RUCH LAMINARNY I BURZLIWY W KANAŁACH

Doświadczenie Reynoldsa:

• Przepływ w rurze kołowej

• Dopływ barwnika zgodny z kierunkiem przepływu

Podział przepływu na 3 podstawowe reżimy:

1. Przepływ laminarny

2. Przepływ przejściowy

3. Przepływ turbulentny

PRZEPŁYW LAMINARNY

• Małe prędkości

• Bez zaburzeń

• Przepływ quasi-równoległy – mieszanie jest elementem procesu dyfucji

PRZEPŁYW BURZLIWY

• Duże prędkości

• Zaburzenia ciągłe

• Mieszanie jest wynikiem turbulencji

$Re = \frac{\text{uh}}{v}$

u – średnia prędkość przepływu w przekroju

h – średnia głębokość wody

v – kinematyczny współczynnik lepkości

Przybliżone zakresy występowania rodzajów ruchu:

Polska literatura

Ruch laminarny Re < 580

Ruch przejściowy 580 < Re < 12500

Ruch turbulentny 12500 < Re

Anglojęzyczna literatura

Ruch laminarny Re <525

Ruch przejściowy 525 < Re < 1000

Ruch turbulentny 1000 < Re

Ruch laminarny jest możliwy, gdy iloczyn uh jest bardzo mały.

RODZAJE RUCHU W KANAŁACH OTWARTYCH

Cztery podstawowe klasyfikacje:

1. Ruch szybkozmienny / wolnozmienny

2. Ruch nieustalony / ustalony

3. Ruch ustalony niejednostajny / jednostajny

4. Ruch nadkrytyczny / podkrytyczny

Ad. 1.

Odwrotność promienia wychodzącego z linii prądu $K = \frac{1}{R}$

Definiowana również dla ruchu burzliwego w odniesieniu do średniej prędkości

Jedna z linii prądu jest także zwierciadłem wody.

RUCH WOLNOZMIENNY:

• Mała krzywizna linii prądu i

• Występuje głównie na prostych odcinkach rzek i kanałów

RUCH SZYBKOZMIENNY:

• Duża krzywizna linii prądu i

• Występuje głównie na urządzeniach zrzutowych budowli wodnych oraz w obrębie oddziaływania innych obiektów hydrotechnicznych, np. przelew o ostrej krawędzi

Ad. 2.

W ogólnym przypadku parametry przepływu takie, jak natężenie przepływu, prędkość, głębokość itp. Zmieniają się na długości kanału i w czasie. W niektórych przypadkach możliwe jest pominięcie zmienności czasowej. Wszystkie pochodne po czasie zmieniają się – wtedy mówimy o RUCHU USTALONYM.

Jeżeli wprowadzenie takiego uproszczenia nie jest możliwe, przepływ należy traktować jako zmienny w czasie, tzn. RUCH NIEUSTALONY.

RUCH USTALONY – zakres praktyczny

• Układy zwierciadła wody na potrzeby hydrotechniki

• Zasięg zalewu odpowiadający określonemu przepływowi

• Transport rumowiska lub substancji rozpuszczonych w standardowych warunkach.

RUCH NIEUSTALONY – zakres praktyczny

• Proporcja fal wezbraniowych

• Zwiększenie / zmniejszenie zrzutu zbiornika

• Napełnienie / opróżnienie zbiornika

Ad. 3.

Jeżeli przyjmiemy założenie ustalonych warunków ruchu w korycie otwartym, to element płynu poruszający się wzdłuż kanału będzie doznawał lokalnych przyspieszeń lub opóźnień. Efekt ten jest związany z lokalnymi zmianami prędkości (i głębokości).

RUCH USTALONY NIEJEDNOSTAJNY

• Krzywa spiętrzenie / depresji

• Typowe warunki ruchu w korycie nieregularnym: zmienność przekroju poprzecznego wymusza zmienność głębokości, a to wymusza zmiany prędkości.

RUCH USTALONY JEDNOSTAJNY

• Podstawowe zależności :

• Spadek zwierciadła wody = spadkowi dna = spadkowi hydraulicznemu.

• Oznacza to równoległość linii dna, linii zwierciadła wody i linii energii

• Praktycznie możliwy tylko w korytach pryzmatycznych, gdzie zmiany przekroju i/lub szorstkości nie zaburzają warunków przepływu.

• Wymagany „rozbieg początkowy” tzn. koryto musi być dostatecznie długie

KANAŁ PRYZMATYCZNY – o stałej geometrii i szorstkości na całej swojej długości (tylko koryta sztuczne)

Ad. 4.

Ruch nadkrytyczny – ruch spokojny

• Przepływ z małą prędkością

• Dominacja energii potencjalnej nad kinetyczną

• Typowy przepływ w korytach otwartych i kanałach

Ruch podkrytyczny – ruch rwący

• Przepływ z dużą prędkością

• Dominacja energii kinetycznej nad potencjalną

• Spotykany tylko w obrębie urządzeń zrzutowych budowli hydrotechnicznych

Podstawą klasyfikacji jest energia właściwa strumienia:

Suma energii mechanicznej odniesiona do dna kanału w danym przekroju wyrażona jako „wysokość energii”.

Istnieje pewne minimum energii mechanicznej. Strumień o danej energii może płynąć z dwiema różnymi głębokościami.

Przejścia ruch nadkrytyczny – podkrytyczny:

Przejście z ruchu nadkrytycznego w ruch podkrytyczny jest łagodne z zachowaniem ciągłości zwierciadła wody.

Przejście z ruchu podkrytycznego w ruch nadkrytyczny odbywa się zazwyczaj poprzez wytworzenie skokowej nieciągłości parametrów przepływu nazywanej odskokiem hydraulicznym.

PRZEPUSTOWOŚC KANAŁU LUB KORYTA

Stan brzegowy (W_b)– maksymalny stan mieszczący się w korycie.

Przepływ brzegowy (Q_b) – przepływ mieszczący się w korycie przy stanie brzegowym

W odniesieniu do stanu brzegowego W_b definiowane są również napełnienie brzegowe h₀ oraz rzędna zwierciadła wody.

Przepływ brzegowy jest określany mianem przepustowości kanału/koryta. Odczytuje się go z krzywej konsumcyjnej.

Przepływ w danym przekroju zależy nie tylko od stanu, ale też od spadku hydraulicznego na długości (problemem może być niedokładność krzywej konsumcyjnej lub niejednoznaczność Q_b).

PRZEPUSTOWOŚĆ KORYTA WIELKIEJ WODY:

• Dotyczy koryt z terenami zalewowymi

• Zazwyczaj zadanie polega na określeniu rzędnej zwierciadła wody opowiadającej przepływowi o określonym prawdopodobieństwie przewyższenia

• Na podstawie tak określonej rzędnej określana jest wysokość i rozstawa wałów.