Статья: Совершенствование способов определения расхода воды в открытых мелиоративных каналах

По результатам лабораторных опытов относительная погрешность эталонного расхода воды составила 0,5-0,7 %, т. е. точность постановки эксперимента высока [13].

Далее нами были произведены три опыта, в которых были рассчитаны гидравлические элементы лотка. Опыты сводились к изменению уклона дна лотка от 0,0002 до 0,0006 и определению влияния глубины потока на коэффициент шероховатости , устанавливаемый по формуле (2), в которой использовалось основное уравнение расхода воды при равномерном движении жидкости без учета перепада (таблица 3), и по предложенной формуле (1), в которой учитывается перепад свободной поверхности воды (таблица 4).

По полученным результатам видно, что коэффициент шероховатости n изменяется с увеличением расхода воды и глубины потока. Чтобы определить характер изменения данного значения n в зависимости от глубины потока без учета перепада свободной поверхности воды и с его учетом, проведена статистическая обработка значений коэффициентов шероховатости (таблицы 5 и 6).

Таблица 3 - Расчет гидравлических элементов по данным лабораторных опытов без учета перепада свободной поверхности воды

Из полученных данных видно, что в зависимости от изменения уклона дна лотка варьирует и коэффициент шероховатости и чем меньше глубина потока, тем выше значение коэффициента шероховатости n.

Таблица 4 - Расчет гидравлических элементов по данным лабораторных опытов с учетом перепада свободной поверхности воды

Таблица 5 - Результаты статистической обработки значений коэффициентов шероховатости, вычисленных без учета перепада свободной поверхности воды

Таблица 6 - Статистическая обработка значений коэффициентов шероховатости, вычисленных с учетом перепада свободной поверхности воды

Также из данных таблицы 3 можно сделать вывод о том, что перепад свободной поверхности меняется при различных расходах воды. Исходя из этого, можно предположить, что изменение уклона свободной поверхности воды является реакцией потока на изменение гидравлического сопротивления. Данное предположение подтверждается статистической обработкой значений коэффициентов шероховатости с учетом перепада свободной поверхности воды (таблица 6). Коэффициент вариации при определении коэффициента шероховатости способом, учитывающим перепад свободной поверхности воды, в первом опыте составил 0,82 %, при определении способом, не учитывающим перепад свободной поверхности воды, - 1,27 %, во втором опыте - 0,81 и 1,23 % соответственно, в третьем - 0,59 и 1,64 % соответственно. На основании полученных данных можно заключить, что при вычислении коэффициента шероховатости для получения достоверного результата следует учитывать перепад свободной поверхности воды.

Так как перепад свободной поверхности водного потока влияет на точность определения коэффициента шероховатости, то, соответственно, он также влияет на точность определения расхода воды. Это подтверждается результатами лабораторных исследований (таблица 7, рисунки 2-5) по определению расхода воды объемным методом и сравнения его значений со значениями, вычисленными по выражению (1) и способу, предложенному А.Е. Ивахненко [18].

Таблица 7 - Относительные погрешности определения расхода воды в зависимости от способа определения коэффициента шероховатости n

Рисунок 2 - Зависимость значения расхода воды Q₁ от h при значении n, вычисленном без учета перепада свободной поверхности воды

При определении коэффициента шероховатости n без учета перепада свободной поверхности воды по способу, предложенному А.Е. Ивахненко, максимальная относительная погрешность значения расхода воды составила в первом опыте = 2,45 %, во втором опыте = 2,78 %, в третьем = 3,33 %. При вычислении по выражению (1) данный параметр был равен в первом опыте = 2,51 %, во втором опыте = 2,83 %, в третьем = 3,24 %.

Рисунок 3 - Зависимость значения расхода воды Q₁ от h при значении n, вычисленном с учетом перепада свободной поверхности воды

Рисунок 4 - Зависимость значения расхода воды Q₂ от h при значении n, вычисленном без учета перепада свободной поверхности воды

При вычислении коэффициента шероховатости n с учетом перепада свободной поверхности воды по способу, предложенному А.Е. Ивахненко, максимальная относительная погрешность значения расхода воды составила в первом опыте = 1,55 %, во втором опыте = 1,72 %, в третьем = 1,25 %. При вычислении по выражению (1) данная величина в первом опыте была равна = 1,67 %, во втором опыте = 1,84 %, в третьем = 1,25 %.

Рисунок 5 - Зависимость значения расхода воды Q₂ от h при значении n, вычисленном с учетом перепада свободной поверхности воды

Перепад свободной поверхности влияет на точность определения расхода воды. При установлении коэффициента шероховатости n с учетом перепада свободной поверхности погрешность значения расхода воды снижается почти в два раза. Значения погрешности определения расхода воды при установлении коэффициента шероховатости предложенным нами и А.Е. Ивахненко способом в итоге отличаются незначительно, однако преимуществом нашего способа является определение расхода воды в режиме реального времени, тогда как по способу А.Е. Ивахненко временные затраты составляют 20-30 мин.

шероховатость вода перепад гидравлический

Список литературы

1. Павловский Н.Н. Гидравлика открытых каналов / Н.Н. Павловский. - Л. - М.: Энергия, 1937. - 890 с.

2. Чугаев Р.Р. Гидравлика / Р.Р. Чугаев. - Л.: Энергия, 1970. - 552 с.

3. Чоу B.T. Гидравлика открытых каналов / В.Т. Чоу. - М.: Лит. по стр-ву, 1969. - 464 с.

4. Барышников Н.Б. Коэффициенты шероховатости речных русел / Н.Б. Барышников, Е.С. Субботина, Ю.А. Демидова // Ученые записки Российского государственного гидрометеорологического университета / ГОУ ВПО «РГГМУ». - 2010. - Вып. 12. - С. 14-19.

5. Численная модель динамики поверхностных вод в русле Волги: оценка коэффициента шероховатости / А.В. Писарев, С.С. Храпов, Е.О. Агофонникова, А.В. Хоперсков // Вестник Удмуртского университета / ФГБОУ ВПО «УдГУ». - 2013. - Вып. 1. - С. 114-130.