Спосіб визначення витрат води у відкритих каналах

Реферат: UA 82083 U UA 82083 U 5 10 15 20 25 30 35 40 Корисна модель належить до способів гідрологічних вимірювань і може бути використана при вимірюванні витрат води в зрошувальних та осушувальних каналах. Відомий спосіб визначення витрат води у відкритих каналах, який здійснюють шляхом спорудження в руслі каналу гідрометричних лотків, при проходженні яких потік води деформується та набуває певної форми, що дає змогу визначити витрати води за допомогою відповідних аналітичних залежностей (див. Железняков Г.В. Гидрометрия. М.: Колос, 1964, 304 с.С. 196-210). Недоліком відомого способу є обмеженість його застосування, оскільки цей спосіб передбачає спорудження в руслі каналу спеціальних гідрометричних лотків, що суттєво підвищує собівартість постачання води відкритими зрошувальними каналами, особливо каналами великих розмірів. Тому відомий спосіб вимірювання витрат води використовують обмежено і тільки на каналах, ширина, яких не перевищує 5 м. Найближчим аналогом способу, що пропонується, по технічній суті і досягненню ефекту є спосіб визначення витрат води у відкритих каналах, який здійснюють шляхом ділення загального потоку води в каналі на окремі потоки, вимірювання швидкості руху і витрат води окремих потоків з наступним визначенням витрат води в каналі у вигляді суми витрат окремих потоків (див. Железняков Г.В. Гидрометрия. М.: Колос, 1964, 304 с., С. 154-155). Недоліком відомого способу є складність його застосування, низька продуктивність та висока собівартість проведення робіт з експлуатаційної гідрометрії на меліоративних каналах, коли виникає потреба комплексного виконання вимірювань на каналах. В основу корисної моделі поставлено задачу спрощення процесу вимірювання витрат води в каналах, підвищення його продуктивності та зниження собівартості. Поставлена задача вирішується тим, що вимірювання швидкості руху води здійснюють тільки в площині симетрії каналу для окремого елементарного потоку води на її поверхні за допомогою поплавку з подальшим врахуванням цієї швидкості як критеріальної швидкості V , необхідної та достатньої для визначення витрат загального потоку води в каналі за розрахунковою формулою, а ділення загального потоку води в каналі та визначення суми витрат окремих потоків здійснюють методами диференціювання та інтегрування, при цьому диференціювання загального потоку води в каналі та визначення швидкостей руху і витрат води окремих елементарних потоків спочатку здійснюють шляхом апроксимації реального змоченого периметра русла каналу розрахунковим змоченим периметром у вигляді параболи 12HB    2 zy  y z0 B3 , у якої нижня точка співпадає з початком прямокутних координат ZOY в площині поперек каналу, yz0 є координатою точки розрахункового змоченого периметра z поперек каналу по осі OY, y є координатою точки розрахункового змоченого периметра по висоті потоку води, H є висотою загального потоку води, B є шириною верхньої частини загального потоку води,  є площею поперечного перерізу загального потоку води в каналі, а потім диференціювання загального потоку води в каналі та визначення швидкостей руху і витрат води окремих елементарних потоків здійснюють шляхом апроксимації швидкості xz0 руху елементарних потоків в площині ZOX, що співпадає з вертикальною площиною симетрії H 2 zx  x z0 V2 каналу, параболою виду у якої z x є вертикальною координатою елементарних потоків, а потім диференціювання загального потоку води в каналі та визначення швидкостей руху і витрат води окремих елементарних потоків здійснюють шляхом апроксимації функції розподілу швидкостей x z руху елементарних потоків від координати y z для горизонтальних шарів загального потоку води на вертикальних відмітках z від 0 до H у вигляді еліпсів y2 z 45 y 20 z  x2 z x 20 z 1 , у яких yz0 і xz0 є координатами точок еліпсів, які розміщені відповідно у площині ZOY та у площині ZOX, і є радіусами еліпсів, а, після апроксимації функціональними залежностями швидкостей руху елементарних потоків, здійснюють інтегрування витрат елементарних потоків води шляхом інтегрування функціональних залежностей руху елементарних потоків, в результаті чого встановлюють розрахункову формулу 1 UA 82083 U H2 V Q 3HB     H B3 визначення витрат Q загального потоку води в каналі, яку застосовують після вимірювання параметрів H , B ,  і V . Викладена суть корисної моделі пояснюється кресленнями, на яких показано: на фіг. 1 схема поперечного перерізу каналу з реальним змоченим периметром та з розрахунковим змоченим периметром; на фіг. 2 - вид зверхуканалу з зображенням еліптичної епюри розподілу швидкостей руху елементарних потоків води на її поверхні та схеми вимірювання критеріальної швидкості V ; на фіг. 3 - епюра швидкостей елементарних потоків по А-А на фіг. 2; на фіг. 4 - те саме, по Б-Б на фіг. 2. Спосіб визначення витрат води у відкритих каналах здійснюють шляхом диференціювання загального потоку води в каналі з визначенням функціональних залежностей розподілу швидкостей руху та витрат елементарних потоків по осям прямокутних координат та з наступним інтегруванням витрат елементарних потоків з визначенням та практичним використанням розрахункової формули витрат води в каналі. Спочатку для реального змоченого периметру 1 каналу 2, через який проходить потік води 3, виконують вимірювання ширини B , висоти H та площі  поперечного перерізу потоку 3 (фіг. 1). Якщо на дні каналу 2 знаходиться шар мулу 4, нижньою границею змоченого периметра 1 вважають профіль верхньої поверхні мулу 4. Якщо канал 2 має трапецієвидний поперечний профіль з відомим коефіцієнтом закладення укосів m , площу  визначають розрахунком за формулою: 8 5 10 15 20   B  mH H . Потім реальний змочений периметр 1 каналу 2 в розрахунках витрат води замінюють розрахунковим змоченим периметром 5 параболічного профілю за умовою, що p площа поперечного перерізу потоку води для периметра 5 дорівнює площі  для периметра 1. Периметр 5 в системі ZOY апроксимують параболою  zy  ay2 . Площу p B / 2   ay 3  aB3  p   H  ay dy   Hy   HB     3  12 B / 2   B / 2 знаходять інтегруванням: . B / 2 25 Звідки знаходять: системі ZOY. a 2 12HB     B3 y z0  ; zy a , де yz0 і z y - координати точок периметра 5 в Епюру 6 розподілу швидкостей xz0 елементарних потоків в координатній площині ZOX, що співпадає з площиною симетрії каналу, а також епюри 7 розподілу швидкостей xzF елементарних потоків в інших площинах, паралельних ZOX, для яких, наприклад, y  F  0 (фіг. 30 2 2, фіг. 3, фіг. 4), апроксимують параболами виду z x  cx , де c - коефіцієнт. Величину H c  z H   x V2   x z0  V  коефіцієнту c знаходять для епюри 6 в площині ZOX підстановкою: . Потім x z0  zx  V zx c H . швидкості елементарних потоків в площині ZOX представляють функцією: Розподіл швидкостей елементарних потоків в площинах, перпендикулярних осі OZ, y2 z 35  x2 z 1 y 20 x 20 z апроксимують еліпсами: z , у яких yz0 і xz0 є координатами точок еліпсів, які розміщені відповідно у площині ZOY та у площині ZOX, і є радіусами еліпсів. Витрати Q загального потоку води в каналі 2 визначають шляхом інтегрування по осі z площ горизонтальних еліптичних епюр, розрахованих шляхом множення їх радіусів, представлених функціями yz0 і xz0 . 2 UA 82083 U H H   z Q  y z0 x z0dz   2 2 a z 0 z 0 Після значення 4 ac H  0 параметра H2 4 ac a  H2 V 4 aH . встановлюють розрахункову формулу H V 8 10 c dz  z2 2 Q 5 підстановки z 3HB     B3 H , яку застосовують для визначення витрат Q загального потоку води в каналі після вимірювання параметрів H , B ,  і V . При цьому критеріальну швидкість V вимірюють за допомогою поплавку 8 за формулою V  l / t , де l - шлях, який пропливе поплавок 8 за період часу /. Приклад виконання способу. Для облицьованого плитами каналу 2, який, наприклад, має коефіцієнт закладання укосів m  15 та шар мулу 4 невизначеної товщини необхідно визначити витрати Q потоку води 3. , Спочатку за допомогою, наприклад, гідрометричної штанги вимірюють висоту потоку води H  5,4 м . Потім за допомогою, наприклад, рулетки вимірюють ширину потоку води В  20,7 м . За формулою    B  mH H розраховують площу поперечного перерізу потоку води в каналі: 15 20    20,7  15  5,4 5,4  68,07 м2 . Вибирають поплавок 8, який має яскравий колір та , властивість майже повністю занурюватись в воду, що забезпечує поплавку 8 мінімальну парусність та мінімальну здатність реагувати на вітер. Поплавок 8 опускають на поверхню води на середині каналу. На бровці каналу за допомогою рулетки виміряють шлях, який пропливе поплавок 8, наприклад, l  150 м , та за допомогою секундоміра заміряють час, за який поплавок 8 пропливе цей шлях, наприклад, V  l / t  150 / 315  0,476 м / с . Визначають витрати води в каналі: H2 V Q 8 25 3HB     B3 3,14  5,42  0,476  H t  315 c . Визначають критеріальну швидкість води 8 35,4  20,7  68,04 20,73  19,3 м3 / с 5,4 . Корисна модель належить до способів гідрологічних вимірювань і може бути використана при визначенні витрат води у відкритих зрошувальних і осушувальних каналах. Передбачається використання способу у 2013 році організаціями Держводагентства України при обліку об'ємів постачання води мережею відкритих каналів для потреб зрошення та населених пунктів. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 30 35 40 Спосіб визначення витрат води у відкритих каналах, який здійснюють шляхом ділення загального потоку води в каналі на окремі потоки, вимірювання швидкості руху і витрат води окремих потоків з наступним визначенням витрат води в каналі у вигляді суми витрат окремих потоків, який відрізняється тим, що вимірювання швидкості руху води здійснюють тільки в площині симетрії каналу для окремого елементарного потоку води на її поверхні за допомогою поплавка з подальшим врахуванням цієї швидкості як критеріальної швидкості V , необхідної та достатньої для визначення витрат загального потоку води в каналі за розрахунковою формулою, а ділення загального потоку води в каналі та визначення суми витрат окремих потоків здійснюють методами диференціювання та інтегрування, при цьому диференціювання загального потоку води в каналі та визначення швидкостей руху і витрат води окремих елементарних потоків спочатку здійснюють шляхом апроксимації реального змоченого периметра русла каналу розрахунковим змоченим периметром у вигляді параболи zy  45 12HB     B3 y 20 , у якій нижня точка співпадає з початком прямокутних координат ZOY в z площині поперек каналу, y z0 є координатою точки розрахункового змоченого периметра поперек каналу по осі OY, z y є координатою точки розрахункового змоченого периметра по 3 UA 82083 U 5 висоті потоку води, H є висотою загального потоку води, B є шириною верхньої частини загального потоку води,   є площею поперечного перерізу загального потоку води в каналі, а потім диференціювання загального потоку води в каналі та визначення швидкостей руху і витрат води окремих елементарних потоків здійснюють шляхом апроксимації швидкості x z0 руху елементарних потоків в площині ZOX, що співпадає з вертикальною площиною симетрії каналу, параболою виду z x  10 x 20 , у якої z x є вертикальною координатою елементарних z потоків, а потім диференціювання загального потоку води в каналі та визначення швидкостей руху і витрат води окремих елементарних потоків здійснюють шляхом апроксимації функції розподілу швидкостей x z руху елементарних потоків від координати y z для горизонтальних шарів загального потоку води на вертикальних відмітках z від 0 до H у вигляді еліпсів y2 z y 20 z 15 H V2  x2 z x 20 z  1 , у яких y z0 і x z0 є координатами точок еліпсів, які розміщені відповідно у площині ZОY та у площині ZOX, і є радіусами еліпсів, а після апроксимації функціональними залежностями швидкостей руху елементарних потоків здійснюють інтегрування витрат елементарних потоків води шляхом інтегрування функціональних залежностей руху елементарних потоків, в результаті чого встановлюють розрахункову формулу H2 V Q 8 3HB     B3 визначення витрат Q загального потоку води в каналі, яку застосовують H після вимірювання параметрів H , B ,   і V . 4 UA 82083 U Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5