Розподіл швидкостей у річковому потоці. Побудова ізотах у водному перерізі

Ключові слова:

• миттєва швидкість,
• середня швидкість,
• епюри швидкостей,
• ізотахи,
• швидкісна вертикаль,
• гідрометричний млинок,
• гідрометричні поплавки,
• витрата води (часткова, цілковита).

На допомогу студентові

Визначення швидкостей течії води необхідне для обчислення витрат води, а також для будівництва мостів і гідротехнічних споруд, потреб судноплавства і лісосплаву.

Для вимірювання швидкостей течії води застосовують методи і прилади, дія яких грунтується на фізичних принципах:

1. Метод, який ґрунтується на реєстрації кількості обертів лопатевого гвинта (ротора). Головним приладом для вимірювання Швидкості течії у цьому випадку с гідрометричний млинок.
2. Метод, який ґрунтується на реєстрації швидкості пливучого тіла. Для вимірювання швидкості застосовують різні кострукції поплавків: поверхневі, глибинні, інтегратори, а також гідрометричні жердини.
3. Метод, який ґрунтується на реєстрації кута повороту пластинки, яку відхиляє потік. Швидкість течії у цьому випадку вимірюють гідрометричним флюгером.
4. Метод, який ґрунтується на реєстрації швидкісного напору. До цього типу приладів належать гідрометричні трубки різної конструкції.
5. Метод, який ґрунтується на принципі теплообміну. Швидкість течії у цьому випадку вимірюють прилади, які називають гідрокатазондамн (термогідрометрами).
6. Метод, який ґрунтується на вимірюванні об'єму води, яка потрапила у прилад під час спостереження. Таким приладом є батометр-тахіметр.
7. Метод, який ґрунтується на застосуванні ультразвуку. Швидкість течії при цьому вимірюють за допомогою так званих ультразвукових вимірників швидкості.

Найчастіше при виконанні гідрометричних робіт на річках, озерах, водосховищах і каналах вимірювання швидкостей течії здійснюють гідрометричними млинками. Рідше застосовують гідрометричні поплавки. Батометрами-тахіметрами для вимірювання швидкостей течії тепер майже не користуються. Гідрометричні трубки, термогідрометри, ультразвукові вимірники використовують переважно під час виконання науково-дослідних робіт у лабораторних умовах.

Принцип вимірювання швидкостей течії води гідрометричним млинком полягає у тому, що лопатевий гвинт (ротор) млинка під впливом течії води обертається зі швидкістю, пропорційною швидкості течії. При вимірюванні швидкості течії визначають кількість обертів лопатевого гвинта за певний проміжок часу, що дає змогу обчислити кількість обертів за одну секунду і за тарувальним графіком млинка визначити швидкість течії води.

Поплавки сприймають швидкість води, що рухає їх, а тому принцип вимірювання ними швидкостей течії полягає у визначенні часу t, за який проходить поплавок разом з водою певну відстань L. Швидкість течії при цьому обчислюють за формулою:

Розглянемо будову гідрометричного млинка. Він є найточнішим приладом для вимірювання швидкостей течії води. Існує чимало різних типів гідрометричних млинків, які відрізняються між собою розташуванням осі, будовою контактного і лічильного механізмів, способом встановлення на точку та ін. Найбільшого поширення для вимірювання швидкості течії води сьогодні набули млинки Гр-21, Гр-21М і Гр-55.

Гідрометричний млинок Гр-21 (Рис. 3.1.) налічує такі головні частини: корпус, хвостове оперення, ходову частину з контактним механізмом і лопатевим гвинтом, сигнальний пристрій.

а) Гідрометричний млинок ГР-21: 1 – лопатевий гвинт, 2 – корпус, 3 – клема, 4 – хвостове оперення

б) Гідрометричний млинок ГР-55: 1 – ходова частина, 2 – корпус, 3 – затискні гвинти, 4 – хвостове оперення

Рис. 3.1. Будова гідрометричних млинків: а) ГР-21, б) ГР-55

Корпус призначений для з'єднання окремих частин вертушки. У передній частині корпусу є порожнина, в яку встановлюється і закріплюється стопорним гвинтом вісь ходової частини. Зверху на корпусі є дві клеми для підключення проводів сигналізації. У тильній частині корпус має вертикальний отвір для кріплення млинка на штанзі або на вертлюзі (у випадках роботи з троса). До тильної частини корпусу гвинтом прикріплюють хвостове оперення, призначене для того, щоб утримувати лопату млинка проти течії. Хвостове оперення складається із штоку і двох симетричних пластин увігнутої форми.

Ходова частина млинка складається з лопатевого гвинта діаметром 120 мм, осі з контактним механізмом, двох шарикопідшипників, внутрішньої і зовнішньої втулок і осьової гайки. Ходова частина встановлюється в циліндричну порожнину лопаті, запов­нену трансформаторним маслом, і кріпиться в ній муфтою. При обертанні лопатевого гвинта вісь ходової частини залишається нерухомого.

Контактний механізм млинка замикає електричне коло через 20 обертів лопатевого гвинта.

Сигнальний пристрій складається з клемної панелі, дзвоника, сигнального проводу і призначений для перетворення електричного імпульсу в звуковий сигнал.

При використанні млинка ГР-21 точки вимірювання швидкостей визначають по вертикалі у такій послідовності:

Млинок ГР-21 М (модернізований) відрізняються від млинка ГР-21 лише конструкцією окремих деталей ходової частини, а загалом це млинки одного класу.

Гідрометричний млинок ГР-55 складається з тих же основних частин, що й млинки ГР-21 і ГР-21М, і відрізняється від них лише меншими розмірами, а тому цей млинок називають малогабаритним. Млинок ГР-55 має два лопатеві гвинти діаметром 70 мм: гвинт №1 застосовують при швидкостях течії від 0,55 до 2,5 м/с, гвинт №2 – від 2,5 до 5,0 м/с. Унаслідок малих розмірів зазначений млинок зручний для роботи у водотоках з невеликими глибинами.

Тарування млинка – це спеціальне випробування млинка, під час якого визначається емпірична залежність між швидкістю течії води і кількістю обертів лопатевого гвинта за одну секунду. Перше тарування вертушки виконують після її виготовлення. Подальше тарування за нормальних умов її експлуатації провадять один раз на два роки. У випадку пошкодження млинка необхідно його негайно відремонтувати і здійснити тарування.