BL2.ru

Равномерное движение в открытых руслах: формула Шези, коэффициент Маннинга, нормальная глубина

Найдите нормальную глубину канала по расходу и уклону, расход по заданной глубине или размеры гидравлически наивыгоднейшего сечения. Поддерживаются трапецеидальное (в том числе прямоугольное и треугольное) русло и частично заполненная круглая труба.

Уклон дна i — безразмерный (0,001 = 1 промилле). Для круглой трубы b — диаметр, нормальная глубина ищется до 0,938 D (максимум расхода). Шероховатость n выбирается из таблицы Чоу (справочно, нормальные значения) или вводится свой. Формула Павловского даёт показатель степени y, формула Маннинга — 1/6.
Рассчитать

Формула Шези

При равномерном движении в открытом русле сила тяжести уравновешена трением, глубина и скорость постоянны вдоль потока, а уклон дна, свободной поверхности и линии энергии одинаков. Тогда по формуле Шези v = C·√(R·i), расход Q = ω·v. Здесь ω — площадь живого сечения, χ — смоченный периметр, R = ω/χ — гидравлический радиус, i — уклон, C — коэффициент Шези (м^0,5/с).

Коэффициент Маннинга и Павловского

Коэффициент C находят эмпирически. Формула Маннинга: C = R^(1/6) / n, где n — коэффициент шероховатости (с/м^(1/3)). В отечественных нормах часто используют формулу Н. Н. Павловского: C = R^y / n, y = 2,5·√n − 0,13 − 0,75·√R·(√n − 0,1). Значения n в таблице страницы — нормальные и предельные значения из справочной таблицы В. Т. Чоу (1959, Open-Channel Hydraulics); они зависят от материала, состояния и растительности, поэтому в расчёте канала задают запас.

Нормальная глубина

Нормальная глубина h₀ — глубина равномерного потока для заданных расхода и уклона. Из-за сложной связи ω и R с глубиной её находят подбором, расход растёт с глубиной монотонно. Сравнивая h₀ с критической глубиной h_k (число Фруда Fr = v/√(g·ω/B) равно 1), определяют режим: при h₀ больше h_k поток спокойный, при меньше — бурный. Для круглой трубы расход достигает максимума около 0,94 диаметра, поэтому нормальная глубина ищется только до этого заполнения.

Наивыгоднейшее сечение

Гидравлически наивыгоднейшим называют сечение, пропускающее заданный расход при наименьшей площади. Для трапеции с заложением откоса m оно имеет отношение ширины к глубине b/h = 2·(√(1 + m²) − m), при этом R = h/2. Для прямоугольника b = 2h. Практические размеры часто отличаются из-за грунта, затрат на выемку и скоростных ограничений.

Источники: Chow V. T. Open-Channel Hydraulics, McGraw-Hill, 1959 (Table 5-6, значения n); Чугаев Р. Р. Гидравлика; Штеренлихт Д. В. Гидравлика; Богомолов А. И., Михайлов К. А. Гидравлика.

Частые вопросы

Как найти нормальную глубину канала?
Нормальную глубину находят подбором: расход по формуле Шези Q = ω·C·√(R·i) растёт с глубиной, и подбирают такую глубину, при которой он равен заданному.
Какой коэффициент Маннинга взять для бетонного лотка?
По Чоу для бетона с затёртой поверхностью n ≈ 0,013 (диапазон 0,011–0,015), для заглаженного тёркой 0,015, для необработанного 0,017. Для расчёта с запасом берите верхнюю границу.
Чем формула Маннинга отличается от Шези?
Шези — общая формула v = C√(Ri). Маннинг даёт конкретное выражение для C через гидравлический радиус и коэффициент n: C = R^(1/6)/n. Павловский использует переменный показатель степени.
Что такое гидравлически наивыгоднейшее сечение?
Сечение с наименьшей площадью при заданных расходе, уклоне и шероховатости. Для трапеции b/h = 2(√(1 + m²) − m), гидравлический радиус равен половине глубины.
Как определить, спокойный поток или бурный?
По числу Фруда Fr = v/√(g·ω/B): меньше 1 — спокойный, больше 1 — бурный. Эквивалентно сравнению нормальной глубины с критической.