background image

 

Laboratorium z Hydrauliki i Hydrologii – Kierunek Budownictwo inż – sem. V 
Politechnika Gdańska 
Katedra Hydrotechniki 
WILIŚ 
 

 

Analiza przepływu przez przepust o przekroju kołowym (P) 

 

1. Cel ćwiczenia 

Celem  ćwiczenia  jest  analiza  zjawisk  hydraulicznych  występujących  podczas 

przepływu  w  przepuście  oraz  zapoznanie  się  ze  sposobami  wyznaczania  wydatku  przepustu 

kołowego pracującego w warunkach przepływu ze swobodnym zwierciadłem oraz przepływu 

pod ciśnieniem. 

 

2. Wprowadzenie 

Przepust jest przewodem służącym do przeprowadzenia wody przez konstrukcje takie 

jak  np.  drogi,  nasypy  czy  groble.  Przepusty  wykonywane  są  z  różnych  materiałów  (stal, 

beton, tworzywa sztuczne), mają zróżnicowane kształty przekroju poprzecznego (rys. 1) oraz 

zróżnicowane konstrukcje wlotowe (rys. 2).   

 

a)

b)

wylot

wlot

 

 

Rys.1. Przekrój podłużny przepustu (a); podstawowe kształty przekrojów poprzecznych przepustu (b) 

 

W  przepuście  może  wystąpić  przepływ  ze  swobodnym  zwierciadłem  wody  lub 

przepływ pod ciśnieniem na całej długości przepustu, bądź tylko jego części. Jednakże należy 

pamiętać, że przepływ pełnym przekrojem przepustu, czyli przepływ pod ciśnieniem wstępuje 

rzadko  lub  dopuszcza  się  chwilowe  jego  występowanie  np.  podczas  wezbrań.  Charakter 

przepływu  uzależniony  jest  od  warunków  hydraulicznych  panujących  przed  i  za  wylotem 

przepustu  oraz  charakterystyki  przepustu,  czyli  jego  geometrii  i  materiału  z  jakiego  jest 

wykonany.  W  związku  z  występującą  różnorodnością  form  przepływu,  do  obliczania 

background image

 

przepustów  wykorzystuje  się  elementy  teorii  przepływów  w  kanałach  otwartych,  przepływu 

przez  przelewy  oraz  przepływów  pod  ciśnieniem.  Równania  służące  do  obliczenia  wydatku 

lub  świateł  przepustów  wyprowadza  się  z  równania  ciągłości  oraz  z  równania  Bernoulliego 

zapisanego  dla  odpowiednich  przekrojów  obliczeniowych.  Jeden  z  przekrojów  znajduje  się 

zawsze przed wlotem do przepustu w takiej odległości,  aby przekrój ten  był poza zasięgiem 

lokalnego ugięcia zwierciadła wody. Natomiast lokalizacja drugiego, tzw. dolnego przekroju 

kontrolnego  (DPK)  zależy  od  warunków  przepływu  i  może  znajdować  się  w  pobliżu  wlotu 

(rys. 3) lub wylotu przepustu (rys. 6). 

 

a)

b)

c)

d)

Θ

L

P

 

Rys.2. Podstawowe konstrukcje wlotów: prostopadły (a); rurowy nieobudowany (b); kołnierzowy (c);  

ze skrzydłami (d)  

 
W  obliczeniach  przepustów  można  wyróżnić  następujące  podstawowe  układy 

hydrauliczne:  

- przepływ ze swobodną powierzchnią, niezatopiony wlot i wylot (ruch spokojny oraz rwący), 

- przepływ ze swobodną powierzchnią, zatopiony wlot i niezatopiony wylot, 

- przepływ pod ciśnieniem, zatopiony wlot (zatopiony lub niezatopiony wylot). 

 

 

2.1. Przepływ ze swobodną powierzcnhią wody, niezatopiony wlot i wylot 

2.1.1 Przypadek ruchu rwącego 

Przepływ  ze  swobodną  powierzchnią  może  wystąpić,  gdy  spełnione  są  następujące 

warunki niezatopienia wlotu oraz wylotu (Bodhaine, 1976): 

 

H /< 1.5,       h

d

 < h

kr

 

(1a,b) 

 
gdzie:  H – głębokość wody przed wlotem do przepustu (nad dnem wlotu), 

background image

 

– wysokość przepustu, 

h

d

 – głębokość wody dolnej (nad dnem wylotu), 

h

kr

 – głębokość krytyczna. 

 

W przypadku przepływu ze swobodną powierzchnią przed przepustem występuje przeważnie 

ruch spokojny (liczba Froude’a  Fr < 1, h > h

kr

). W wyniku przewężenia strumienia na wlocie 

przepustu  następuje  wzrost  prędkości  oraz  wartości  liczby  Froude’a  przy  jednoczesnym 

zmniejszeniu  głębokości  wody  h  (rys.  3).  W  efekcie  następuje  stopniowe  przejście  od  ruchu 

spokojnego  do  ruchu  rwącego.  Takie  przejście  jest  możliwe  jeśli  spadek  przepustu  i

0

  jest 

większy od spadku krytycznego i

kr

 

i

0

 > i

kr

   

(2) 

 

Wówczas zakłada się, że głębokość krytyczna h

kr

 występuje w pobliżu przekroju wlotowego, 

który  staje  się  jednocześnie  dolnym  przekrojem  kontrolnym  (DPK),  a  w  samym  przepuście 

występuje przepływ rwący (Fr > 1, h < h

kr

). W takim układzie warunki hydrauliczne panujące 

na  wylocie  przepustu  nie  mają  wpływu  na  zjawiska  zachodzące  w  samym  przepuście, 

ponieważ  żadne  zaburzenie  (np.  zmiana  głębokości  na  wylocie  h

d

  w  odpowiednim  zakresie) 

nie może przenosić się w kierunku wlotu. Wynika to z faktu, że średnia prędkość przepływu 

wody w przepuście V jest większa od prędkości rozchodzenia się zburzenia c, co potwierdza 

także wartość liczby Froude’a dla ruchu rwącego: 

 

sr

gh

V

c

V

Fr

=

=

  

(3) 

 
gdzie:  g – przyspieszenie ziemskie. 

 

h

kr

H

h

hd

1

pp

V

2

i

i

kr

V

1

2

DPK

D

Rys. 3. Hydrauliczne warunki pracy przepustu ze swobodnym zwierciadłem o niezatopionym wlocie i wylocie w 

przypadku ruchu rwącego (DPK – dolny przekrój kontrolny, pp – poziom porównawczy) 

background image

 

Dla  takiego  schematu  natężenie  przepływu  Q  oblicza  się  jak  w  przypadku 

niezatopionego  przelewu  o  szerokiej  koronie  z  założeniem  warunków  ruchu  krytycznego 

(Fr=1).  Równanie  Bernoulliego  zapisane  dla  dwóch  przekrojów  poprzecznych  strumienia  - 

przekróju 1 przed wlotem oraz przekroju 2 na wlocie (z pominięciem strat energii) przyjmuje 

następującą postać:  

 

2

2

1

2

2

2

kr

V

V

H

h

g

g

+

=

+

 

(4) 

 
gdzie:  V

1

 - średnia prędkość w przekroju przed wlotem, 

V

2

 – średnia prędkość w przekroju w pobliżu wlotu równa prędkości krytycznej V

kr

.  

 
Po  przekształceniu  równania  (4),  wykorzystaniu  równania  ciągłości  (Q  =  V

kr

A

kr

)  oraz 

uwzględnieniu  strat  energii  mechanicznej  na  wlocie  ostatecznie  otrzymujemy  formułę  na 

obliczenie wydatku: 

 

2

1

2

2

N

kr

kr

V

Q

A

g H

h

g

µ

=

+

 

(5) 

 
gdzie:  

µ

N

  

– współczynnik wydatku przepustu, 

A

kr

  –  pole  przekroju  poprzecznego  przy  napełnieniu  odpowiadającym  głębokości 

krytycznej. 

 
Współczynnik  wydatku 

µ

N

  uwzględnia  straty  energii  mechanicznej  w  obrębie  wlotu 

spowodowane  zawirowaniami  oraz  kontrakcją  (dławieniem)  strumienia.  Wartość 

współczynnika 

µ

N

 zależy przede wszystkim od geometrii przepustu, konstrukcji wlotu oraz od 

napełnienia  kanału  H  przed  wlotem  odniesionego  do  wysokości  przepustu  D.  Na  rysunku  4 

przedstawiono  wartości  współczynnika  wydatku  dla  przekroju  kołowego  w  zależności  od 

parametru  H/D.  Dla  przekroju  prostokątnego  współczynnik  ten  uzależnia  się  od  liczby 

Froude’a.  W  przyjętym  schemacie  obliczeniowym  przepustu  zakłada  się  warunki  ruchu 

krytycznego (Fr = 1), w związku z tym można przyjąć stałą wartość współczynnika wydatku 

µ

N

 

0.95 dla przekroju prostokątnego (Bodhaine, 1976).    

 

background image

 

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

H/D

0.8

0.85

0.9

0.95

µ

N

 

Rys. 4. Współczynnik wydatku przepustu o przekroju kołowym - przepływ ze swobodnym zwierciadłem, 

niezatopiony wlot i wylot, = 0.80 (Bodhaine, 1976) 

 

Wartości współczynnika wydatku 

µ

N

 przedstawione na rysunku 4 odpowiadają przypadkowi, 

gdy współczynnik przekroju kanału zdefiniowany następująco: 

 

0

1

A

k

A

= −

 

(6) 

 
gdzie:  A – pole przekroju czynnego w przepuście, 

 

A

0

 – pole przekroju czynnego w kanale, 

 
przyjmuje  wartość  k  =  0.80.  Dla  innych  wartości  parametru  k  należy  skorygować 

współczynnik wydatku według formuły: 

 

(

)

0.98

0.98

0.80

N

k

N

k

µ

µ

=

 

(7) 

 

W  praktyce  prędkość  dopływającej  wody  V

1

  jest  nieduża,  tak  więc  wysokość 

prędkości  przed  wlotem  V

1

2

/2g  można  pominąć.  Jeśli  dodatkowo  przyjmiemy  przekrój 

prostokątny przepustu (A

kr

 = h

kr

B

kr

) oraz założymy warunki ruchu krytycznego (h

kr

 = 2/3H), 

to wówczas równanie (5) możemy sprowadzić do następującej postaci: 

 

3/ 2

2

kr

Q

m B

g H

= ⋅

 

(8) 

 

gdzie:  – współczynnik wydatku przepustu, 

2

3 3

N

m

µ

=

background image

 

B

kr

 – szerokość zwierciadła w przepuście odpowiadająca głębokości krytycznej. 

 
Szerokość  zwierciadła  B

kr

  w  przepustach  o  kształcie  prostokątnym  równa  jest  oczywiście 

szerokości  przepustu,  natomiast  dla  innych  kształtów  przekroju  szerokość  ta  jest  funkcją 

napełnienia  przepustu.  Należy  także  pamiętać,  że  wzór  (8)  został  wyprowadzony  przede 

wszystkim  dla  przepustów  o  prostokątnym  kształcie  przekroju.  W  przypadku  innych 

kształtów  należy  stosować  formułę  (5),  w  której  natężenie  przepływu  powiązane  jest  z 

geometrią  przepustu  poprzez  pole  przekroju  czynnego  A

kr

  wyznaczone  dla  głębokości 

krytycznej.  

Parametry  A

kr

  oraz  h

dla  danego  natężenia  przepływu  można  wyznaczyć  posługując 

się równaniem ruchu krytycznego w postaci: 

 

3

2

kr

kr

A

Q

B

g

α

=

 

(9) 

 
gdzie:  

α

 - współczynnik de Sain-Venanta (dla koryt otwartych 

α

  = 1.0 – 1.15).

 

W  przypadku  przekroju  kołowego  o  średnicy  D  parametry  takie  jak  pole  przekroju 

czynnego, obwodu zwilżonego, szerokości oraz głębokości zależą zarówno od średnicy jak i 

od kąta środkowego β wyznaczonego poprzez położenie zwierciadła wody (rys. 5).  

 

B

kr

h

kr

D

β

kr

 

 

Rys. 5. Głębokość krytyczna oraz  szerokość zwierciadła wody w przepuście o przekroju kołowym 

 
W  związku  z  tym,  aby  wyznaczyć  parametry  ruchu  krytycznego  w  pierwszej  kolejności 

należy rozwiązać następujące równanie: 

 

(

)

5

2

3

512

2

kr

kr

kr

D

Q

sin

sin

g

β

α

β

β

=

 

(10) 

 

background image

 

w którym niewiadomą jest kąt środkowy β

kr

 (wyrażony w mierze łukowej) przy przepływie z 

głębokością krytyczną. Równanie powyższe jest równaniem ruchu krytycznego dla przekroju 

kołowego.  Ze  względu  na  nieliniowość  równania  (10)  wyznaczenie  kąta  β

kr

  w  sposób 

bezpośredni nie jest możliwe. Wartość tego kąta można określić tylko w sposób przybliżony 

wykorzystując  odpowiednią  metodę  numeryczną  służącą  do  rozwiązania  równań 

nieliniowych  (np.  metodę  Newtona)  lub  posługując  się  metodą  kolejnych  przybliżeń. 

Obliczona  wartość  kąta  środkowego  β

kr

  pozwala  na  wyznaczenie  pozostałych  parametrów 

ruchu krytycznego: 

- głębokości krytycznej h

kr

1 cos

2

2

kr

kr

D

h

β

=

 

(11) 

 
- szerokości zwierciadła wody B

kr

2

kr

kr

B

D sin

β

= ⋅

 

(12) 

 
- pola przekroju czynnego A

kr

(

)

2

8

kr

kr

kr

D

A

sin

β

β

=

 

(13) 

 
- obwodu zwilżonego: 

2

z kr

kr

D

O

β

=

 

(14) 

 

 

2.1.2 Przypadek ruchu spokojnego 

Przepływ  w  przepuście  ze  swobodnym  zwierciadłem  dla  ruchu  spokojnego  (Fr  <  1, 

h>h

kr

) występuje wtedy, gdy spełnione są warunki niezatopienia wlotu (1a) i wylotu (1b) oraz 

gdy dodatkowo spadek przepustu i

0

 jest mniejszy od spadku krytycznego i

kr

:  

 

i

0

 < i

kr

   

(15) 

 
Jeśli powyższe warunki są spełnione, to zakłada się że głębokość krytyczna h

kr

 występuje w 

pobliżu  przekroju  wylotowego  (rys.  6a).  Podczas  analizy  przepływu  spokojnego  przez 

background image

 

przepust  należy  jeszcze  wyróżnić  sytuację  gdy  wylot  jest  niezatopiony,  ale  głębokość  wody 

jest większa od głębokości krytycznej, tzn: 

 

D > h

d

 > h

kr

   

(16) 

 
Profil  zwierciadła  wody  wytworzony  dla  takich  warunków  przedstawia  rysunek  6b.

 

h

kr

H

h

hd

z

1

3

pp

i

 i

kr

<

V

3

2

DPK

V

1

h

kr

H

h

hd

z

1

3

pp

V

3

V

1

2

DPK

a)

b)

D

D

i

 i

kr

<

i

 i

kr

>

 

 

Rys. 6. Hydrauliczne warunki pracy przepustu ze swobodnym zwierciadłem o niezatopionym wlocie i wylocie w 

przypadku ruchu spokojnego: a) h

d

 h

kr

; b) h

d

 > h

kr

 

 

 
W  przepływie  spokojnym  na  zdolność  przepustową  mają  wpływ  warunki  panujące  zarówno 

przed wlotem jak i za wylotem przepustu. W związku z tym dolny przekrój kontrolny (DPK) 

znajduje się w pobliżu wylotu przepustu (rys. 6), co należy odpowiednio uwzględnić podczas 

zapisu równania Bernoulliego:  

 

2

2

3

1

2

2

d

L

V

V

z

H

h

h

g

g

+ +

= +

+

 

(17) 

 
gdzie:  – wysokość położenia dna przepustu na wlocie ponad poziom dna przepustu na 

                 wylocie,

0

z

i L

= ⋅

, 

– długość przepustu, 

background image

 

i

0

 – spadek przepustu, 

V

3

 – średnia prędkość w przekroju na wylocie, 

h

d

 – głębokość wody w przekroju na wylocie, 

h

L

 – wysokość strat energii na długości. 

 
Wysokość  strat  energii  na  długości  h

L

  można  wyznaczyć  wykorzystując  przekształcone 

równanie Manninga: 

 

2

2

4/3

2

L

n

L Q

h

R

A

⋅ ⋅

=

 

(18) 

 
gdzie:  – współczynnik szorstkości według Manninga charakteryzujący rodzaj powierzchni, 

 

– promień hydrauliczny określony według relacji: 

 

z

A

R

O

=

 

(19) 

 
w  którym  A  jest  przekrojem  czynnym,  a  O

z

  jest  obwodem  zwilżonym.  Dla  przepustu 

hydraulicznie krótkiego,  tzn. gdy spełniony jest  warunek < 20D (Kubrak i Kubrak, 2004), 

straty  energii  na  długości  h

L

  można  pominąć.  W  innym  przypadku  straty  te  powinno  się 

uwzględnić.  

Wykorzystanie przekształconego równania Bernoulliego (17) i uwzględnienie strat na 

wlocie oraz kontrakcji strumienia poprzez współczynnik wydatku 

µ

N

 ostatecznie prowadzi do 

następującej formuły na natężenie przepływu:  

 

2

1

2

2

N

d

d

L

V

Q

A

g H

z

h

h

g

µ

=

⋅ ⋅

+ +

− −

 

(20) 

 
gdzie:  A

d

 -  pole przekroju poprzecznego przy napełnieniu odpowiadającym głębokości h

d

   
Jeśli spełnione są warunki (1b) oraz (15), tzn. głębokość krytyczna wystąpi w pobliżu wylotu 

przepustu,  to  wówczas  możemy  przyjąć,  że  głębokość  wody  na  wylocie  h

d

  równa  jest 

głębokości krytycznej h

kr

, co prowadzi także do relacji A

d

 = A

kr

 

 

 

background image

 

10 

2.2 Przepływ ze swobodnym zwierciadłem wody, zatopiony wlot i niezatopiony wylot 

Wlot  przepustu  uważa  się  zatopiony,  gdy  spełniony  jest  następujący  warunek 

(Bodhaine, 1976):  

 

H/D > 1.5 

(21) 

 
Zatopienie  wlotu  nie  musi  oznaczać,  że  przepust  na  całej  długości  będzie  całkowicie 

wypełniony  wodą.  Jeśli  wlot  jest  zatopiony  oraz  dodatkowo  spełniony  jest  następujący 

warunek niezatopienia wylotu: 

 

h

d

 

(22) 

 
to w przepuście również wystąpi przepływ ze swobodną powierzchnią (rys. 7).  

 

h

kr

H

D

h

d

1

pp

V

2

V

1

2

DPK

h

2

h

Rys. 7. Hydrauliczne warunki pracy przepustu ze swobodnym zwierciadłem o zatopionym wlocie i 

niezatopionym wylocie.

 

Analogicznie  jak  w  przypadku  niezatopionego  wlotu,  tak  i  tutaj  na  skutek  kontrakcji 

strumienia  na  wlocie  do  przepustu  następuje  gwałtowny  wzrost  prędkości  przepływu  przy 

jednoczesnym  zmniejszeniu  głębokości  wody  do  wartości  poniżej  głębokości  krytycznej  w 

przepuście.  W  związku  z  tym  dolny  przekrój  obliczeniowy  (DPK)  znajduje  się  w  pobliżu 

wlotu  do  przepustu.  W  takim  układzie  natężenie  przepływu  Q  można  określać  jak  dla  tzw. 

wypływu  niezatopionego  spod  zasuwy,  a  równanie  Bernoulliego  (zapisane  z  pominięciem 

strat energii) przyjmuje następującą postać: 

 

2

2

1

2

2

2

2

V

V

H

h

g

g

+

= +

 

(23) 

 
Wartość  głębokości  h

2

  zależy  od  dławienia  (kontrakcji)  strumienia  na  wlocie,  co  można 

zapisać za pomocą relacji: 

background image

 

11 

2

h

D

ε

= ⋅

 

(24) 

 
w  której 

ε

  jest  współczynnikiem  kontrakcji  zależnym  od  stosunku  głębokości  wody  przed 

wlotem H do wysokości przepustu (Tabela 1). Pomijając wysokość prędkości wody przed 

wlotem  i  uwzględniając  straty  energii  możemy  zapisać  następującą  formułę  na  wydatek 

przepustu:  

 

  

(

)

0

2

Q

A

g H

D

µ

ε

= ⋅

− ⋅

 

(25) 

 
gdzie: 

µ

 - współczynnik wydatku przepustu zależny od typu konstrukcji wlotowej, przyjmuje 

wartości 

µ

 =0.58 - 0.70 (Kubrak i Kubrak, 2004),  

A

0

 – pole przekroju porzecznego przepustu (przy pełnym napełnieniu). 

 
W  obliczeniach  dla  takiego  układu  zamiast  formuły  (25)  często  stosuje  się  wzory  z  jednym 

parametrem, uwzględniającym globalnie kontrakcję oraz straty lokalne na wlocie. Wzór tego 

typu można zapisać następująco: 

 

0

2

z

Q

A

g H

µ

=

⋅ ⋅

 

(26) 

 
gdzie:  µ

Z

 – współczynnik wydatku przepustu, którego wartość zależy od stosunku głębokości 

H do wysokości przepustu D (Tabela 2). 

 

Tabela 1   

Wartości współczynnika dławienia 

ε

 w zależności od parametru H/D (Sobota, 1994) 

H/D 

10.0 

5.0 

3.3 

2.5 

2.0 

1.8 

1.7 

1.4 

1.3 

εεεε

 

0.615 

0.620 

0.625 

0.630 

0.645 

0.650 

0.660 

0.690 

0.705 

 

Tabela 2   

Wartości współczynnika wydatku µ

Z

 dla przekroju kołowego i prostokątnego w zależności od parametru H/D 

(Bodhaine, 1976) 

H/D 

1.5 

1.6 

1.7 

1.8 

1.9 

2.0 

2.5 

3.0 

3.5 

5.0 

µ

Z

 

0.46 

0.47 

0.48 

0.49 

0.50 

0.51 

0.54 

0.55 

0.57 

0.59 

 

 

 

background image

 

12 

2.3. Przepływ pod ciśnieniem 

Przepływ  pod  ciśnieniem  występuje  wtedy,  gdy  przekrój  poprzeczny  całkowicie 

wypełniony jest wodą. W takim przypadku wlot przepustu jest zawsze zatopiony. Przyjmując 

odpowiednie  kryterium  na  zatopienie  wlotu  należy  tutaj  dodatkowo  uwzględnić  zatopienie 

bądź  niezatopienie  wylotu  przepustu.  Zakłada  się,  że  wlot  do  przepustu  jest  zatopiony  jeśli 

spełniony jest następujący warunek (Bodhaine, 1976):  

 

H/D > 1.0 

(27) 

 
dla przypadku wylotu zatopionego (rys. 8a) 

 

h

d

 > 

(28) 

 
Natomiast gdy wylot jest  niezatopiony (rys. 8b) 

 

h

d

 < 

(29) 

 
to należy stosować kryterium na zatopienie wlotu w postaci relacji (21), czyli: 

 

H/D > 1.5 

(30) 

 
Natężenie  przepływu  w  takim  układzie  hydraulicznym  wyznaczamy  jak  dla  przewodu 

zamkniętego,  tzn.  pracującego  pod  ciśnieniem.  Równanie  Bernoulliego  dla  strumienia 

przechodzącego  przez  przekrój  1  przed  wlotem  oraz  przekrój  3  za  wylotem  (rys.  8)  ma 

następującą postać: 

 

L

d

h

h

g

V

h

g

V

H

z

+

+

+

=

+

+

ζ

2

2

2

3

2

1

 

(31) 

 
gdzie:  V

1

 – średnia prędkość w przekroju przed wlotem, 

V

3

 – średnia prędkość w przekroju za wylotem, 

h

d

 – głębokość wody za wylotem, 

h

L

 – wysokość strat energii na długości przepustu, 

h

ζ

 

– całkowita wysokość strat lokalnych (miejscowych). 

 

background image

 

13 

a)

b)

V

3

H

D

h

d

z

1

pp

V

1

3

DPK

V

3

H

D

h

d

z

1

pp

V

1

3

DPK

 

 

Rys. 8. Hydrauliczne warunki pracy przepustu działającego pod ciśnieniem o zatopionym wlocie oraz a) 

zatopionym wylocie; b) niezatopionym wylocie. 

 
Wysokość strat na długości h

L

 można wyznaczyć na podstawie równania (18). Straty lokalne 

uwzględnia  się  w  obrębie  wlotu  oraz  wylotu  przepustu.  Wysokość  strat  na  wlocie,  gdzie 

występują  zawirowania  i  miejscowy  znaczny  wzrost  prędkości,  wyznacza  się  na  podstawie 

następującej formuły:   

 

2

1

1

2

V

h

g

ζ

ζ

=

 

(32) 

 
gdzie: 

ζ

1

 - współczynnik strat lokalnych zależny od rodzaju wlotu (wloty opływowe 

ζ

1

 = 0.2; 

wloty kołnierzowe 

ζ

1

 = 0.33; bez konstrukcji wlotowej 

ζ

1

 = 0.55 (Kubrak i Kubrak, 

2004).  

 
Natomiast  straty  na  wylocie  wynikające  m.in.  z  nagłego  rozszerzenia  przekroju  można 

oszacować na podstawie następującej relacji:  

 

(

)

2

3

3

2

V

V

h

g

ζ

=

 

(33) 

 

background image

 

14 

gdzie:  V – prędkość wody w przepuście.  

 

Ponieważ zwykle prędkość w przepuście V jest znacznie większa od prędkości V

V

3

 

(V  >>  V

i  V

3

),  w  związku  z  tym  można  pominąć  wysokość  prędkości  przed  wlotem  i  za 

wylotem.  Wykorzystanie  tego  założenia  oraz  relacji  (32)  i  (33)  umożliwia  ostatecznie 

wyznaczenie natężenia przepływu dla przewodu będącego pod ciśnieniem: 

 

(

)

0

1

1

2

1

d

L

Q

A

g H

z

h

h

ζ

=

+ − −

+

 

(34) 

 
Wysokość  strat  lokalnych  na  wlocie  i  wylocie  uwzględnia  się  zazwyczaj  poprzez 

współczynnik wydatku i wówczas odpowiednia formuła przyjmuje postać: 

 

(

)

0

2

P

d

L

Q

A

g H

z

h

h

µ

=

⋅ ⋅

+ − −

 

(35) 

 
gdzie:   A

0

 – pole przekroju porzecznego przepustu, 

µ

P

 – współczynnik wydatku przepustu. 

 

Wartość współczynnika wydatku µ

P

 zmienia się w granicach od 0.84 do 0.98 i można 

go uzależnić od stopnia zaokrąglenia krawędzi wlotowej r przepustu (rys. 9) odniesionego do 

jego wysokości D (Tabela 3). W przypadku wylotu niezatopionego (rys. 8b) jeśli nie znamy 

głębokości h

d

, to za wartość tą można przyjąć wysokość przepustu D (h

d

 = D).  

 

D

r

 

Rys. 9. Zaokrąglona krawędź wlotowa przepustu 

 

Tabela 3 

Wartości współczynnika wydatku µ

dla przekroju kołowego i prostokątnego w zależności od parametru r/D 

(Bodhaine, 1976) 

r/D 

0.0 

0.02 

0.04 

0.06 

0.08 

0.10 

0.12 

µµµµ

p

 

0.84 

0.88 

0.91 

0.94 

0.96 

0.97 

0.98 

 

background image

 

15 

W  przypadku  przepustów  (dotyczy  wszystkich  schematów  hydraulicznych),  których 

wloty wychodzą poza obrys ściany lub skarpy (wlot rurowy nieobudowany (rys. 2b)) należy 

dokonać korekty współczynnika wydatku

.

 w następujący sposób: 

k

L

k

µ

µ

= ⋅

 

(36) 

 
gdzie: 

µ

k

 – skorygowany współczynnik wydatku, 

µ

 – współczynnik wydatku (

µ

N

µ

Z

 lub 

µ

p

), 

k

L

  –  parametr  zależny  od  stosunku  długości  wystającej  części  przepustu  L

p

  do  jego 

wysokości D

 (tabela 4). 

 

Tabela 4 

Wartości parametru k

L

 w zależności od wartości L

P

/D dla przepustu z wlotem rurowym nieobudowanym 

(Bodhaine, 1976).

 

L

P

/D  0.00 

0.01 

0.02 

0.04 

0.06 

0.08 

0.1 

0.2 

0.4 

0.8 

1.0 

k

1.00 

0.99 

0.98 

0.97 

0.95 

0.94 

0.92 

0.92 

0.91 

0.90 

0.90 

 

W  tabeli  5  zestawiono  podstawowe  schematy  hydrauliczne  wraz  z  kryteriami  jakie 

muszą być spełnione, aby dany schemat można było przyjąć do obliczeń.  

 

Tabela 5 

Zestawienie schematów hydraulicznych wraz z kryteriami oraz formułami na wyznaczenie wydatku przepustu 

Schemat hydrauliczny 

Kryterium 

DPK

 

Formuła  

H/D < 1.5 

h

d

 < h

kr 

i

0

 > i

kr 

wlot 

 

2

1

2

2

N

kr

kr

V

Q

A

g H

h

g

µ

=

+

 

H/D < 1.5 

h

d

 < h

kr 

i

0

 < i

kr

 

wylot 

2

1

2

2

N

kr

kr

L

V

Q

A

g H

z

h

h

g

µ

=

+ +

 

Niezatopiony 

wlot i wylot 

H/D < 1.5 

D > h

d

 > h

kr 

wylot 

2

1

2

2

N

d

d

L

V

Q

A

g H

z

h

h

g

µ

=

+ +

− −

 

P

rz

ep

ły

w

 z

sw

o

b

o

d

n

ą

 

p

o

w

ie

rz

ch

n

 

Zatopiony 

wlot 

H/D > 1.5 

h

d

 < h 

wlot 

0

2

Z

Q

A

g H

µ

= ⋅

 

Zatopiony 

wlot i wylot 

H/D > 1.0 

h

d

 > D 

wylot 

(

)

0

2

P

d

L

Q

A

g H

z

h

h

µ

=

+ − −

 

P

rz

ep

ły

w

 p

o

d

 

ci

śn

ie

n

ie

m

 

Zatopiony 

wlot oraz 

niezatopiony 

wylot 

H/D > 1.5 

h

d

 < D 

wylot 

(

)

0

2

P

L

Q

A

g H

z

D

h

µ

=

+ − −

 

DPK – dolny przekrój kontrolny 

 

background image

 

16 

W  celu  wyznaczenia  spadku  krytycznego  i

kr

  można  posłużyć  się  przekształconym 

równaniem Manninga zapisanym w następującej formie: 

2

2

4/3

2

kr

kr

kr

n Q

i

R

A

=

 

(37) 

3. Opis stanowiska badawczego 

Stanowisko badawcze składa się z przepustu o przekroju kołowym, który umieszczony 

jest  w  kanale  o  przekroju  prostokątnym.  Schemat  stanowiska  przedstawiono  na  rysunku  10. 

Przepust ma możliwość regulowania nachylenia (spadku) za pomocą odpowiedniego uchwytu 

zainstalowanego  w  pobliżu  wylotu  przepustu.

  Woda  do  kanału  doprowadzana  jest 

rurociągiem,  który  wyposażony  jest  w  zasuwę  pozwalającą  na  regulowanie  natężenie 

przepływu  (wydatku).  Kanał  zakończony  jest  ruchomą  klapą,  która  umożliwia  podpiętrzenie 

wody  w  celu  zatopienia  wylotu  z  przepustu.  Woda  z  kanału  odprowadzana  jest  poprzez 

skrzynię  przelewową  wyposażoną  w  przelew  pomiarowy  typu  Thomsona,  który  służy  do 

pomiaru natężenia przepływu wody przepływającej przez kanał oraz przepust. Pomiar układu 

zwierciadła wody jest wykonywany za pomocą szpilek wodowskazowych znajdujących się na 

ruchomym wózku.   

 

L = 205 cm

dno kanału

D

R

D

poziom maksymalnego 

napełnienia kanału

R

WG

R

z1

R

z2

R

WD

H

h

d

przepust

profil zw. wody

A

A

D

A-A

e

regulacja spadku

D

zew

 

Rys.10. Schemat stanowiska pomiarowego. 

 

background image

 

17 

4. Wykonanie ćwiczenia 

W ćwiczeniu należy kolejno zbadać trzy podstawowe układy hydrauliczne: 

I. Przepływ ze swobodnym zwierciadłem, niezatopiony wlot i wylot przepustu 

1)  Zmierzyć  średnicę  zewnętrzną  D

zew

  i  wewnętrzną  D  przepustu  oraz  ustawić  odpowiedni 

spadek  przepustu  i  (wartość  zadana  przez  prowadzącego).  Pomierzyć  rzędną  dna  kanału  R

D

 

oraz  rzędne  przepustu  R

z1

  oraz  R

z2

  w  dwóch  skrajnych  przekrojach  w  celu  precyzyjnego 

określenia spadku przepustu i;

 

2)  Za  pomocą  zasuwy  ustawić  natężenie  przepływu  tak,  aby  wlot  i  wylot  przepustu  były 

niezatopione  (odpowiednio  warunek  H/D 

  1.5  oraz  h

d

 

<  D).  Po  ustaleniu  się  przepływu 

zmierzyć  rzeczywiste  natężenie  przepływu  Q

rzecz 

za  pomocą  przelewu  Thomsona  (patrz 

rozdział II/4 w pracy [1]); 

3) Za pomocą szpilki wodowskazowej pomierzyć rzędną zwierciadła wody przed wlotem R

WG

 

i za wylotem przepustu R

WD

. Pomiar przed wlotem wykonać w odległości co najmniej 3D od 

wlotu; 

4)  Czynności  z  punktów  od  2)  do  3)  powtórzyć  trzykrotnie  dla  coraz  większych  natężeń 

przepływu z zachowaniem warunku niezatopionego wlotu H/D 

 1.5. Wyniki pomiarów wraz 

z ewentualnymi uwagami zanotować w tabeli 6;  

5)  Dla  jednego  z  wydatków  pomierzyć  profil  podłużny  zwierciadła  wody  w  przepuście. 

Wyniki  pomiarów  oraz  obserwacji  dotyczące  np.  powstania  odskoku  hydraulicznego  lub 

innych struktur hydraulicznych zanotować w tabeli 7. 

II. Zatopiony wlot i niezatopiony wylot przepustu 

1) Za pomocą zasuwy ustawić natężenie przepływu tak aby wlot przepustu był zatopiony, tzn. 

głębokość  spiętrzonej  wody  przed  wlotem  H  (w  odniesieniu  do  dna  przepustu)  spełniała 

warunek  H/D 

  1.5.  Po  ustaleniu  się  przepływu  zmierzyć  rzeczywiste  natężenie  przepływu 

Q

rzecz

 

za pomocą przelewu Thomsona; 

2) za pomocą szpilki wodowskazowej pomierzyć rzędną zwierciadła wody przed wlotem R

WG

 

i za wylotem przepustu R

WD

3)  Czynności  z  punktów  od  1)  do  2)  powtórzyć  trzykrotnie  dla  coraz  większych  natężeń 

przepływu z zachowaniem warunku zatopionego wlotu H/D 

 1.5. Wyniki pomiarów wraz z 

ewentualnymi uwagami zanotować w tabeli 6;  

4)  Dla  jednego  z  wydatków  pomierzyć  profil  zwierciadła  wody  w  przepuście.  Wyniki 

pomiarów  oraz  obserwacji  dotyczące  np.  powstania  odskoku  hydraulicznego  lub  innych 

struktur hydraulicznych zanotować w tabeli 8;  

background image

 

18 

III. Przepływ pod ciśnieniem, zatopiony wlot i wylot 

1)  Za  pomocą  zasuwy  regulującej  natężenie  przepływu  oraz  klapy  znajdującej  się  na  końcu 

kanału  ustawić  takie  warunki  przepływu,  aby  wlot  i  wylot  przepustu  były  zatopione.  Po 

ustaleniu się przepływu zmierzyć rzeczywiste natężenie przepływu Q

rzecz

 za pomocą przelewu 

Thomsona; 

2) Za pomocą szpilki wodowskazowej pomierzyć rzędną zwierciadła wody przed wlotem R

WG

 

i za wylotem przepustu R

WD

3)  Czynności  z  punktów  od  1)  do  2)  powtórzyć  trzykrotnie  dla  coraz  większych  natężeń 

przepływu. Wyniki pomiarów zanotować w tabeli 6;  

 

5. Opracowanie wyników pomiarów 

Na podstawie wyników doświadczenia należy: 

1) Obliczyć spadek przepustu i wykorzystując równanie: 

 

1

2

100%

z

z

R

R

i

L

=

 

(38) 

 
gdzie:  R

z1

 – rzędna przepustu w przekroju wlotowym (rys. 10), 

R

z2

 

– rzędna przepustu w przekroju wylotowym, 

L

 – długość przepustu. 

 

2)  Obliczyć  głębokość  wody  przed  wlotem  H  oraz  głębokość  wody  za  wylotem  h

d

  według 

relacji: 

 

1

WG

z

H

R

R

D

e

=

+ +

,    

2

d

WD

z

h

R

R

D

e

=

+ +

 

(39a,b) 

 
gdzie:  R

WG

 – rzędna wody górnej przed wlotem,  

R

WD

 - rzędna wody dolnej za wylotem, 

R

z1

 

– rzędna przepustu w przekroju wlotowym, 

R

z2

 - rzędna przepustu w przekroju wylotowym,                                        

 

D

 – średnica wewnętrzna przepustu (rys. 10), 

– grubość ścianki przepustu. 

 

3)  Określić  schemat  hydrauliczny  w  jakim  pracuje  przepust  poprzez  sprawdzenie 

odpowiednich kryteriów (tabela 5) oraz zapisać wyniki w tabeli 6; 

background image

 

19 

4) Dla każdego wydatku rzeczywistego Q

rzecz

 obliczyć wydatek przepustu Q według formuły 

odpowiadającej danemu schematowi hydraulicznemu (równania (5), (20), (26) lub (35)); 

5) Obliczyć błąd względny wyznaczenia wydatku według formuły: 

 

100%

rzecz

rzecz

Q

Q

Q

Q

∆ =

   

(40) 

 
gdzie: Q

rzecz

 - wydatek rzeczywisty pomierzony za pomocą przelewu Thomsona, 

Q

 – wydatek obliczony.  

 

6) Na podstawie wyników zawartych w tabelach 6 i 7 narysować profil zwierciadła oraz linię 

głębokości krytycznych. Głębokość krytyczną obliczyć na podstawie równania (11). Rysunki 

wykonać w odpowiedniej skali; 

 

6. Zawartość sprawozdania 

Sprawozdanie powinno zawierać: 

1) krótkie wprowadzenie teoretyczne; 

2) szkic stanowiska doświadczalnego; 

3) przykłady obliczeniowe; 

4) tabele pomiarów i obliczeń; 

5)  rysunki  profilu  zwierciadła  wody  dla  przepływu  ze  swobodnym  zwierciadłem  wody  dla 

schematu  z  niezatopionym  wlotem  i  wylotem  oraz  dla  schematu  z  zatopionym  wlotem  i 

niezatopionym wylotem, na rysunkach zaznaczyć głębokość krytyczną; 

6) wnioski zawierające komentarz dotyczący uzyskanych wyników. 

 

7. Przydatne informacje do wykonania ćwiczenia 

Współczynniki  oporów  lokalnych  oraz  oporów  liniowych  przy  przepływie  cieczy  w 

rurociągach i kanałach otwartych

 - należy zapoznać się z rozdziałem II/3 w pracy [1]. 

Zasada  pomiaru  natężenia  przepływu  za  pomocą  przelewu  Thomsona

  -  należy 

zapoznać się z rozdziałem II/4 w pracy [1]. 

Podstawy teoretyczne przepływu wody w kanałach otwartych

 - należy zapoznać się z 

rozdziałem III/4.1 w pracy [1]. 

 

background image

 

20 

Literatura 

[1] Weinerowska K.: Laboratorium z mechaniki płynów i hydrauliki, Politechnika Gdańska, 

Gdańsk 2004 (skrypt wydany w formie elektronicznej). 

[2]  Bodhaine  G.  L.:  Measurement  of  Peak  Discharge  At  Culverts  by  Indirect  Methods. 

Techniques  of  Water  Resources  Investigation  of  the  United  States  Geological  Survey. 

U.S. 

Geological Survey, Washington 1976. 

[3]  Kubrak  E.  i  Kubrak  J.:  Hydraulika  techniczna  –  przykłady  obliczeń,    Wydawnictwo 

SGGW, Warszawa 2004. 

[4] Sobota J.: Hydraulika. Wydawnictwo Akademii Rolniczej we Wrocławiu, Wrocław 1994. 

background image

 

21 

Tabela 6 

Wyniki pomiarów i obliczeń dla poszczególnych schematów hydraulicznych przepływu przez przepust 

 

Rzędna zera przelewu Thomsona:  O

T 

= …..... cm              Średnica wewnętrzna przepustu:                     d    =  …….. cm 

                                                                                              Średnica zewnętrzna przepustu:                     D    =  …….. cm 
                                                                                              Rzędna dna kanału:                                        R

D

  =  …….. cm 

                                                                                              Rzędna przepustu w przekroju wlotowym:    R

z

=  …….. cm 

                                                                                              Rzędna przepustu w przekroju wylotowym:  R

z2 

=  …….. cm 

                                                                                              Spadek przepustu:                                           i     = ……… % 
                                                                                             

R

h

T

 

Q

rzecz

 

R

WG 

R

WD

 

h

h

kr 

∆∆∆∆

Schemat 

hydrauliczny

 

Lp 

[cm] 

[cm] 

[dm

3

/s] 

[cm] 

[cm] 

[cm] 

[cm] 

[cm] 

kryterium 

[dm

3

/s] 

[%] 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 
R

T

  - rzędna zwierciadła wody na przelewie Thomsona  

h

T

 - obciążenie przelewu Thomsona, h

T

 = R

T

 - O

T

 

R

WG

 - rzędna wody górnej przed wlotem 

R

WD

 - rzędna wody dolnej za wylotem 

H - głębokość wody przed wlotem (w odniesieniu do dna przepustu) 
h

d

  - głębokość wody za wylotem (w odniesieniu do dna przepustu) 

h

kr

  - głębokość krytyczna       

 

background image

 

22 

Tabela 7 

Pomiar profilu podłużnego zwierciadła wody dla przepływu ze swobodnym zwierciadłem (niezatopiony wlot i wylot) 

 
Okre
ślenie wydatku przelewem Thomsona  
Obciążenie przelewu Thomsona:     h

T

      = …….. cm 

Rzeczywiste natężenie przepływu:  Q

rzecz

 = …….. dm

3

/s 

 
Nr punktu 

10 

Odległość [cm] 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Rzędna zw. wody Rw [cm] 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ębokość wody h [cm] 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Uwagi 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Tabela 8 

Pomiar profilu podłużnego zwierciadła wody dla przepływu ze swobodnym zwierciadłem (zatopiony wlot, niezatopiony wylot) 

 
Okre
ślenie wydatku przelewem Thomsona  
Obciążenie przelewu Thomsona:     h

T

      = …….. cm 

Rzeczywiste natężenie przepływu:  Q

rzecz

 = …….. dm

3

/s 

 
Nr punktu 

10 

Odległość [cm] 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Rzędna zw. wody Rw [cm] 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ębokość wody h [cm] 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Uwagi