ODSKOK HYDRAULICZNY materiał dydaktyczny, wersja 1.2

1. ODSKOK HYDRAULICZNYmateriał dydaktyczny, wersja 1.2 Wydział Inżynierii Środowiska i Geodezji Katedra Inżynierii Wodnej Stefaniak Marcin, II rok IŚ Gabryś Marta, II rok IŚ Sufryda Michał, II rok IŚ Surma Marcin, II rok IŚ Dr inż.. Leszek Książek >>>>> Kraków, kwiecień 2005

2. ODSKOK HYDRAULICZNY • Cel badania • Wiadomości wstępne • Wyniki pomiarów • Obliczenia • Analiza wyników • Wizualizacja • Zdjęcia • Literatura

3. --Cel badania- Celem doświadczenia jest stwierdzenie czy dany ruch cieczy jest ruchem podkrytycznym, nadkrytycznym czy krytycznym oraz jakie zjawiska towarzyszą przejściu z jednego rodzaju ruchu w inny rodzaj ruchu. >>>>>

4. --Wiadomości wstępne-- Ruchem krytycznym nazywamy taki ruch, w którym przy stałym przepływie energia strumienia osiąga wartość minimalną lub przy stałej energii strumienia przepływ osiąga maksimum. Wszystkie parametry hydrauliczne, jakie występują w ruchu krytycznym, nazywamy krytycznymi. Możemy więc mówić o głębokościkrytycznej, prędkościkrytycznej czy spadkukrytycznym. Należy zauważyć, że istnienie spadku krytycznego możliwe jest jedynie przy ruchu jednostajnym. Tylko w tym wypadku spadek zwierciadła wody równy jest spadkowi dna koryta. O ile istnienie prędkości czy głębokości krytycznej nie jest uzależnione od jednostajności ruchu w korycie, o tyle w wypadku spadku krytycznego ten dodatkowy warunek jest konieczny. <<< >>>

5. Rys. 1 <<< >>>

6. Ruch krytyczny stanowi granicę pomiędzy dwoma obszarami ruchu a mianowicie: obszarem ruchunadkrytycznego(spokojnego) i podkrytycznego(rwącego). Obie te nazwy mówią już o charakterze tych ruchów. Na rys. 1 widzimy oba te obszary zaznaczone na osi głębokości. W ruchu nadkrytycznym dominuje energia potencjalna strumienia, prędkości są małe i głębokości znaczne. - W ruchu podkrytycznym decydująca jest energia kinetyczna, co oznacza znaczną prędkość przy niewielkich głębokościach. - W ruchu pod- czy nadkrytycznym wszystkie parametry ruchu możemy określić jako odpowiednio pod- lub nadkrytyczne. Rozpatrując zależność między głębokościami, prędkościami i spadkami w omawianych rodzajach ruchu łatwo ustalić następujące nierówności: <<< >>>

7. Ostatnia zależność dotycząca spadków wymaga dodatkowo zastrzeżenia o jednostajności ruchu, gdyż tylko wtedy spadek dna jest równy spadkowi zwierciadła wody w korycie. Omówiony wyżej podział na ruch pod- i nadkrytyczny z ruchem krytycznym jako granicą tego podziału ma ogromne znaczenie praktyczne. W obszarze ruchu podkrytycznego dominuje energia kinetyczna, a więc i znaczna prędkość wody, która powoduje rozmywanie koryt, stanowiąc istotne niebezpieczeństwo dla budowli hydraulicznych. Wynika stąd konieczność ograniczenia tego ruchu do tych części budowli, które są odpowiednio wzmocnione. Do ciekawszych wniosków prowadzi obserwacja przechodzenia strumienia cieczy z jednej strefy ruchu do drugiej. Najłatwiej zaobserwować to zjawisko, gdy na pewnym odcinku koryto ma zmienny spadek, mianowicie: nadkrytyczny, potem podkrytyczny i znów nadkrytyczny (rys. 2) <<< >>>

8. Obserwując zachowanie się strumienia w takim korycie widzimy, że przejście ruchu z nadkrytycznego w podkrytyczny odbywa się łagodnie, prędkość wzrasta równomiernie, a zwierciadło stopniowo zmienia swoje położenie. Zupełnie inaczej przedstawia się sytuacja przy przejściu ruchu z podkrytycznego w nadkrytyczny. Obserwujemy tu strefę silnych zaburzeń, w której głębokość wzrasta gwałtownie, a na powierzchni tworzy się poziomy walec, zwany odskokiemhydraulicznymlub odskokiemBidone’a. Powstające w tej strefie zaburzenia pochłaniają duże ilości energii. Zjawisko odskoku występuje zwykle poniżej jazów, zapór i innych budowli wodnych. Głębokości h1 i h2 po obu stronach odskoku nazywają się głębokościamisprzężonymi. Charakteryzują się one tą właściwością, że gdy jedna z nich rośnie, to druga maleje. Aby mógł powstać odskok, głębokości te muszą spełnić równanie (dla koryta prostokątnego) <<< >>>

9. w którym:  - współczynnik korygujący, przyjmowany zwykle w granicach (podobny do współczynnika Saint-Venanta) b- szerokość koryta Jeżeli głębokość h1w korycie za odskokiem jest różna od głębokości sprzężonej h2, to następuje przesunięcie odskoku, przy czym gdy h1>h2 – odskok przesuwa się w kierunku budowli (pod górę) h1<h2– odskok przesuwa się w dół koryta. Zależność między głębokościami sprzężonymi h1 i h2 jest podana w postaci przekształconego równania, z którego można wyznaczyć drugą głębokość sprzężoną na podstawie parametrów ruchu przed odskokiem. Równanie to (ważne dla koryta prostokątnego) ma postać: W którym: v1 – prędkość w ruchu podkrytycznym; pozostałe oznaczenia jak wyżej. <<< >>>

10. Dla projektowania budowli piętrzącej, poniżej której występuje odskok Bidone’a, bardzo ważna jest znajomość długości odskoku, gdyż na tej długości konieczne jest wzmocnienie podłoża. Obliczenie to możemy przeprowadzić korzystając z istniejących wielu wzorów doświadczalnych, wśród których najczęściej używane są: wzór Wóycickiego o postaci: oraz wzór Pawłowskiego: w których: h1,h2– głębokości sprzężone w m, L – długość odskoku w m. <<< >>>

11. Jeżeli odskok nie powstaje tuż przy budowli piętrzącej, zachodzi konieczność umocnienia koryta na dłuższym odcinku, W takim wypadku stosujemy sposoby, które mają na celu przesunięcie odskoku „ku górze”, tj. w stronę budowli piętrzącej. Należy do nich np. zaprojektowanie wgłębienia w podłożu, zwanego niecką wypadową lub studnią amortyzacyjną. Dzięki obniżeniu dna poniżej budowli zwiększamy głębokość h tak, aby była ona wystarczająca do powstania odskoku w obrębie niecki. Innym sposobem zmniejszenia długości odskoku jest wbudowanie w dnie koryta poniżej budowli piętrzącej specjalnych bloków betonowych, zwanych szykanami i rozpraszaniu strug płynącej wody, a tym samych zmniejszeniu jej energii kinetycznej. Dane dotyczące wymiarów szykan oraz sposobu ich ustawienia uzyskuje się najczęściej w wyniku badań na modelach. Bardzo istotne jest w praktyce sprawdzenie, jaki rodzaj ruchu (pod-, czy nadkrytyczny) panuje w korycie. W tym celu można porównać ze sobą obie strony równania ruchu krytycznego. <<< >>>

12. Jeżeli znaczy to, że energia ruchu (kinetyczna) jest mniejsza od potencjalnej, a więc mamy do czynienia z ruchemnadkrytycznym. Gdy dominuje energia kinetyczna, a więc występuje ruch podkrytyczny. Istnieje jeszcze inny, prostszy sposób określenia rodzaju ruchu. Podstawiamy w tym celu do równania ruchu krytycznego . Otrzymamy więc: <<< >>>

13. Po podzieleniu obu stron przez prawa strona powyższego równania jest wysokością prędkości znaną z równania Bernoullego. Oznaczamy ją skrótowo symbolem hv. Jednocześnie iloraz jest średnią głębokością rozpatrywanego przekroju ( o dowolnym kształcie), wobec tego . Można więc powiedzieć, że ruch krytyczny panuje wówczas, gdy średnia głębokość przekroju jest dwukrotnie większa od wysokości prędkości, czyli gdy: to <<< >>>

14. W ruchu podkrytycznym, w którym przeważa energia kinetyczna : Natomiast w ruchu nadkrytycznym, gdzie energia potencjalna (a więc głębokość) ma decydujące znaczenie, jest spełniony warunek odwrotny, tj.: Ruch nadkrytyczny występuje w większości rzek pozostającym w stanie naturalnym (a więc nie zabudowanych za pomocą budowli piętrzących). Jedynie w potokach górskich o znacznych spadkach spotkać można ruch podkrytyczny. Trzeba jednak zwrócić uwagę, że koryta tych potoków stanowią duże kamienie, które skutecznie przeciwstawiają się rozmywającemu działaniu płynącej wody . <<< >>>

15. Jeśli chodzi o ruch krytyczny można stwierdzić, że ten „graniczny” rodzaj ruchu zachodzi w przyrodzie wszędzie tam, gdzie strumień musi gromadzić energię do pokonania pewnej przeszkody. Następuje wtedy spiętrzenie wody do minimalnego poziomy, jaki wystarcza do wywołania danego przepływu. Na przykład gdy koryto jest zwężone na pewnym odcinku, a jego normalna energia nie wystarcza do wywołania koniecznych prędkości, to powyżej przewężenia następuje akumulacja energii tak długo, aż zbierze się dostateczna jej ilość do zapewnienia właściwego przepływu. W tym wypadku w przewężeniu powstanie ruch krytyczny jako wymagający najmniejszej energii, a więc najbardziej „ekonomiczny”. Taki obraz przepływu można zauważyć np. w przekroju mostu, gdzie jego filary powodują zwężenie koryta. Jeśli istnieje możliwość powstania ruchu krytycznego, dno koryta musi być odpowiednia zabezpieczone przed rozmywaniem. <<< >>>

16. Ruch krytyczny charakteryzuje się jeszcze bardzo istotną właściwością, wynikającą ze wzoru na prędkość krytyczną. Mianowicie z wzoru wynika, że średnia prędkość strumienia płynącego ruchem krytycznym równa jest podwójnej wysokości prędkości, tj. Przyjmując =1 i przekształcając powyższy wzór ze względu na niewiadomą v otrzymamy: - Wzór na prędkość krytyczną Okazuje się, ze prędkość krytyczna jest równa prędkości przenoszenia się fali i innych zaburzeń powstających na swobodnych powierzchniach cieczy, gdyż ta właśnie prędkość wyraża się wzorem . Wobec zachodzącej równości widzimy, że zarówno w ruchu krytycznym, jak i tym bardziej podkrytycznym żadne zaburzenia nie mogą przenosić się w górę koryta, gdyś prędkość ich ruchu jest mniejsza od prędkości płynącej wody. Jeżeli więc w korycie poniżej dowolnej przeszkody panuje ruch krytyczny lub podkrytyczny, to ani poziom wody poniżej przeszkody, ani inne zjawiska hydrauliczne (np. fale wywołane wrzuconym do wody kamieniem) nie mogą przenosić się w górę koryta. Ruch krytyczny charakteryzuje się jeszcze bardzo istotną właściwością, wynikającą ze wzoru na prędkość krytyczną. Mianowicie z wzoru wynika, że średnia prędkość strumienia płynącego ruchem krytycznym równa jest podwójnej wysokości prędkości, tj. Przyjmując =1 i przekształcając powyższy wzór ze względu na niewiadomą votrzymamy: - Wzór na prędkość krytyczną <<< >>>

17. Okazuje się, ze prędkość krytyczna jest równa prędkości przenoszenia się fali i innych zaburzeń powstających na swobodnych powierzchniach cieczy, gdyż ta właśnie prędkość wyraża się wzorem Wobec zachodzącej równości widzimy, że zarówno w ruchu krytycznym, jak i tym bardziej podkrytycznym żadne zaburzenia nie mogą przenosić się w górę koryta, gdyś prędkość ich ruchu jest mniejsza od prędkości płynącej wody. Jeżeli więc w korycie poniżej dowolnej przeszkody panuje ruch krytyczny lub podkrytyczny, to ani poziom wody poniżej przeszkody, ani inne zjawiska hydrauliczne (np. fale wywołane wrzuconym do wody kamieniem) nie mogą przenosić się w górę koryta. <<< >>>

18. Lp. Rzędna dna [cm] Rzędna wody wypływającej przez wylot [cm] Rzędna górnego zwierciadła [cm] Rzędna dolnego zwierciadła [cm] Przepływ [m3/s] 1 -7,5 -2,7 32,7 13,5 0,023 2 -7,5 -2,7 34,0 9,1 0,026 3 -7,5 -3,8 31,2 7,7 0,026 4 -7,5 -3,9 31,1 3,6 0,03 --Wyniki pomiarów-- szerokość koryta b = 48,5 cm <<< >>>

19. --Obliczenia-- Powierzchnia: Prędkość: Liczba Froude’a: <<< >>>

20. Lp. h’ [m] Q [m3/s] F [m2] V [m/s] Fr 1. 0,048 0,023 0,02328 0,99 1,44 2. 0,048 0,026 0,02328 1,11 1,66 3. 0,037 0,026 0,0179 1,5 2,4 4. 0,036 0,03 0,01746 1,72 2,9 --Analiza wyników-- <<< >>>

21. Przypadek 1 Przypadek3 odskok zafalowany, ruch rwący odskok słaby, ruch rwący Przypadek 2 Przypadek4 odskok zafalowany, ruch rwący odskok oscylujący, ruch rwący <<< >>>

22. Rodzaje odskoków hydraulicznych: Odskok zafalowany Odskok słaby Odskok oscylujący Odskok trwały <<< >>>

23. --Wizualizacja-- Wypływ spod zasuwy - odskok zatopiony <<<< >>>>

24. Etapy odrzucania odskoku 1 2 3 4 <<<< >>>>

25. Etapy odrzucania odskoku 5 6 7 8 <<<< >>>>

26. menu Etapy odrzucania odskoku 9 10 11 12 <<<<

27. --Zdjęcia- <<< >>> Jaz myślenicki

28. --Zdjęcia-- <<< >>>

29. --Zdjęcia-- <<< >>>

30. --Zdjęcia--

31. --Zdjęcia--

32. --Zdjęcia--

33. --Zdjęcia--

34. Nn

35. --Literatura- Szuter A. Utrysko B. 1986,„Hydraulika i podstawy hydromechaniki’’ Wydawnictwo Politechniki Warszawskiej, Warszawa E.Kubrak , J.Kubrak ‘’Hydraulika techniczna’’ <<<