При течении в открытом канале распределение скоростей неравномерно, что означает, что скорость различна на разных глубинах. Различные факторы, такие как уклон русла, выравнивание, форма, шероховатость и т.д. играют ключевую роль в распределении скорости.
Распределение скоростей в открытых каналах
Открытый канал – это канал, который имеет свободную водную поверхность, открытую для атмосферы. Реки, каналы и т.д. относятся к категории открытых каналов. Из-за свободной поверхности воды и сопротивления трения на границе канала распределение скоростей в открытых каналах неравномерно.
Для измерения скорости открытого канала на необходимой глубине используются трубка Пито или токоизмерительные клещи. Обычно для определения средней скорости конкретного открытого канала измеряют скорость на глубине 0,6 м от свободной поверхности воды.
В другом случае берется скорость на глубине 0,2 м и 0,8 м от свободной поверхности воды, и средняя скорость этих двух значений рассматривается как средняя скорость канала.
Течение в открытом канале
Факторы, влияющие на распределение скоростей в открытых каналах
Распределение скоростей в открытых каналах в основном зависит от следующих факторов.
1. Форма участка канала
Открытые каналы могут быть естественного или искусственного происхождения. Естественные открытые каналы не имеют какой-либо определенной формы и содержат нерегулярные участки, в то время как искусственные каналы имеют определенные разработанные формы, такие как прямоугольные, круглые, трапециевидные, треугольные и т.д.
Контурные линии равных скоростей в различных формах сечений канала показаны на рисунке ниже.
Контурные линии равных скоростей в различных сечениях канала
2. Шероховатость канала
Шероховатость русла – это мера сопротивления трения, оказываемого материалом дна русла потоку воды. В естественных каналах на скорость потока влияет наличие крупных угловатых валунов в качестве материала дна, растительность, препятствия и т.д.
Если канал сделан из гладкой глины или ила, его шероховатость очень мала, и вода течет быстрее. В случае искусственных каналов для поддержания необходимой скорости потока требуется гладкая отделка. Средняя скорость в открытых каналах может быть рассчитана по формуле Маннинга, приведенной ниже.
Где,
V = средняя скорость в канале
R = гидравлический радиус канала = площадь/периметр
S = уклон канала
n = коэффициент шероховатости Маннинга
Значения коэффициента шероховатости Маннинга различны для разных материалов, используемых для строительства каналов, и значения для разных материалов приведены в таблице ниже.
Таблица 1: Значения коэффициента шероховатости Маннинга (n) для различных типов материалов каналов
Материал поверхности канала
Состояние/описание канала
Коэффициент шероховатости Маннинга (n)
Земля
Недавно вырытый
0.018
После выветривания
0.022
Гравий
0.025
Без растительности
0.028
Трава и сорняки
0.030
Наличие водных растений
0.035
Земляное дно и щебнистые берега
Каменистое дно и заросшие сорняками берега
Булыжное дно и чистые берега
0.040
Срезы камней
Гладкие и однородные
Зазубренные и нерегулярные
Бетон
Отделка шпателем
0.013
Финишная обработка плавающим способом
0.015
Финишная отделка с гравием на дне
0.017
незавершенный
Гунит, хорошая секция
0.019
Гунит, волнистый участок
на хорошей вынутой породе
0.020
на неровной выработанной породе
0.027
Кирпич
Глазурованный кирпич
Отделка цементным раствором
Асфальт
Гладкий
Шероховатый
0.016
Дерево
Строганная, необработанная
0.012
Строганная, обработанная креозотом
Не строганная
Доска с обрешеткой
Обшитый рубероидом
0.014
Каменная кладка
Цементированная бутовая кладка
Сухая бутовая кладка
0.032
На рисунке ниже представлены кривые распределения скоростей в каналах различной формы. Если шероховатость канала больше, то кривизна увеличивается.
Кривые распределения скоростей для различных сечений канала
3. Выравнивание канала
Скорость потока в канале также зависит от его выравнивания. Если канал прямой, то скорость не меняется в зависимости от выравнивания. В прямых каналах максимальная скорость обычно возникает на глубине 0,05-0,15 м от свободной поверхности воды.
Если русло извилистое или меандрирующее, скорость будет меняться на поворотах. При изгибе, из-за центробежного действия потока, скорость становится больше на выпуклой стороне по сравнению с вогнутой.
Различные выравнивания канала
4. Уклон дна канала
Уклон дна канала или градиент канала также влияет на скорость потока в открытых каналах. При более крутом уклоне скорость увеличивается, а при нормальном уклоне скорость уменьшается.
Уклон канала
Читайте далее:- Классификация каналов на основе различных факторов.
- Формулы Чези и Мэннинга в потоке в открытом канале.
- Что такое контурная съемка? Методы, карты и использование контуров в геодезии.
- Что такое контурный интервал? Его расчет, использование и когда он необходим.
- Каменная кладка – материалы и классификация.
- Суэцкий канал: Особенности строительства крупнейшего в мире экономического маршрута.
- Облицовка каналов – типы и преимущества.