 |
Измерение скоростей гидрометрическими вертушками.
|
|
|
|
Измерение скоростей гидрометрическими вертушками.
Интеграционный способ измерения скоростей течения и расходов воды.
Сущность интеграционного способа заключается в следующем. Если гидрометрическую вертушку, установленную лопастным винтом навстречу течения, медленно перемещать в плоскости живого сечения по какому-либо направлению и при этом регистрировать общее число оборотов винта N и время t, то средняя скорость течения на данном отрезке пути вертушки определится по числу оборотов n в секунду, т. е.
V=f(n)
и может быть найдена на тарировочной кривой.
Интеграционное измерение скорости можно производить по вертикали, по горизонтали и по всему живому сечению.
Интеграционное измерение по вертикали делается для определения средней скорости на данной вертикали. Для этого вертушку медленным равномерным движением опускают от поверхности до дна и затем без остановки поднимают с той же скоростью до поверхности. Суммарное число оборотов винта, делённое на время измерения, дает число оборотов в секунду, соответствующее средней скорости на вертикали.
Следует иметь ввиду, что при опускании вертушки лопастный винт переходит из слоёв воды с большими скоростями в слои с меньшими скоростями, при этом из-за инерционности винта число оборотов, а следовательно, и скорость течения будут завышены. При подъёме вертушки, наоборот, скорость будет занижена. Для правильного определения величины средней скорости на вертикали необходимо вертушку опустить и поднять, как сказано выше.
На точность интеграционных измерений оказывают влияние недостаточное осреднение во времени пульсационных изменений скорости. Кроме того, при опускании вертушки она не доводится до самого дна, что приводит к некоторому завышению средней скорости. По этим причинам точность интеграционного измерения средней скорости на вертикали несколько ниже, чем точность измерения точечным способом (примерно на 1-3 %).
|
|
|
Интеграционный способ применяется также для определения скорости на поверхности по ширине реки и средней скорости в живом сечении потока.
Интеграционное измерение средней поверхностной скорости течения может применяться для определения расхода воды аналогично измерению расхода поверхностными поплавками. Такое измерение требует меньшей затраты времени по сравнению с поплавочным методом.
Интеграционное измерение средней скорости в живом сечении потока преследует цель определить величину средней скорости всего потока для получения расхода воды, при этом величина расхода вычисляется умножением средней скорости на площадь живого сечения.
Интеграционное измерение средней скорости потока можно производить, перемещая вертушку в живом сечении по зигзагообразной траектории от поверхности ко дну и обратно от одного берега до другого. При этом регистрируется общее число оборотов лопастного винта и продолжительность измерения, по ним находится число оборотов винта в секунду и по тарировочной зависимости – средняя скорость течения. При таком способе лопастной винт будет находиться под воздействием трёх скоростей: скорости течения, скорости вертикального и скорости горизонтального перемещения вертушки.
Условия применения интеграционного способа:
1. Средняя скорость по траектории движения вертушки может быть определена по полному числу оборотов лопастного винта и соответствующему времени при наличии прямолинейной тарировочной зависимости и передвижении вертушки с небольшой скоростью. При малых скоростях течения интеграционный способ применять не следует.
|
|
|
2. Для получения путём интеграции истинной величины средней скорости в живом сечении необходимо, чтобы вертушка проходила через равные элементы площади за равные промежутки времени.
Интеграционное измерение скорости чаще производят вертушкой на тросе с грузом.
Поплавки.
При определении скорости поплавком допускается, что скорость движения последнего равна скорости течения воды в месте нахождения поплавка. Такое допущение значительно упрощает определение скорости, хотя установлено экспериментально и теоретически, что тело, плывущее по течению, движется быстрее окружающих его частиц воды. Этот факт был отмечен ещё Дюбуа в 1786 г.
Причиной обгона является наличие неуравновешенной проекции веса тела на ось движения. Рассмотрим силы, действующие на плывущее в воде в состоянии безразличного равновесия тело (рис. 1). Проведем прямоугольную систему координат, расположив начало координат в центре тяжести тела, а ось абсцисс направим вниз по течению параллельно поверхности воды. Архимедова подъемная сила действует
перпендикулярно водной поверхности; ее проекция на ось движения равна нулю. Сила тяжести направлена вертикально вниз. Вес тела равен
где 
- удельный вес; V – объем тела.
Проекция веса тела на ось движения
где 
- угол наклона водной поверхности к горизонту; 
- уклон водной поверхности.
Сила 
, т. е. проекция веса плывущего тела на ось движения, и вызывает ускорение плывущего тела. Под ее воздействием тело двигалось бы все время с ускорением, если бы не существовало сопротивления воды R.
Опущенное в поток тело не приобретает сразу скорость, равную скорости движения воды. В течении некоторого времени скорость тела возрастает от нуля до скорости, равной скорости окружающих частиц воды. Далее тело начинает обгонять их, пока сила сопротивления воды не уравновесит движущую силу. После этого движение тела продолжается со скоростью, превышающей скорость потока. Превышение скорости плывущего тела над скоростью потока зависит от веса, формы тела и уклона водной поверхности. Чем тяжелее плывущее тело, чем меньше величина площади проекции тела на плоскость, перпендикулярную оси движения, чем более обтекаемая форма тела и больше уклон водной поверхности, тем больше величина обгона.
|
|
|
Размеры обычно применяемых поплавков незначительны, вследствие чего ошибки из-за указанного превышения скорости малы, как правило, в пределах точности измерений. Однако из сказанного выше следует сделать вывод, что размеры поплавков для гидрометрических измерений должны быть по возможности меньшими. Если на больших реках приходится делать сравнительно большие поплавки, то им следует придавать плохо обтекаемую форму, например в виде крестовин из досок.
В речной гидрометрии применяются преимущественно поверхностные поплавки, но в отдельных случаях применяют также глубинные и поплавки-интеграторы. Последние применяют в настоящие время при измерениях воды с самолета. Существуют ещё двойные поплавки, которые применяются в основном для изучения течений на морях, а также на озерах и водохранилищах.
|
|
|
