Спокойные и бурные потоки. Критическая глубина

Критической глубиной называется глубина, отвечающая минимуму удельной энергии сечения. Если задано поперечное сечение русла, а также расход, то h_к определится из уравнения: οЭ/ οh=0 (1)

Найдем, пользуясь этим уравнением, выражение h_к для прямоугольного русла.

Подставляя в уравнение (1) уравнении: Э=h+αq²/2gh²

Имеем ο(h+αq²/2gh²) / οh=0, откуда 1- αq²/h³g=0, где h=h_к. Из этого соотношения получаем:

αq²/h_к³g=1; h_к³= αq²/g и, следовательно,

Отсюда заключаем, что для прямоугольного русла, когда h=h_к, скоростной напор равен половине глубины в русле, т.е. напорная линия в этом случае возвышается над горизонтом воды в сечении на величину, равную половине глубины наполнения канала.

Различают три состояния безнапорного потока:

1) спокойное состояние потока, когда действительные глубины потока (при равномерном или неравномерном движении воды) больше критической глубины.

2) бурное состояние потока, когда h<h_к

3) критическое состояние потока, когда h= h_к

В спокойном движении, с увеличением глубины h удельная энергия сечения Э возрастает. οЭ/ οh>0

В бурном движении наоборот οЭ/ οh<0, здесь с возрастанием h величина Э убывает.

Т.о. можно сказать, что спокойное движение жидкости есть такое движение, при котором то или другое возмущение, например, искусственно созданное на свободной поверхности, будет распространяться как вверх, так и вниз по течению; при бурном же движении указанное возмущении будет распространяться только вниз по течению.

Если в русле имеет место спокойное установившееся движение воды, то характер протекания воды на низовых участках влияет на течение в пределах верховых участков; течение же на верховых участках русла не сказывается на протекании воды в пределах низовых участков. Следовательно, при спокойном установившемся движении глубина воды в данном сечении русла определяется обстоятельствами в пределах нижележащей части потока и не зависит от обстоятельств движения в пределах верховой части потока.

В случае бурного установившегося движения воды имеем обратную картину: глубина в данном сечении русла определяется обстоятельствами движения воды на вышележащем участке русла и не зависит от обстоятельств движения на нижележащем участке.

Рассмотрим вопрос о том, как сопрягаются два потока, когда один из них является спокойным, а другой бурным:

1)переход бурного потока в спокойный, как правило, осуществляется при помощи так называемого гидравлического прыжка, который характеризуется наличием водоворотной области (вальца жидкости)

2)переход спокойного потока в бурный осуществляется при помощи водопада (м.б. названа водопадом).