Обозначение, формулы	Значения величин
1	Высота водослива, см	Р
2	Геометрический напор, см	Н
3	Изменение уровня воды в баке, см	S
4	Время наблюдения за уровнем, с	t
5	Расход воды, см3/с	Q=ABS/t
6	Скорость потока до водослива, см/с	V=Q/(b(H+P))
7	Полный напор, см
8	Коэффициент расхода опытный
9	Коэффициент расхода расчётный

Примечание. Размеры сечения бака: А = … см; В = … см; ширина водослива b = … см; коэффициент Кориолиса α = 1.1; ускорение свободного падения g = 981 см/с².