МОБИЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ И НАПРАВЛЕНИЯ ТЕЧЕНИЯ ВОДЫ В ОТКРЫТЫХ ВОДОТОКАХ

Полезная модель относится к области измерения скорости текучих сред и индикации направления движения водных потоков и может найти применения для измерения скорости течения в небольших реках, ручьях, каналах для последующего вычисления коэффициентов шероховатости, расходов воды и выполнения гидравлических расчетов.
За ближайший аналог принято устройство для определения скорости и направления течения жидкости (RU 2413232, МПК G01Р 5/06, G01V 1/38, 001815/58, G01C 17/32, опубл. 20.09.2010 г.), содержащее последовательно соединенные измерительный блок, приемный блок и блок записи и обработки информации, при этом измерительный блок выполнен в виде герметичного корпуса с лопастями, уравновешивающим поплавком с регулировочным грузом, датчиком скорости и узлом подвеса, закрепленным на снабженном кабельной линией жестком носителе и выполненным с возможностью вращения измерительного блока вокруг вертикальной оси. Корпус снабжен системой обработки и передачи сигналов, содержащей датчик отклонения от направления магнитного поля. Система обработки и передачи сигналов выполнена цифровой, содержит дополнительно датчик отклонения от вертикали, выполненный в виде двухосевого инклинометра, при этом датчик отклонения от направления магнитного поля представляет собой трехосевой электронный компас, а узел подвеса выполнен с возможностью качания вокруг горизонтальной оси.
К недостаткам вышеописанного устройства можно отнести его высокую стоимость, обусловленную сложностью его изготовления из-за необходимости выполнения корпуса герметичным и источника энергии для работы, что ограничивает его использование при проведении предварительных гидравлических расчетов.
Полезная модель решает задачу снижения стоимости устройства для определения скорости и направления течения жидкости за счет упрощения его конструкции вследствие использования визуального способа измерения отклонения рабочего тела от вертикали и применения найденной величины отклонения в расчетах для определения скорости.
Для достижения необходимого технического результата в известном устройстве для измерения скорости и направления течения воды, содержащем рабочее тело, подвешенное с возможностью вращения вокруг вертикальной оси, средство измерения отклонения от вертикали рабочего тела, средство определения направления течения, предлагается в качестве рабочего тела использовать металлический шарик, подвешенный на гибком носителе, причем носитель снабдить меткой и прикрепить к штанге, выполненной с метрической разметкой, а средство определения направления течения, являющееся одновременно средством для визуального измерения отклонения шарика от вертикали, выполнить в виде щита с нанесенной на нем градуированной шкалой, и закрепить на штанге с возможностью вращения вокруг нее под действием водного потока.
На прилагаемых схемах изображено:
на фиг.1 - предлагаемое устройство в спокойном состоянии;
на фиг.2 - отклонение рабочего тела от вертикали;
на фиг.3 - силы, действующие на рабочее тело, при его отклонении от вертикали.
На схемах приняты следующие обозначения:
1
1
1 - свободный уровень воды; 2 - штанга, размеченная на дециметры; 3 - носитель; 4 - щит с нанесенной градуированной шкалой; 5 - метка на носителе; 6 - шарик; 7 - дно водотока, 8 - опора, h - высота поднятия метки на носителе под действием течения; h - высота поднятия шарика под действием течения; l - расстояние от точки крепления носителя до метки (радиус вращения метки); l - длина носителя; T - сила натяжения носителя; G - сила тяжести шарика в воде; F - сила гидродинамического сопротивления шарика натекающему потоку; β - угол отклонения носителя относительно вертикали;
В предлагаемом устройстве (фиг.1) определение скорости и направления течения воды осуществляют следующим образом.
Устройство устанавливается вертикально и закрепляется на дне 7 водотока при помощи опоры 8. Щит 4, который служит средством определения направления течения воды, выполнен с метрической разметкой, в опытном образце применялась дециметровая разметка. Под действием водного потока щит 4, закрепленный на штанге 2 с возможностью вращения вокруг штанги 2, поворачивается и устанавливается параллельно водному потоку, показывая тем самым направление потока подобно флюгеру.
Под действием гидродинамических сил текущей воды, действующих на шарик 6, носитель 3 отклоняется от своего первоначального вертикального положения. Определив по градуированной шкале щита 4 высоту, на которую поднимется метка 5 на носителе 3 относительно горизонтальной плоскости, можно вычислить скорость течения воды.
Устройство предназначено для проведения измерений скорости течения во всем диапазоне реальных скоростей течения равнинных рек от 0,1-1 м/с.В опытном образце диаметр шарика был равен 2 см, в качестве материала для шарика лучше выбрать алюминий, т.к. при большей плотности материала шарика в указанном диапазоне скоростей течения углы отклонения будут малы, что затруднит визуальное измерение. Высота штанги была равна 1,5 м. Методика и пример расчета.
6
2
3
5
Значение кинематической вязкости при температуре 20°C, υ=10м/с.В диапазоне чисел Рейнольдса Re от 10 до 10 значение коэффициента сопротивления C практически стабильно и можно принять его равным 0,46 (Л.Прандтль Гидроаэромеханика. - М.: Издательство иностранной литературы, 1949. - 529 с).
3
3
В диапазоне диаметра шарика от 1 до 3 см и скоростей течения воды от 0,1 до 3 м/с числа Рейнольдса принимают значения от 10 до 10.
1
1
Рассмотрим равновесие шарика 6 диаметром d, подвешенного на носителе 3, часть которого вместе с шариком 6 погружена в воду (фиг.1). Длина носителя 3 равна l, расстояние от точки крепления носителя 3 до метки 5 (радиус вращения метки) l, шарик 6 под действием течения поднимается на высоту h, метка 5 на носителе под действием течения поднимется на высоту h (фиг.2).
На шарик 6 действует сила натяжения носителя 3 равная Т, сила тяжести шарика 6 в воде равна G и сила гидродинамического сопротивления шарика 6 натекающему потоку жидкости равна F (фиг.3).
Силы, действующие на носитель, не учитываем.
Спроецируем силы, действующие на шарик на оси x и y. Получим
где:
F - сила гидродинамического сопротивления шарика натекающему потоку, H;
T - сила натяжения носителя, H;
β - угол отклонения носителя относительно вертикали, градусы;
G - сила тяжести шарика в воде, H;
Из выражений (1), (2) получим
Известна сила гидродинамического сопротивления шарика натекающему потоку жидкости F
где: С - коэффициент сопротивления (Прандтль Л. Гидроаэромеханика. - Ижевск: НИЦ “Регулярная и хаотическая динамика”, 2000, с.260-261);
в
ρ - плотность воды, кг/м;
V - скорость течения воды в реке, м/с;
d - диаметр шарика, м;
π - 3,14.
Сила тяжести шарика в воде G
ш
где: ρ - плотность материала шарика, кг/м;
2
g - ускорение свободного падения, м/с;
в
3
ρ - плотность воды, кг/м;
d - диаметр шарика, м;
π - 3,14.
Из выражений (3)-(5) скорость течения воды в реке V
o
ш
в
где: ρ=(ρ/ρ)- относительная плотность материала шарика.
Согласно схеме на фиг.3:
где: h - высота поднятия шарика под действием течения, м;
l - длина носителя, м.
Из выражений (6)-(7)
где, V - скорость течения воды в реке, м/с;
С - коэффициент сопротивления (Прандтль Л. Гидроаэромеханика. - Ижевск: НИЦ “Регулярная и хаотическая динамика”, 2000, с.260-261);
о
ш
в
ρ=(ρ/ρ) - относительная плотность материала шарика;
d - диаметр шарика, м;
2
g - ускорение свободного падения, м/с;
h - высота поднятия шарика под действием течения, м;
l - длина носителя, м.
Рассмотрим пример расчета для алюминиевого шарика.
0
2
Пусть С=0,46, ρ=2.7, d=0,02 м, g=9,81 м/с,l=0,2 м, h=0,07 м. Определим скорость течения воды V.
Подставив заданные значения в выражение (6), получим
Из выражения (9) V=0,414 м/с.
Предлагаемая полезная модель является исключительно простым, а следовательно, очень дешевым мобильным устройством для определения значений скорости течения и направления течения в открытых водотоках. Измерив визуально отклонение рабочего тела от вертикали по предложенной методике легко рассчитывается скорость течения.