Transcript Laboratorní cvičení 4
Laboratorní cvičení 6
Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Laboratoř vodohospodářského výzkumu Ústavu vodních staveb
Experimentální úlohy laboratorního cvičení 1. Propustek
1.1 Teorie 1.2 Experimentální úloha 1.3 Příloha
2. Proudění podzemní vody o volné hladině
2.1 Teorie 2.2 Experimentální úloha 2.3 Příloha
1. Propustek
1.1 Teorie Propustek je objekt, pomocí kterého se převádí voda skrz násep liniové stavby. Jeho průměr či výška je obvykle do 2 m. Půdorysně je obvykle přímý a s jednotným sklonem.
Nosnou konstrukcí propustků jsou: deska, rám, trouba, klenba, atd.
Stavebním materiálem propustků jsou: beton, kámen, ocel, dřevo, plast, atd.
Půdorysně je propustek k liniové stavbě: kolmý, šikmý.
• • •
Profily propustků: Kruhový – pro vysoké náspy.
Obdélníkový – pro nízké náspy.
A další: čtvercový, parabolický, půlkruhový, atd.
Propustek má na obou koncích zavazovací křídla (rovnoběžná, šikmá, kolmá, atd.).
Voda může proudit oběma směry. Může být hrazený. Ke tlumení energie má vývar.
Z hydraulického hlediska se řeší ztráty místní i ztráty třením po délce.
Dle typu proudění v propustku se rozlišují základní tři případy:
•
Propustky s volnou hladinou po celé délce (s ovlivněným výtokem, s neovlivněným výtokem dolní vodou)
•
Propustky se zatopeným vtokem a volným výtokem (s ovlivněným výtokem, s neovlivněným výtokem dolní vodou)
•
Propustky se zatopeným vtokem i výtokem – tlakové proudění
Vtok: Dle tvaru vtoku vzniká místní ztráta, která je charakterizována sou činitelem místní ztráty ζ, resp. rychlostním součinitelem φ V propustku za vtokem se vytvo ří zúžený proud s výškou h
c
součinitel výškového zúžení. ,
κ
je Poměr převýšení horní hladiny nad horní hranu propustku na mezi zahlcení vtoku udává součinitel zatopení vtoku
β Poř.
č.
1 3 2
Typ vtoku ζ
0,40 – 0,50 0,80 – 0,90 0,70 – 0,80
φ κ
h c
1
a
h k
h D
β
0,85 – 0,82 0,90 0,75 – 0,73 0,86 0,77 – 0,75 0,87 1,20 – 1,16 1,09 – 1,08 1,10 – 1,09
Pro kruhový propustek tvaru 3 se zatopeným vtokem a neovlivněný dolní vodou platí: Úroveň hladiny před vtokem na mezi zahlcení
h
D
1 , 2
D
Zúžená hloubka za vtokem do propustku Zúžená plocha za ostrohranným vtokem do propustku Světlá kapacitní plocha kruhového propustku Rychlost ve zúženém profilu za vtokem do propustku Energetická výška vzdutí před vtokem Podélný sklon dna propustku
h c
h k
0 , 87
h k
0 , 6
D A c
0 , 63
A A v c E i o
D
2 4
Q A c h c n
2 2
g v c
2 2
R v c
2 4 3
Hydraulický poloměr
R
A
/
O
Energetická výška vzdutí naměřená na modelu (případ neovlivnění dolní vodou a zanedbání rychlostní výšky)
E model = kóta hladiny na vtoku - kóta dna propustku na vtokové části
Podélný sklon dna propustku i stanovený měřením na modelu
i
0
h
0 /
l
Kde h
0
je stanoveno jako rozdíl kót dna propustku při daném sklonu
1.2 Experimentální úloha Pohled na stanoviště
Postup měření: Zvolte pr ůtok Q (Q = ( 0,012 – 0,015 ) m
3
/s) a zm ěřte délku propustku l ( l = 1,37 m) a vnit řní průměr propustku D (tj. D = 0,11 m ). Z předdefinovaného rozsahu průtoků vyplývá předpoklad zahlceného vtoku, co ž určuje řešit vtokový profil jako přepad přes širokou korunu.
Vtok je ostrohranný a kruhový, proto počítejte s rychlostním součinitelem
= 0,85, stup něm drsnosti n = 0,01 a součinitelem výškového zúžení
κ = 0,60.
Zm ěřte kótu dna propustku na vtokové i výtokové části a kótu hladiny ( sklon propustku nastavte rektifika čním šroubem ).
Podélný sklon propustku i
o
ur čete ze závislosti i
o
= h / l - kde h je stanoveno jako rozdíl kót dna propustku při daném sklonu.
Vypo čtěte energetickou výšku vzdutí E a ověřte s modelem.
1.3 Příloha Propustek s volným vtokem a volným výtokem Propustek se zatopeným vtokem a zatopeným výtokem Propustek se zatopeným vtokem a volným výtokem Rychlostní pole vtoku do propustku
Propustek s volným vtokem a volným výtokem
Propustek se zatopeným vtokem a zatopeným výtokem
Propustek se zatopeným vtokem a volným výtokem
Rychlostní pole vtoku do propustku
2. Proudění podzemní vody o volné hladině
2.1 Teorie Základní pojmy: Specifický průtok q [m/s] (filtrační rychlost) – průtok jednotkovou plochou; fiktivní rychlost proudění kapaliny plochou zeminy (póry i zrny).
q
Q A
Princip spojitosti jsou realizovány na oblasti spojitě.
– veličiny Princip determinismu –veličiny jsou realizovány s pravděpodobností rovnou určitosti p = 1.
y Q
A p v
d A
A p
v s A p
q A q x x
Filtrační součinitel Vztah mezi průtokem Q [m 3 /s] při rovnoměrném proudění podzemní vody příčným průřezem zeminou A [m 2 ] a sklonem piezometrické výšky i je lineární
Q
k A i
kde součinitelem úměrnosti je hydraulická vodivost (filtrační součinitel) k [m/s]. Rovnici lze přepsat do tvaru
q
k dh dl
k i
Lineární závislost neplatí v pórovitém materiálu s velmi malými zrny a v materiálu s velkými zrny. Meze platnosti určuje Reynoldsovo kritérium Re [-]
Re
kde d
ef
q d ef
[m] je d
10
[m] a
[m 2 /s] je kinematická viskozita.
Jednorozměrné ustálené proudění podzemní vody o volné hladině Dupuitův předpoklad: Skutečné zakřivené equipotenciální plochy aproximujeme svislými plochami.
Integrací rovnice průtoku
Q
A q
k H dH dx
V mezích
H ( x
0
)
H h H ( x
L )
H d
Se získá průtok
k
H H Q
h
2 2
L d
2
Respektive integrací s jednou mezí se získá průběh hloubky
H h y k
Srovnávací rovina
H
H h
2 2
Q kB x 0 L H z q z
= 0 m/s proudnice . . Dupuitova equipotenciální plocha Skutečná equipotenciální plocha
x L H d x
2.2 Experimentální úloha Pohled na experimentální stanoviště
• • • • • •
Pracovní postup: Délkovým měřidlem změřte hloubku horní vody
H h
Délkovým měřidlem změřte hloubku dolní vody
H d
Délkovým měřidlem změřte šířku nádoby
B
Délkovým měřidlem změřte délku vzorku
L
Objemovou metodou stanovte průtok
Q
[m].
[m].
[m].
[m].
[m 3 /s] (objem vody
V
[m 3 ] za čas
t
Pro minimálně 5 bodů na délce vzorku změřte délkovým měřidlem hloubku vody
H i
[m] a jejich vzdálenost od počátku vzorku
L i
[m].
[s].
• • •
Postup výpočtu: Vypočítejte průtok vody
Q
[m 3 /s].
Vypočítejte teoretickou hloubku vody.
Vykreslete do jednoho grafu průběh změřené hloubky vody a vypočítané hloubky vody.
2.3 Příloha