Силы гидродинамического давления

На обтекаемые потоком элементы сооружения действуют силы, слагающиеся из касатель­ных и нормальных напряжений. Касательные напряжения направ­лены в сторону течения и практически ощутимы только при весьма больших скоростях. Нормальные напряжения (давление) обусловлены весом жидкости и изменением направления течения (скоро­сти) при набегании потока на элементы конструкций, при изменении направления течения твердыми границами русла, при встрече с со­оружением волн, свободных струй и др. При срыве вихрей с тела, обтекаемого жидкостью, появляется сила, возбуждающая колеба­ния. При изменении во времени скорости движения жидкости в на­порном водоводе (например, в процессе открытия или закрытия водовода) возникает гидравлический удар.

Силу гидродинамического давления на конструкцию в потоке, например на опору (гаситель, стойка), определяют по формуле

                           (2.1)

 
где С_х - коэффициент лобового сопротивления, зависящий от фор­мы обтекаемого водой тела;

  - плотность воды;  

 - площадь миделева сечения;

v - средняя скорость.

При частичном или пол­ном, но незначительном погружении тела под уровень свободной поверхности на величине Wсказывается неуравновешенность сил гидростатического давления, возникающая за счет разности уров­ней до и после тела (перепад), что может быть учтено соответству­ющим значением С_х.
Сила давления на обшивку частично открытого затвора, на но­сок водослива    (рис. 2.2, а), оголовок   водоприемного отверстия, плиту водобоя (рис. 2.2, б) или участок стенки напорного водосбро­са (рис. 2.2, в) определяют по эпюре давления.

При определении давления в некоторой точке поверхности конструкции полное давление удобно представлять в виде суммы гидростатического давления и давления, обусловленного движением жидкости - гидродинамического давления:

               (2.2)

 
Полное давление в данное мгновение определяется как сумма осредненного по времени полного давления р и пульсационной составляющей  р', что с учетом (2.2) дает

      (2.3)

 
где черта над р - знак осреднения.

 
Рис. 2.2 Эпюры гидродинамической  составляющей давления  р_дин  потока на элементы конструкций

Гидродинамическое давление р_дин и пульсационную составляю­щую р' представляют в долях от скоростного напора

                        (2.4)

                    (2.5)

 
где С_р - коэффициент давления; - коэффициент пульсации.

Коэффициент давления в одних случаях определяют по форму­лам, полученным аналитическим путем, в других - по полуэмпири­ческим формулам или непосредственно из лабораторного экспери­мента.

Величина пульсационной составляющей изменяется во времени от нуля до экстремальных значений, равных амплитуде А пульса­ции давления (половина размаха пульсации). Случайный характер изменения во времени величины р' требует статистического описа­ния процесса пульсации. Основной характеристикой стационарного процесса пульсации (т. е. не претерпевающего существенного изме­нения с течением времени) является среднее квадратическое откло­нение  мгновенных значений давления от его среднего или так  называемый стандарт пульсации.

С учетом осреднения давления по площади сила гидродинамиче­ского давления равна

          (2.6)

 
где Р - площадь приложения силы.

В расчет вводится максимально возможное значение р', равное увеличенному в 3-5 раз стандарту пульсации.

В ряде случаев при расчете конструкции на гидродинамическую нагрузку недостаточно знать ее осредненное или максимальное значение. Сила гидродинамического давления действует с некото­рой частотой, вызывает колебания сооружения или его элементов.

Под   воздействием   гидродинамиче­ских нагрузок могут возникнуть автоколебания   (устойчивые незатухающие вынужденные колебания, которые вызываются силовыми им­пульсами, возникающими при взаимодействии конструкции с потоком) или резонанс (при котором частота возмущений совпадает с собствен­ной частотой системы).

При динамическом расчете учи­тывается влияние присоединенной к конструкции массы воды. Задачей динамического расчета является определение деформации, динамиче­ских напряжений и отыскание таких форм и размеров конструкции, при которых исключалась бы возмож­ность возникновения автоколебаний и резонанса.

Способы расчета сил гидродина­мического давления еще не совершенны, что компенсируется введением коэффициента перегрузки в расчетное значение силы. Неправильный учет динамических нагру­зок может привести к разрушению конструкций, что неоднократно имело место в гидротехнической практике (падение раздельных стенок в нижнем бьефе, разрушение затворов, срыв облицовок, раз­рушение креплений нижнего бьефа и др.).

При равномерном плавно изменяющемся движении жидкости в открытом русле со значительным уклоном давление на дно и стен­ки определяют с учетом влияния уклона. На глубине у, отсчиты­ваемой по вертикали (рис. 2.3), имеем

                (2.7)

Рис. 2.3 Давление воды в откры­том русле со значительным укло­ном (аbс - эпюра давления в сече­нии, нормальном к дну, а'b'с' - эпюра давления в вертикальном сечении)