Laboratorium z Hydrauliki i Hydrologii - Kierunek Budownictwo - sem. V

Politechnika Gdańska

Katedra Hydrotechniki

WILIŚ

Sprawozdanie Nr 2

Badanie przepustu o przekroju kołowym (P)

Grupa 8

Aldona Makowska

Agnieszka Koźlikowska

Sylwia Buziuk

Karol Niebrzydowski

Paweł Rozlazły

Jacek Krygier

1. Krótkie wprowadzenie teoretyczne

Wykonywane doświadczenia mają na celu przybliżenie znajomości niektórych zjawisk hydraulicznych związanych z przepływem przez przepust o przekroju kołowym. Badania są przeprowadzane dla trzech warunków przepływu. Nie oznacza to jednak, iż są to jedyne możliwości. W przepuście przepływ wody może odbywać się zarówno pod ciśnieniem na całej długości przewodu lub jego odcinku jak i ze swobodnym zwierciadłem. Zależy to przede wszystkim od rodzaju ruchu oraz układu zwierciadła wody. Skutkiem takiego stanu rzeczy jest to, że dla różnych przypadków inne będą równania opisujące wydatek (wyprowadzane z równania Bernoulliego).

Do podstawowych układów hydraulicznych w przypadku obliczania przepustów zaliczyć można:

- przepływ ze swobodnym zwierciadłem wody, niezatopiony wlot i wylot,

- przepływ ze swobodnym zwierciadłem wody, zatopiony wlot i niezatopiony wylot,

- przepływ pod ciśnieniem, zatopiony wlot i wylot,

- przepływ pod ciśnieniem, zatopiony wlot i niezatopiony wylot

Przedmiotem badań w laboratorium są trzy pierwsze układy hydrauliczne.

Do ich obliczeń wykorzystuję się:

- elementy teorii przepływów w kanałach otwartych

- elementy teorii wypływu przez otwory

- elementy teorii przepływu pod ciśnieniem w rurociągach

Aby dany przepust został przyporządkowany do określonego układu musi spełniać ściśle zdefiniowane warunki. W obrębie danego układu hydraulicznego mogą występować również różnice wynikające z geometrii przekroju. Mają one istotny wpływ na obliczanie natężenia przepływu wody w przepuście i są uwzględnione poprzez współczynniki np. współczynnik wydatku przelewu o szerokiej koronie - oznaczany literą m.

Najważniejszą wielkością obliczaną dla danego przepustu jest natężenie przepływu Q, które przyjmuje postac zalezna od warunków przepływu.

1.1. Przepływ ze swobodnym zwierciadłem wody, niezatopiony wlot i wylot

Przepływ w przepuście ze swobodnym zwierciadłem oraz z niezatopionym wlotem i

wylotem (rys. 2) występuje gdy spełnione są następujące warunki:

H < 1,20h, hd < hkr

gdzie:

H - głębokość wody przed wlotem do przepustu,

hd - głębokość wody dolnej,

h - wysokość przepustu,

hkr - głębokość krytyczna.

Dla takiego schematu natężenie przepływu Q oblicza się jak w przypadku niezatopionego

przelewu o szerokiej koronie:

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

Wlot przepustu uważa się zatopiony, gdy spełniony jest warunek:

H > 1,20h

Zatopienie wlotu nie oznacza, że przepust na całej długości będzie całkowicie

wypełniony wodą. Mimo zatopienia wlotu może w przepuście wystąpić przepływ ze

swobodnym zwierciadłem

Wówczas natężenie przepływu Q można określać jak dla tzw. wypływu spod zasuwy:

gdzie:

μ - współczynnik wydatku otworu,

e - współczynnik dławienia,

A - pole przekroju porzecznego przewodu

1.3. Przepływ pod ciśnieniem

Przepływ pod ciśnieniem występuje wtedy, gdy pole przekroju poprzecznego

całkowicie wypełnione jest wodą na całej długości przewodu. W przypadku przepływu pod

ciśnieniem wlot przepustu jest zawsze zatopiony, czyli musi być spełniony warunek (7).

Natomiast wylot przepustu może być zatopiony:

hd > 1,10h

lub niezatopiony:

hd < 1,10h

Przepływ dla przewodu będącego pod ciśnieniem:

gdzie:

A - pole przekroju porzecznego przewodu.

H - różnica poziomów wody przed wlotem i za wylotem: DH = H + i × L - hd

μp - współczynnik wydatku przepustu

2.)Szkic stanowiska doświadczalnego

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

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

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.

3.0 Przykłady obliczeniowe

1. Niezatopiony wlot i wylot

ht=23,6-16,02=7,58 cm

Qrzecz = 1,83 dm3/s

H = Rwg - Rz1 + D -e = 60,4 -69,5 +16-0,5= 6,4 cm

β= 2,11 wyznaczona na podstawie kolejnych przybliżeń, za pomocą programu WordExcel

Bkr = d x sin(β/2) = 16 x sin(2,11/2) = 12,91 cm

hkr=d/2(1-cos(β/2)) = 8 x (1-cos(2,11/2)) = 3,054 cm

Q= 0,31 x 12,91 x 4,47 x 5,90 = 2,898 dm3/s

1. Zatopiony wlot, niezatopiony wylot

ht = 31,5 - 16,02 = 15,48 cm

Qrzecz = 9,335 dm3/s

H = 72,3 -69,5 + 16 -1= 17,8 cm

hd = 55,5-64,7 +16-1 = 5,8 cm

μ=0,56

A = π x d^2/4 = 176,7 cm2

ε = 0,66

h=16 cm

Q = 0,56 x 176,7 x (20x(17,8-0,66x16))^0.5=12,438 dm3/s

1. Zatopiony wlot i wylot

ht = 33,7 - 16,02 = 17,68 cm

Qrzecz = 18,40 dm3/s

H = 79,1 - 69,5 +16 -1 = 24,6 cm

hd = 65 - 64,7 +16 -1 = 15,3 cm

ΔH = H + (i x L)/100 - hd = 24,6 + (2,4 x 200)/100 -15,3 = 14,10 cm

μp=0,56 (na podstawie tablicy 1)

Q = 0,56 x 176,7 x 16,79 = 16,617 dm3/s

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

6. Wnioski i uwagi

Podczas wykonywania doswiadczenia zauwazylismy ze w przypadku pierwszym tj. Niezatopiony wlot i wylot nastepuje wzrost przeplywu wraz ze wzrostem poziomu wody. Nakladanie sie predkosci powoduje powstawanie fali, ktora przedstawiona zostala na rysunku profili. Przy wylocie zauwazono pietrzenie sie wody, spowodoowane zderzaniem sie strumienia o wyzszej energii z ciecza zgromadzona przy wylocie. Zauwazylismy, ze wartosc obciazenia Thomsona rosnie wraz ze wzrostem poziomu wody, regulowanego przez nas za pomoca zaworu.

W przypadku gdy wlot jest zatopiony, zas wylot niezatopiony. Przy wlocie zauwazylismy tworzenie sie wiru o duzej predkosci, ktory spowodowany jest wyrownywania sie cisnienia (czastki powietrza sa ,,wciagane'' do przeplywu. Wraz ze wzrrostem poziomu wody nastepuje wzrost glebokosci krytycznej oraz wzrost przeplywu. Zatopienie wlotu nie oznacza, że przepust na całej długości będzie całkowicie

wypełniony wodą. Mimo zatopienia wlotu może w przepuście wystąpić przepływ ze

swobodnym zwierciadłem. W naszym przypadku tak bylo. Podobnie jak w przypadku pierwszym wartość obciążenia przelewu Thomsona rośnie.

W trzecim przypadku mielismy do czynienia z zatopionym wlotem i wylotem. Mimo podnoszenia poziomu wody następuje przepływ ze swobodnym zwierciadłem, co nie jest uwzglednione w schematach teoretycznych. Masy powietrza cofają sie w górę przepustu, przepływ jest niestabilny, u wylotu woda jest wzburzona, ,,buzuje''.W przypadku wylotu niezatopionego za wartość hd przyjmowana jest wysokość

przepustu h czyli hd = h.

Dzięki przeprowadzeniu doświadczeniu możliwe jest porównanie rzeczywistego wydatku Q z wydatkiem Q teoretycznym- uzyskanym dzięki wzorom, odpowiadającym danemu schematowi hydraulicznemu. Aby lepiej móc zaobserwować różnice między tymi wynikami, przedstawiamy błędy względne
jakie występowały w każdym z pomiarów:

Przepływ ze swobodnym zwierciadłem wody, niezatopiony wlot i wylot:

• 1) Δ=36,66%

2) Δ=20,08%

3) Δ=14,90%

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

1) Δ=26,9%

2) Δ=53,9%

3) Δ=5,97%

Przepływ pod ciśnieniem, zatopiony wlot i wylot

1) Δ=10,85%

2) Δ=32,3%

3) Δ=39,78%

Różnice między tymi wynikami mogą wynikać:

- niedokładnego odczytania wartości na szpilce wodowskazowej

- burzliwości ruchu wody, przez co dokładne odczytanie było trudnym zadaniem

- wystąpienie takich zjawisk jak wiry- których nie uwzględnia się w obliczeniach

---