ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ ВОДЫ
Эпюры давления воды р удобно представлять в метрах водяного столба h=p/fa как это принято в гидравлике. При параллельноструйном движении воды в канале гидростатический (линейный) характер распределения давления по дну и стенкам канала сохраняется в каналах с малым (КОД) уклоном дна (рис. 2.2, а, б).
В каналах с большим уклоном дна (i>0,l) при параллельноструйном или медленно изменяющемся движении воды наблюдается уменьшение давления при сохранении линейного характера распределения давления по глубине потока (рис. 2.2, в):
При криволинейном движении воды, когда влиянием кривизны линий тока пренебречь нельзя, в потоке возникают ощутимые центробежные силы, нормальные к направлению движения, наличие которых приводит к распределению давления, отличного от гидростатического (рис. 2.2, г, д), В этом случае давление на дно канала h г будет равно:
Кинетическое давление Рк может быть вычислено как произведение массы столба воды высотой И с единичной площадью основания, т.е. уа h /g, на нормальное ускорение:
В выпуклом потоке центробежные силы направлены вверх в противоположную по сравнению с силой тяжести сторону; вследствие этого давление в воде меньше гидростатического на величину йк (рис. 2.2, г). В вогнутом потоке центробежные силы суммируются с силой тяжести, что приводит к повышению давления сверх гидростатического на величину (рис. 2.2). Если канал или водослив имеет большой уклон и криволинейный профиль, то влияние уклона и центробежных сил проявляется одновременно (рис. 2.3).
При обтекании потоком жидкости (воздуха, воды) сооружений и конструкций на них действует гидродинамическая сила, слагающаяся из касательных т и нормальных р напряжений (давления) по поверхности обтекаемого тела. Векторная сумма нормальных и касательных сил, взятая по всей поверхности тела, определяет вектор результирующей силы R, составляющая которой в направлении, обратном скорости v обтекания тела, называется лобовым сопротивлением F, а составляющая, нормальная к направлению скорости v, подъемной силой А.
Гидротехнические конструкции (гасители, бычки) имеют такие очертания и формы, которые с позиций гидромеханики относятся к телам с тупыми обводами (плохо обтекаемым), что позволяет пренебречь влиянием касательных напряжений и подъемной силой. Тогда определение гидродинамической силы сводится к определению силы лобового сопротивления по эпюре гидродинамического давления р
Подобным образом определяется сила давления воды, например, на обшивку частично открытого затвора, на оголовок водоприемного отверстия, на гаситель энергии потока. Использование формулы (2.6) требует знания характера распределения (эпюры) гидродинамического давления р по поверхности тела, что во многих случаях затруднено, поэтому в инженерной практике широко используется следующая формула, впервые предложенная Ньютоном:
Формула (2.7) применяется для расчета нагрузок на типовые конструкции: быки, гасители, сваи, швеллеры и др., для которых экспериментально определяют коэффициенты лобового сопротивления С.
При турбулентном режиме движения воды, характерном для гидротехнических сооружений, гидродинамическое давление р в любой точке потока изменяется во времени пульсирует, т. е. имеет случайный характер, что требует статистического описания процесса пульсации давления (рис. 2.4). Для случая стационарного процесса (т. е. не изменяющего свои статистические параметры во времени) основными характеристиками гидродинамического давления р
При небольших скоростях и безотрывном течении водного потока пульсационной составляющей при определении гидродинамической нагрузки на конструкции можно пренебречь и расчет вести по одной из формул (2.9), (2.7) или (2.6).
Пульсационная нагрузка вызывает вибрацию конструкций и сооружений, создает переменное напряженное состояние, которое может привести к их усталостному разрушению. При значительных скоростях водного потока и образовании отрывных течений влияние пульсационной нагрузки р на напряженно деформированное состояние конструкции или сооружения становится столь существенным, что пренебрежение ею или ее недооценка могут привести к авариям, что неоднократно и наблюдалось на практике. В каждом конкретном случае определение пульсационных нагрузок требует проведения модельных или натурных исследований (см. гл. 32 и 33). Учитывают пульсации давления как статическую нагрузку в случаях, когда собственная частота fo конструкции (с учетом присоединенной массы воды) больше или равна V5 частоты пульсации давления/р, что, например, характерно дня плит крепления нижнего бьефа и плит водопропускных трактов (быстротока). Для приближенных оценок можно воспользоваться известными работами [37,105, 181].
