Гидравлического сопротивления

Рассматривая влияние коэффициента гидравлического сопротивления l на русловой поток, мы пока оставляли в тени вопрос о том, от чего зависит сам этот коэффициент.

Видов (или факторов) гидравлического сопротивления довольно много. Их обычно подразделяют на следующие группы:

1) Сопротивление зернистой шероховатости (или просто зернистая шероховатость). В данном случае сопротивление потоку оказывают частицы донных отложений. Это сопротивление может быть охарактеризовано через крупность частиц d, их отношение к глубине русла d / H (так называемая относительная зернистая шероховатость), высоту выступов шероховатости D, отношение D/ H. Используют и обратные отношения: H / d и H /D.

2) Сопротивление донных гряд (грядовая шероховатость). Она определяется размерами сложенных мелкозернистыми наносами гряд или волн – их высотой h _гр и длиной l _гр, а также отношениями h _гр/ Н, l _гр/ Н, h _гр/ l _гр или Н / h _гр, Н / l _гр, l _гр/ h _гр и др.

3) Сопротивление формы русла. Сюда относятся:

а) влияние формы поперечного сечения русла, описываемое отношениями В / Н (относительная ширина русла) или Н / В (относительная глубина русла);

б) влияние изгибов русла, которое можно охарактеризовать через отношения r / H или r / В, где r – радиус изгиба русла;

в) влияние крупных форм руслового рельефа типа побочней, перекатов, осередков, отмелей, россыпей и т.д.

4) Сопротивление, связанное с взаимодействием руслового и пойменного потоков (так называемое сопротивление поймы).

5) Сопротивление, обусловленное ледяным покровом (сопротивление ледяного покрова).

6) Сопротивление, обусловленное растительностью в русле (сопротивление растительности).

7) Сопротивление, обусловленное неустановившимся характером движения потока. Доказано, что ускорение и, особенно, замедление потока увеличивают гидравлическое сопротивление.

8) Дополнительные (местные) сопротивления. К числу дополнительных (местных) сопротивлений относят:

а) сопротивление отдельных массивных выступов (например, крупных валунов и скальных гряд), которое может быть оценено с помощью соотношений D/ Н или Н /D, где D – величина выступа;

б) сопротивление, обусловленное местным резким расширением русла или узлом разветвления русла на рукава;

в) сопротивление устоев мостов и других гидротехнических сооружений.

Кроме того, гидравлическое сопротивление зависит и от некоторых гидрофизических (плотности r, вязкости n) и гидравлических (V) характеристик. Установлено, что гидравлическое сопротивление зависит от числа Рейнольдса (Re= VH /n) не только у ламинарных, но и у турбулентных потоков.

Таким образом, коэффициент гидравлического сопротивления русел l может зависеть от комплекса характеристик потока и русла: Re, Fr, V, H, H / B, d / H, h _гр/ H, r / H, r, n, характеристик ледяного покрова и донной растительности и т.д.

Реальный коэффициент гидравлического сопротивления складывается из суммы коэффициентов, обусловленных сопротивлением разного вида: l=Sl _i.

Поскольку , то суммирование гидравлических сопротивлений может быть представлено также формулой

,

где C_i – коэффициенты Шези, обусловленные сопротивлением разного вида.

Так как согласно формуле Шези уклон водной поверхности I обратно пропорционален C ², то суммирование гидравлических сопротивлений равнозначно соотношению I =S I_i, где I_i – гидравлический уклон, обусловленный влиянием сопротивления данного вида.

Например, если мы имеем дело с двумя источниками сопротивления (1 и 2), то получим

l=l₁+l₂,

,

I = I ₁+ I ₂.

Здесь l, С и I без индекса – суммарные значения этих характеристик, учитывающие влияние сопротивлений обоих видов.

Задача теории гидравлического сопротивления в динамике русловых потоков сводится к определению коэффициентов l и C. Соотношения, связывающие эти коэффициенты с элементами потока и русла, получили название законов гидравлического сопротивления (К. В. Гришанин, 1992, стр.33).

Заметим, что такие соотношения исследованы еще недостаточно. Наилучшим образом оценено влияние зернистой шероховатости, т.е. влияние на l и с крупности частиц донных отложений. В последние десятилетия достигнут прогресс в оценке влияния донных гряд на гидравлическое сопротивление. Роль других источников сопротивления изучена значительно хуже.

Для того, чтобы оценить влияние на l и с факторов гидравлического сопротивления того или иного вида необходимо: во-первых, количественно выразить данный фактор сопротивления, во-вторых, определить l и C по данным наблюдений за гидравлическими характеристиками потока; в-третьих, найти эмпирическую связь между количественными параметрами фактора сопротивления данного вида и рассчитанными величинами l и C.

Величины l и C определяют по гидравлическим характеристикам потока по формулам, вытекающим из (1.2), (1.5), (1.6) и (1.7):

, (1.9)

. (1.10)

Дата добавления: 2015-11-13