Расчёт безнапорных потоков

Расчёт безнапорных потоков состоит в решении совместной задачи о про­пуске расхода q при допустимых скоростях потока v и геометрических уклонах i_геом днища труб, каналов и т.д. Безнапорные (со свободной по­верхностью) потоки наблюдаются в канализационных трубах, дорожных лотках, каналах; в природе — в реках, ручьях.

При расчёте безнапорных потоков вводится допущение о равно­мерном движении потока: геометрический уклон дна i_геом считается рав­ным уклону свободной поверхности (пьезометрическому уклону) и гидра­влическому уклону i. Другими словами, поверхность дна 1, свободная по­верхность потока 2 и напорная линия 3 параллельны друг другу (рис. 16). Это упрощает расчёт, так как определяя гид­равлический i, автоматически находят уклон дна i_геом.

Подчеркнём, что безнапорный поток имеет напоры! Дело в том, что термин «безнапорный» является традиционным, правильнее же его на­зывать «поток со свободной поверхностью». Например, на рис. 16 в точках потока А и В напоры существуют, и их отметки могут быть за­ре­гистрированы трубками Питó соответственно НА и НВ. Разность на­поров НА – НВ равна линейной потере напора h_l на участке потока длиной l. Величина h_l по принятому допущению равна D z — разности высотных отметок дна в начале и конце участка, так как i = h_l / l, i_геом = D z / l, а i = i_геом.

Местные потери напора h_м возникают в безнапорных потоках так ­же, как и в напорных, в местах резкой деформации потока: на поворотах, в тройниках, крестовинах, местных сужениях и т.д. Однако в расчётах без­напорных потоков величины h_м обычно не учитывают.

При проведении гидравлического расчёта безнапорных потоков вво­дятся ограничения по скорости v (м/с), наполнению h / d (см. рис. 7, в) и уклону i_геом. Например, при расчёте канализационных труб должны быть выполнены три таких ограничения:

где d_мм — внутренний диаметр трубы в мм.

Для расчётабезнапорныхпотоков широко применяется формула Шезú:

,

где R — гидравлический радиус (м); С — коэффициент Шезú.

Коэффициент Шезú можно определить по формуле Маннинга

,

где n — коэффициент шероховатости стенок трубы или канала;

R — гидравлический радиус, подставляемый вметрах.

Скорость потока связана с расходом соотношением вида

v = q / w.

Таким образом, приведённые формулы позволяют осуществлять гидрав­личе­ский расчёт любых безнапорных потоков. Обычно для расчётов используются вспомогательные таблицы или номограммы, составленные на основе формулы Шези.

Отметим, что формула Шези справедлива для потоков с турбулентным режимом. Таких потоков на практике подавляющее большинство.