Měření a výpočet průtoků II

Transkript

1 Měření a výpočet průtoků II

2 Vyhodnocení průtoku z bodových rychlostí Způsoby vyhodnocení průtoků z bodových rychlostí. početním způsobem. metodou Harlachera 3. metodou Culmanna 4. použitím tachygrafické křivky

3 Pohyb vody v otevřeném korytě MODEL PRŮTOKU

4 Početní způsob Vyhodnocení průtoku dq u cosα ds u rychlost proudu v mezích elementární plošky α úhel mezi normálou k plošce a vektorem rychlosti ds velikost elementární plošky dx dy Q S u cosα ds yh y0 xb x0 u cosα dx dy Q cos yh y0 xb x0 u dx dy α = 0 cos α = Q h 0 B 0 udx dy S u ds Neznáme tvar funkce u = f(x,y) proto zaměníme integraci za sumaci dílčích průtoků

5 Z místních rychlostí jednotlivých svislic určíme střední svislicové rychlosti v i,dáledílčí plochyprůtočného průřezu apoužijeme následujícího výrazu, ve kterém je integrace zaměněna sumací dílčích průtoků Q i Q v v n n s0v s... sn 3 kde s o - průtočná plocha mezi břehem a první rychlostní svislicí, s - průtočná plocha mezi první a druhou rychlostní svislicí, v, v,..v i -střední rychlost v první, druhé, i-té svislici. 5-ti bodové měření v 0 3 bodové měření v i u p 3u0,8 3u0,4 u0, v i u 0,8 u0,4 u 4 bodové měření v i u 0,8 u0, bodové měření v i u 0,4 0, v u d 3 s n v n

6 Vyhodnocení průtoku dx Harlacherova metoda element průtoku celkový průtok dq q i dx v si h i dx Q B qi dx vs hi i 0 B 0 dx q i = v si h i elementární průtok v si střední rychlost v i-té svislici h i hloubka v i-té měrné svislici dx šířka elementárního proužku

7 Vyhodnocení průtoku Culmannova metoda - potřebujeme znát podrobný obraz o místních rychlostech po průřezu max 0 u u u s u du Q k n n n Q a s s a s s a s s Q... 0 s 0 plocha průtočného průřezu s, s, s n plocha ohraničená první, druhou, n-tou izotachou a,a, a i kroky izotach. k n n Q s s s s s a Q... 0 n n k u u s Q max 3

8 Vyhodnocení průtoku Tachygrafická křivka Počínaje max.rychlostí vynášíme na osu y místní rychlosti a k nim ve směru vodorovném plochy omezené jednotlivými izotachami, příp. izotachami a hladinou, ve kterých byly tyto rychlosti dosaženy příp. překročeny čára překročení Plocha v určitém měřítku udává velikost průtoku místní rychlosti plochy omezené jednotlivými izotachami Q u max S du S u 0 0 u ds

9 Měření plováky Přesnost měření hydrometrování průměrná chyba 0,4 % plováky - ±5 % za povodní - ± 0 % Měření povrchových rychlostí po celé šířce profilu maximální povrchová rychlost Měření středních svislicových rychlostí hlubinným plovákem integračně vznášeným plovákem

10 Měření povrchových rychlostí. měření po celé šířce profilu dráhu L musí plovák urazit za víc než 0 s (ne méně než 0 s) vypouštěcí profil 5 0 m nad horním profilem 5 8 vypouštěcích míst (-4x) v měrném profilu vzdálenost od levého břehu malé toky napjaté lano větší toky - z loďky u velkých zaměřením úhlu dolní profil měrný profil 3 horní profil 4 vypouštěcí profil Z dráhy a času vypočteme povrchové rychlosti pro jednotlivé svislice

11 Výpočet průtoku rychlost fiktivního (pomyslného) plováku u pl i L t i fiktivní průtok Q f k u pl s 0 u pl u pl s... u pl n u pl n s n k u pl n s n k součinitel přepočtu povrchové rychlosti v dané svislici na střední průřezovou rychlost v příbřežní části průtočného profilu

12 Hodnoty součinitele k Povlovný břeh 0,7 Srázný břeh nebo nerovná stěna 0,8 Hladká stěna 0,9 Příbřežní zóna s nulovými rychlostmi 0,5 skutečný průtok Q skut Q f K Q Q skut hydrom K Q Q f f K z tabulky (0,5 0,9) různé dno, hloubku, podmínky proudění

13 Charakteristika toku a koeficient střední hloubka podmínek proudění m - 5 m Nížiné toky (velké a střední), K 0,78-0,86 0,87-0,88 příznivé podmínky proudění K 0,55-0,67 0,68-0,77 Velké a střední toky s méně příznivými podmínkami proudění K 0,70-0,77 0,78-0,85 (značně znečištěné, částečně zarostlé, K 0,43-0,54 0,68-0,77 meandrovité, dno kamenité, neklidné proudění) Toky s horšími podmínkami proudění K 0,70-0,79 (koryto zarostlé, místy stojící voda) K 0,43-0,60 horské toky s dravým prouděním

14 Měření povrchových rychlostí. Měření maximální povrchové rychlosti Q f pro horské toky vhozené plováky jsou unášené do míst s největší rychlostí neměříme polohu plováků zvolíme 3 největší rychlosti v max v max S Q skut K Q f K z tabulky (pro různé dno, hloubku a podmínky proudění) Tento způsob stanovení Q je poměrně nepřesný

15 Měření středních svislicových rychlostí u toků s pravidelným dnem u toků s málo proměnlivými hloubkami po celém toku poměrné přesné stanovení Q Hlubinné plováky zatížený, aby se pohyboval v určité hloubce a svisle 0,4 H měřeno ode dna nejvíce se blíží střední svislicové rychlosti dq S 0 v s. ds

16 Měření středních svislicových rychlostí Integrační plováky v vztlaková síla u - účinek proudící vody v experimentálně ve stojaté vodě v s l t v h t t h v l l. v v s t h

17 Měření průměrné průřezové rychlosti pouze v laboratorních podmínkách měrnou clonou Q l t S l dráha, kterou clona překoná rovnoměrným pohybem za čas t S plocha ponořené části clony Nepřesnosti únik vody kolem clony - odpor vozíku je různý pro různé rychlosti

18 Chemický způsob měření průtoku. stopovač dávkujeme rovnoměrně směšovací způsob. stopovač vlijeme najednou integrační způsob rychlostní metoda

19 Chemický způsob měření průtoku u relativně malých průtoků u malých hloubek u turbulentních toků (promísení) nemůžeme použít hydrometrickou vrtuli ani plováky Výhody nepotřebujeme znát průtočný profil Nevýhody velká spotřeba chemikálií mnohdy špatná doprava chemikálií na místo velká časová náročnost instalace zařízení

20 Chemický způsob měření průtoku Směšovací způsob kontinuální (rovnoměrné dávkování roztoku soli známé koncentrace c ) Mariottova láhev Q Q 0 q 0 c0 q c c Q c c c c 0 0 q Q 0 - hledaný průtok q - sekundové množství soli rovnoměrně dávkované v roztoku do toku c 0 -původní koncentrace soli v toku

21 Chemický způsob měření průtoku Integrační způsob (stopovač vlijeme najednou měrný profil) horní profil roztok NaCl = V (-3 kg/0 l), na průtok m 3 /s se volí kg povařené soli) dolní profil (měrný) dokonalé promísení vzorky vodivost (ta je úměrná koncentraci soli) bystřiny m klidnější toky m S t P Δt intervaly v (s), ve kterých byly vodivosti odečítány Σ P součet pořadnic V t V P t P V P S Q S plocha pod křivkou V objem solného roztoku vlitého do toku P výpočtová vodivost vlévaného roztoku, vyjádřená v promilích ( )

22 Chemický způsob měření průtoku Rychlostní metoda (stopovač vlijeme najednou měrné profily) měříme časovou závislost elektrické vodivosti, příp. koncentraci potřebujeme znát průtočnou plochu Q S.v v l t l vzdálenost měrných profilů t časový interval dosažených maxim v průměrná průřezová rychlost Q S. l t

23 Hydraulické metody stanovení průtoku Nádoba s otvory -poměrně přesná metoda pro malé průtoky vydatnost pramenů ostrohranné otvory různá kombinace velikostí nejpřesnější nejvyšší h Q S g h μ výtokový součinitel S plocha otvoru (kombinace otvorů) h převýšení hladiny nade dnem. d Q. g. h 4 µ - koriguje zakřivenost vtoku a nepoměry v průřezech

24 Hydraulické metody stanovení průtoku Přelivy (zařízení na měření průtoků) x přepad (děj) výzkumných povodích kontinuální měření průtoku v uzávěrových profilech nesmí být ovlivněn spodní vodou dokonalý přepad zavzdušněnost prostoru pod přepadovým paprskem upravené koryto únik vody dnem a svahy koryta obtékání vody po stranách přelivu

25 Hydraulické metody stanovení průtoku Členění podle půdorysného uspořádání čelní přeliv šikmý přeliv lomený přeliv zakřivený přeliv boční přeliv Různé tvary průtočných profilů

26 Hydraulické metody stanovení průtoku Bazinův přeliv dokonalý přepad přes ostrou hranu v obdélníkovém průřezu bez bočního zúžení (kontrakce) pro větší průtoky b Q mb S v S bh v gh Q mb b g h 3/ Bazinova rovnice m b 0,405 0,003 0,55 h h h s vztah pro m b platí v rozmezí m p - součinitel přepadu pro.odhad 0,4 b - šířka přelivné hrany h - přepadová výška s výška přelivné hrany 0, m < h > 0,6 m 0,5 m < b > m 0, m < s > m

27 Hydraulické metody stanovení průtoku Ponceletův přeliv dokonalý přeliv s boční kontrakcí (b < B) 0 p S S 0,55 B b 0,03 h 0,003 0,405 m S průtočný průřez ve výřezu S 0 průtočný průřez přívodního žlabu h,b,b,a parametry objektu S b.h pro m různé vzorce od různých autorů rozdíly obvykle < -3 % h a B. S 0 3 p h g b m Q 0 p S S, B b h, f m 0,55 0,003 0,405 s h h h m p pro Bazinův přeliv Obr.:

28 Hydraulické metody stanovení průtoku Trojúhelníkové přelivy tg x h x htg x x Obr.: α Q mt S v S x h h tg h h tg Q mt h tg g Q mt g tg h h v pro α = 90 tg α/ = 5 g h m t = 0,36 5 = 4,494 g m t g 0,364,494,4 Q,4 h

29 Hydraulické metody stanovení průtoku Cipolettiho přeliv Kombinovaný přeliv Přeliv s krátkou korunou Přeliv se širokou korunou Obr.:

30

31 Konzum(p)ční křivka měrná průtoková křivka Q = f(h) Q a. H b m nejednoznačnost konzumční křivky povodňová vlna

32 Konzumční křivka - nejednoznačnost zimní nebo letní podmínky Zimní podmínky ledová tříšť Letní podmínky zarůstání koryta a břehů Větší odpor proti proudění pro stejný vodní stav je menší průtok

33

34 Sestrojte teoretickou konzumční křivku pro dva přelivy Ponceletův a Thomsonův instalované ve stejném korytě o šířce 50 cm. Počítejte rozsah výšek 0 0, m (krok 0,0 m) a porovnejte průtok při naměřené výšce 0,0 m. Rozhodněte, který z přelivů je pro tuto výšku vhodnější. Ponceletův přeliv boční kontrakce 00 mm - výška minima přepadové hrany 40 mm Q [m 3 /s] Q [l/s]!!!!

35 Hydraulické metody stanovení průtoku Venturimetr uzavřený měření průtoků v tlakovém potrubí Q vs gh v m ξ součinitel ztrát α přepočítávací faktor mezi tlakem a rychlostí m S /S S průtočný průřez potrubí v nezúžené části S průtočný průřez v místě největšího zúžení

36 Hydraulické metody stanovení průtoku Venturimetr otevřený a) h 3 > h -zatopený Q b h g h h b) h 3 < h nezatopený h Q b h g 3 3 měříme h i h φ koeficient odporu proti proudění φ = 0,95 měří se pouze h h=k.h

37 Hydraulické metody stanovení průtoku Parschalův žlab Q= a.h a b a,b koeficienty pro daný typ žlabu

38 Hydraulické metody stanovení průtoku Parschalův žlab h d hloubka vody za žlabem vztažená k nivelitě dna přední části žlabu

39

40

41

42 Parschalův žlab

43 ČOV Žamberk

44 Elektronický průtokoměr ultrazvukový Dopplerův efekt vysokofrekvenční vlny Měří střední průřezovou rychlost

45

46

47

48 Určení průtoku empirickými vzorci Průtoky vody se v přirozených tocích mění podle množství spadlých srážek s proměnlivou dotací ze spodních vod s teplotou sucha Pohyb neustálený pro výpočet nepoužitelný, ale vyskytuje se nejčastěji průtoky se neustále mění v závislosti na čase Q konst., dq/dt 0, Q = f(t) ustálený - jen v poměrně krátkých časových obdobích průtok se prakticky nemění Q = konst., dq/dt = 0 nerovnoměrný - vlivem - proměnlivého sklonu dna S konst., v konst. -různým příčným profilem -různou drsností koryta rovnoměrný - pro výpočet nejlepší jen v krátkých úsecích- důsledek sklonu a dv/dl = 0 Vybíráme vhodný úsek toku, dostatečně krátký časový interval, bez přítoků a odtoků pohyb ustálený rovnoměrný Q = konst. nerovností dna (drsnosti koryta)

49 Určení průtoku empirickými vzorci pro správné výsledky nutný ustálený rovnoměrný pohyb dq = 0, dv/dl = 0 stanovit vhodný výpočtový úsek toku (přímkový úsek, konstantní sklon a drsnost dna) správně určit omočené obvody O délka omočené části průtočného profilu a průtočnou plochu S (pečlivost sondování) správně určit hydraulický poloměr R správně odhadnout stupeň drsnosti a sklonu koryta = problém R = S/O široké koryto : B>(0-30)y : S B.y O B R y

50 Určení průtoku empirickými vzorci Problém součinitel drsnosti n (0,0 0,08) rozhoduje o správnosti výsledku vyjadřuje celkové odpory proti proudění odhad z charakteru dna a z tabulek o o o změna dna zarůstání vegetace zvýšení průtoku plaveniny a splaveniny změna charakteru dna po povodni stanovení sklonu dna I zakřivení, nestejná výška hladiny nerovnosti ve dně více bodů měření h a vyrovnat metodou nejmenších čtverců

51 Určení průtoku empirickými vzorci Rovnice kontinuity Q 3 v.s v.s v3.s... v.s Chézyho rovnice (775) v C RI v průměrná průřezová rychlost [m/s] C Chézyho rychlostní součinitel [m / /s] R hydraulický poloměr, R = S/O [m] O omočený obvod průtočného průřezu [m] S průřez průtočného profilu [m ] I podélný sklon hladiny (nivelita dna) [ ] C =?

52 Určení průtoku empirickými vzorci Výpočet rychlostního součinitele C PAVLOVSKIJ (95) MANNING (890) KUTTER pro stoky y R n C y=f(n,r) 6 R n C 3 I R n v / / R m 00.R C / / I. R m 00.R v 0,0 n R 0,75 0,3 n,5 y 6 I R R n v I R R m R 00 v

53