412 5. Jednorodny przepływ w kanałach otwartych
Q
n^/z2 +l)3
(5.16)
Jeśli nieznaną wielkością jest głębokość kanału, to tutaj można ją wyznaczyć ściśle z ostatniego wzoru bez uciekania się do procesu iteracyjnego, jak w przypadku kanału prostokątnego, a mianowicie
(5.17)
Rozważmy kanał trapezowy o głębokości Y, w którym kąt odchylenia ściany bocznej od pionu wynosi |3 (rys. 5.4).
DE = ZY .
stąd
Z twierdzenia Pitagorasa
(5.18)
(5.19)
|CE| = ^|ED|2 + Y2 = ^/|ZY|"2 + Y2 = Ya/i + Z2 . (5.20)
Pole przekroju poprzecznego A i obwód zwilżony L w rozważanym przypadku wynoszą więc odpowiednio:
|FC| + |FCj + 2|DE| B + B + 2YZ , \
A = -—i--—- Y = - - - -- Y — (B YZ)Y , (5.21)
(5.22)
(5.23)
L = |GF| + |FC| + ]CE| = B + 2 Ya/i+Z2" .
Stąd promień hydrauliczny
(b + yz)y
B + 2Ya/i + Z2
Związek pomiędzy wydatkiem przepływu oraz wymiarami kanału i spadkiem podłużnym w rozważanym przypadku jest następujący:
0 = AV =
(5.24)
G
F
C
E
Rys. 5.4. Kanał trapezowy
Przy danym strumieniu objętości Q, pochyleniu podłużnym kanału s, szerokości kanału B oraz tangensie kąta odchylenia ściany bocznej od pionu Z ostatnie równanie może być traktowane jako równanie nieliniowe z niewiadomą głębokością kanału Y. Zapiszmy je w postaci:
r(Y)_ [(b + yz)y]1
(5.25)
Ponieważ równanie to będziemy rozwiązywać metodą Newtona, więc obliczmy pochodną funkcji F(y) względem Y:
W dotychczas rozważanych typowych przekrojach kanałów dążyliśmy do uzyskania postaci nieliniowego równania z niewiadomą głębokością kanału. W przypadku kanału cylindrycznego również wielkością poszukiwaną jest głębokość kanału Y, jednak w nieliniowym równaniu zmienną niezależną będzie kąt 8 (rys. 5.5). Mając wyznaczony ten kąt, głębokość można łatwo wyliczyć z zależności geometrycznych. Pole przekroju poprzecznego A i obwód zwilżony L w rozważanym przypadku (rys. 5.5) wynoszą odpowiednio:
L = 0R.
(5.27)
(5.28)
Strumień objętości Q w funkcji kąta 0 jest wyrażony wzorem:
(5.29)
23 n63