Transcript Laboratorní cvičení 2

Laboratorní cvičení 2
Vysoké učení technické v Brně,
Fakulta stavební,
Laboratoř vodohospodářského výzkumu Ústavu vodních staveb
Experimentální úlohy laboratorního cvičení
1. Výtok otvorem
1.1 Teorie
1.2 Experimentální úloha
1.3 Příloha
2. Přepad
2.1 Teorie
2.2 Experimentální úloha
2.3 Příloha
1. Výtok otvorem
1.1 Teorie
Ustálený výtok z nádoby – přítok vody do nádoby je roven odtoku z nádoby
Qp = Qv = Q = konst.
Výtok:
•
•
•
Volný (nezatopený) – kapalina vytéká do vzduchu
Částečně zatopený – kapalina vytéká jak do vzduchu, tak do kapaliny
Zatopený – kapalina vytéká do kapaliny
Umístění otvoru:
•
•
Vliv boční stěny:
•Dokonalé zúžení
•Nedokonalé zúžení
Ve stěně.
Ve dně.
Výtokový otvor:
•
•
l/a > 3.
l/a ≥ 3.
Hydraulicky velký
h < 10a.
Hydraulicky malý
h ≥ 10a.
Zúžení výtokového paprsku:
•Úplné zúžení
•Částečné zúžení – část výtokového
otvoru splývá s boční stěnou
Výtokový součinitel  - opravuje hodnotu průtoku vzhledem
k teoretické hodnotě vyjádřené z Bernoulliho rovnice.
Výtokový součinitel zahrnuje  =   :
1
• rychlostní součinitel  
vyjadřuje ztráty
c  
třením při výtoku otvorem a rozložení kinetické energie
po průřezu
•
p0
k
v0
Ac
součinitel zúžení  
vyjadřuje poměrné zúžení
A
průřezu výtokového paprsku
h
Volný výtokový otvor ve dně
Průtok




A0
h  10 D
A

p0  p c  0 v0

Q  A 2 g  hc 

g
2g

Hydraulicky malý otvor
k ≈ 0 m, hc ≈ h, p0 ≈ pc.
2
Q   A 2g h
Rovnice průtoku platí i pro hydraulicky malý otvor ve stěně.
hc
a
Ac
l
c
pc
1.2 Experimentální
úloha
Pohled na stanoviště
Postup měření:
•
Odměřte vnitřní průměr D [m] kruhového otvoru či rozměr
čtvercového otvoru a [m].
•
•
Otevřete přítok vody do nádoby (šoupě).
•
Po ustálení hladiny odečtěte hloubku těžiště výtokového otvoru
h [m].
•
Vypočítejte hodnotu výtokového součinitele  z rovnice pro
výpočet průtoku Q [m3/s].
•
Hodnotu výtokového součinitele  stanovenou experimentálně
porovnejte s hodnotami uváděnými v tabulkách pro daný typ
otvoru.
Po ustálení hladiny vody v nádobě zjistěte objemovou metodou
průtok vody Q [m3/s]
(odměřte objem kapaliny V [m3] za určitý čas t [s] ).
1.3 Příloha
•
•
•
•
•
Výtok otvorem u stěny dna a s nátrubkem (matematický model)
Výtok otvorem s ostrými hranami a s nátrubkem (matematický model)
Výtok otvorem se skosenými hranami a s nátrubkem (matematický
model)
Výtok otvorem s oblými hranami a s nátrubkem (matematický model)
Zúžení výtokového paprsku - detail
Výtok otvorem u stěny dna s nátrubkem (matematický model)
vekt. rychlostí
tlakové pole
turb.kin.energie
Výtok otvorem s ostrými hranami a s nátrubkem (mat model)
vekt. rychlostí
tlakové pole
turb.kin.energie
Výtok otvorem se skos. hranami a s nátrubkem (mat. model)
vekt. rychlostí
tlakové pole
turb.kin.energie
Výtok otvorem s oblými hranami a s nátrubkem (mat. model)
vekt. rychlostí
tlakové pole
turb.kin.energie
Zúžení výtokového paprsku - detail
Výtok vody
kruhovým
otvorem bez
nátrubku.
Zúžení vzniká
vlivem
setrvačných sil
proudící kapaliny
těsně před
výtokovým
otvorem.
2. Přepad
2.1 Teorie
Přepad – fyzikální děj.
Přeliv – těleso, přes které voda
přepadá.
Dělení přepadu:
•
Přepad dokonalý – dolní voda
neovlivňuje přepad.
•
Přepad nedokonalý –
voda ovlivňuje přepad.
dolní
Dělení přelivů dle bočního zúžení:
•
•
Přeliv bez bočního zúžení – šířka přelivu b se rovná šířce přívodního žlabu B; b = B.
Přeliv s bočním zúžením – šířka přelivu b je menší než šířka přívodního žlabu B; b <
B.
Dělení přelivů:
•
Ostrohranné přelivy – tloušťka přelivu
t < 0,66h, přeliv neovlivňuje tvar
přepadového paprsku.
•
Jezové přelivy – obdélníkového průřezu,
lichoběžníkového průřezu,
proudnicového průřezu, atd., tloušťka
přelivu je 0,66h < t < (2 ~ 3)h.
•
Přelivy se širokou korunou – tloušťka
přelivu t > (2 ~ 3)h.
•
Zvláštní přelivy – boční, šachtový, atd.
Přepad vody přes ostrohranný obdélníkový přeliv bez bočního zúžení
Průtok
Q   z m b 2g h3/ 2
Součinitel přepadu (Bazin)
2

 h  
0,003

 
m   0,405
1  0,55
h 
h  s1  




Součinitel zatopení pro nedokonalý přepad
podmínky nedokonalého přepadu
s  hd
H H
 
s  s

.
součinitel zatopení
hz 

 z  1,05 1  0,2 
s 

3
H
h
2.2 Experimentální úloha
Pohled na stanoviště
Postup měření:
a) Dokonalý přepad
• Hrotovým měřidlem odměřte a zaznamenejte úroveň horního dna, přelivné hrany
a úroveň dolního dna.
• Délkovým měřidlem změřte šířku přelivu b [m] a tloušťku stěny přelivu t [m].
• Šoupětem otevřete přítok vody do nádrže s měrným Thomsonovým trojúhelníkovým
přelivem, umístěným na začátku skleněného žlabu.
• Regulací uzávěrem na odtoku nastavte úroveň dolní hladiny tak, aby vznikl přepad
dokonalý.
• Po ustálení pozorovaného jevu (hladiny ve skleněném žlabu) odečtěte výšku
přepadového paprsku ve skleněné trubici spojené s nádrží s měrným Thomsonovým
trojúhelníkovým přelivem.
• Z vykreslené „křivky množství vody pro trojúhelníkový měrný přeliv Thomsonův“,
kde
Q = f(h) odečtěte pro odměřenou výšku přepadového paprsku průtok Q [m3/s].
• Hrotovým měřidlem odměřte úroveň hladiny ve vzdálenosti (3 ~ 5)h proti proudu
před přelivem.
b) Nedokonalý přepad
• Regulací uzávěrem na odtoku nastavte úroveň dolní hladiny tak, aby vznikl přepad
nedokonalý.
• Po ustálení pozorovaného jevu odměřte hrotovým měřidlem úroveň horní a dolní
hladiny.
2.3 Příloha
•
•
•
•
•
•
Boční kontrakce paprsku.
Tvar přepadového paprsku s kontrakcí.
Tvar přepadového paprsku.
Obtékání pilíře – kruh (matematický model).
Obtékání pilíře – čtverec 0° (matematický model).
Obtékání pilíře – čtverec 45° (matematický model).
Boční kontrakce paprsku
Tvar přepadového paprsku s kontrakcí
Tvar přepadového paprsku
Obtékání pilíře - kruh
Vektory rychlostí, tlak, turb.kin.energie
Obtékání pilíře – čtverec 0°
Vektory rychlostí, tlak, turb.kin.energie
Obtékání pilíře –
čtverec 45°
Vektory rychlostí, tlak,
turb.kin.energie