4.Измерение скоростей течения воды.

4. Измерение скоростей течения воды.

Определение скоростей течения воды необходимо при измерении расходов воды, а так же при изучении течений для нужд судоходства и лесосплава, строительства мостов и гидротехнических сооружений, при изучении скоростного поля рек, водохранилищ и озёр для решения ряда научных и практических задач.

В русловых потоках – реках, каналах, водохранилищах, в которых производятся измерения скоростей течения методами гидрометрии, наблюдается турбулентный режим движения воды, который характеризуется перемешиванием водных масс, вызывающим пульсацию скоростей, как по величине, так и по направлению. Причиной турбулентного перемешивания является возникновение вихрей на выступах шероховатости русла; вихри, отрываясь от выступов, проникают в толщу потока. В результате этого вся масса воды потока движется в условиях непрерывного перемешивания отдельных объёмов воды. В связи с этим скоростное поле потока представляет собой сложную картину, непрерывно меняющуюся во времени.

Современная аппаратура позволяет измерить и записать на ленте осциллографа пульсационные изменения скорости течения во времени. Подобные измерения показывают, что пульсационные изменения происходят с большей частотой, причём на отдельные пики значительной амплитуды накладываются пики меньшей амплитуды, но большей частоты.

Методы и приборы для измерения скоростей течения воды.

Классификация методов измерения.

Метод, основанный на регистрации числа оборотов лопастного винта (ротора). Скорость течения измеряется наиболее распространёнными приборами – гидрометрическими вертушками. При измерении скорости регистрируется общее число оборотов лопастного винта и продолжительность измерения. Величина скорости определяется по тарировочному графику в зависимости от числа оборотов в секунду. Посредством гидрометрических вертушек обычно определяется местная скорость течения в отдельных точках потока, хотя вертушки могут также применяться для интеграционного определения средней скорости на вертикали или, например, средней поверхностной скорости потока.

Метод, основанный на регистрации скорости плывущего тела. Для измерения скорости, используются различного рода поплавки, которые могут запускаться как на поверхность потока, так и на требуемую глубину. Скорость течения принимается равной скорости движения поплавка, которая определяется по времени прохождения поплавком определённого расстояния. Отсюда видно, что при поплавочных измерениях получаем величину скорости, осреднённую для участка потока по траектории движения поплавка.

Метод, основанный на регистрации величины скоростного напора.   Для измерения скорости используются гидрометрические трубки различной конструкции, прообразом которых является трубка Пито (1732 г. ). Скорость определяется в зависимости от величины скоростного напора, для этого трубка вводится в поток отверстием навстречу течению. Величина скоростного напора измеряется непосредственно по высоте подъёма уровня в трубке. Гидрометрические трубки дают местную скорость в отдельных точках потока.

Метод, основанный на регистрации величины силового воздействия потока. Для измерения скорости используются приборы, в которых имеется чувствительный элемент, воспринимающий силовое воздействие потока. В настоящее время подобные приборы применяются главным образом для научно-исследовательских работ с целью измерения и осциллографической записи мгновенных скоростей в отдельных точках потока. Они позволяют исследовать пульсацию скоростей.

Метод, основанный на принципе теплообмена. Для измерения скорости используются приборы, имеющие в качестве рабочего органа нагретый элемент, вводимый в поток. Скорость течения определяется в зависимости от быстроты охлаждения чувствительного элемента: чем больше скорость, тем выше темп охлаждения. Подобные приборы применяются для научных исследований, главным образом в лабораторных условиях; с их помощью измеряют мгновенные скорости, обычно с непрерывной записью на осциллографе.

Метод, основанный на измерении объёма воды, вошедшей в прибор за время наблюдения.  В поток вводится прибор – батометр, входным отверстием навстречу течению, и выдерживается определённое время, после чего вынимается; измеряется объём воды, вошедшей в прибор. Скорость определяется по тарировочному графику в зависимости от объёма воды, вошедшей за единицу времени. Этот способ почти вышел из употребления.

Метод, основанный на применении ультразвука. При распространении ультразвуковых колебаний в движущейся среде, в частности в воде, скорость ультразвука относительно неподвижной системы координат равна векторной сумме скорости звука и скорости самой среды. Ультразвуковой метод применяется в настоящее время для измерений в закрытых трубопроводах расходов различных жидкостей, в том числе загрязнённых, агрессивных и кристаллизирующихся, а так же пульп. В гидрометрии он пока широко не применяется, но считается перспективным для измерения расходов воды в реках.