1. Безнапорное движение жидкости. Особенности гидравлики безнапорных потоков

12.3. Водосливы с тонкой стенкой

Наиболее часто применяются и детальнее изучены прямые (лобовые) водосливы с вертикальной тонкой стенкой. Экспериментальные исследования показывают, что при движении через такой водослив без бокового сжатия могут реализовываться четыре типа струйного течения: свободная, поджатая, подтопленная и прилипшая струя (рис. 12.6).

Рис. 12.6
При свободном доступе воздуха под струю на водосливе получается свободная струя (свободное истечение) (рис. 12.6.а). При отсутствии доступа воздуха под струю, переливающаяся струя захватывает с собой пузырьки воздуха из воздушного мешка, имеющегося под струей в начале истечения, воздух постепенно отсасывается, в результате под струей создается вакуум. Под действием вакуума высота столба жидкости под струей увеличивается, а струя приближается (поджимается) к водосливной стенке. Такая струя называется поджатой (рис. 12.6.б). В случае, когда вакуум под струей продолжает увеличиваться (при соблюдении условия ), все пространство под струей заполнится водой. Струя в этом случае называется подтопленной снизу (рис. 12.6.в). При малых расходах и отсутствии доступа воздуха под струю получается прилипшая струя (рис. 12.6.г), которая обычно неустойчива и периодически переходит в поджатую.
Незатопленный прямоугольный водослив с вертикальной стенкой при наличии свободного истечения и при отсутствии бокового сжатия называется нормальным водосливом. Форма и параметры струи такого водослива представлены на рис. 12.7.

Рис. 12.7
Теория и опыт показывают, что все размеры такой струи пропорциональны величине напора H. Поэтому, если выразить все характерные размеры струи в долях напора, как показано на рис. 12.7, то получается обобщенное типовое изображение течения через нормальный водослив. Как видно из рисунка, в сечении, где нижняя поверхность струи имеет наибольший подъем, толщина струи по вертикали составляет 0,67H. Максимальный подъем нижней поверхности струи равен 0,11H. В сечении, центр которого находится на уровне гребня водослива, толщина струи равна 0,435H. На рис. 12.7 показаны также эпюры распределения скоростей в этих сечениях. В сечении, где нижняя поверхность струи имеет наибольший подъем, скорость возрастает от верхней поверхности струи к нижней. В сечении, центр которого лежит на уровне гребня водослива, происходит практически параллельноструйное движение и максимум скоростей находится на оси струи. Коэффициент сжатия струи в этом сечении и будет коэффициентом вертикального сжатия для водослива с тонкой стенкой
.
Расход воды через нормальный водослив рассчитывается по формуле

,

(12.3)

где H – геометрический напор на водосливе, m₀ – нормальный коэффициент расхода.
Скорость подхода воды в этой формуле учитывается коэффициентом расхода m₀. Существует несколько эмпирических формул для определения коэффициента расхода водослива с тонкой стенкой. Можно воспользоваться формулой И. М. Коновалова, полученной на основе зависимостей движения идеальной жидкости:
.
Первая скобка в этой формуле учитывает влияние величины напора, вторая – скорости подхода.
Р. Р. Чугаевым предложена формула
,
ее можно применять при и .
Расчеты показывают, что в зависимости от соотношения значения коэффициента расхода нормального водослива находятся в пределах .
Расчетные формулы для нормальных водосливов дают возможность определять расход с большой точностью. Отчасти поэтому, нормальные водосливы широко применяются в качестве измерительных устройств. Измеряя величину H на водосливе, специально устроенном в канале, затем по формуле (12.3) с учетом соответствующего коэффициента расхода рассчитывают расход воды в канале. Как показывают экспериментальные исследования, для прямоугольных водосливов хорошие результаты получаются при напорах . При значениях возрастает погрешность измерения, кроме того, при малых расходах часто возникает прилипшая струя, при которой нельзя пользоваться вышеприведенными формулами для коэффициента расхода. В этом случае удобно пользоваться треугольным водосливом с углом . Для такого водослива ширина потока по верху b зависит от величины напора H. С учетом этого формула пропускаемого расхода приводится к виду
.
Эта формула дает хорошие результаты при .
При наличии бокового сжатия, когда , коэффициент расхода уменьшается и определяется по эмпирической формуле Эгли
.
Уровень нижнего бьефа оказывает влияние на величину расхода через нормальный водослив, т. е. водослив становится подтопленным, при соблюдении двух условий:

• 
  уровень воды в нижнем бьефе должен стоять выше гребня водослива, т. е. ; превышение уровня нижнего бьефа над порогом водослива называется высотой подтопления. Тогда первое условие затопленности выразится как ;
  
• 
  в нижнем бьефе должен быть спокойный режим движения воды.
  

Рис. 12.8

Схема затопленного водослива с тонкой стенкой при соблюдении этих двух условий приведена на рис. 12.8.а. Если второе условие не соблюдается, т. е. в нижнем бьефе за водосливной стенкой течение бурное, в нижнем бьефе появляется отогнанный гидравлический прыжок (рис. 12.8.б), и водослив оказывается неподтопленным даже при соблюдении первого условия. При этом уровень нижнего бьефа, хотя и стоит выше порога водослива, не оказывает влияния на величину расхода через водослив.

Согласно опытным данным, течение в нижнем бьефе будет спокойным в случае, когда относительный перепад на водосливе (отношение перепада z к высоте стенки над дном нижнего бьефа C_н) будет меньше некоторого критического значения, а именно
.
Расход через затопленный водослив с тонкой стенкой без бокового сжатия определяется с учетом коэффициента подтопления :
.
Коэффициент расхода m₀ при этом определяется, как указано выше, по формулам И. М. Коновалова или Р. Р. Чугаева. Коэффициент подтопления определяется по эмпирической формуле Базена
.
При наличии, помимо подтопления, бокового сжатия в формулу расхода подставляют вместо нормального коэффициента расхода m₀ коэффициент расхода , величину коэффициента подтопления принимают, как и выше, по формуле Базена.