4-2. ИСХОДНЫЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ДЛЯ РАСЧЕТА ОЧЕРТАНИЙ ЭЛЕМЕНТОВ ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ ВОДОПРИЕМНИКА
а) Оптимальные гидравлические очертания
Требования, предъявляемые к энергетическим и водосбросным водоприемникам, несколько различны.
Энергетический водоприемник должен обеспечивать прием воды с потерей энергии, не превышающей величины, которая может быть установлена исходя из энергоэкономического анализа. Вследствие сравнительно малых скоростей воды в энергетическом водоприемнике специальных требований к очертаниям элементов его проточной части из условия ограничения понижения давления обычно не предъявляется.
Рис. 4-8. К расчету очертаний входного участка водоприемника.
Водосбросной водоприемник не только должен обеспечивать заданную пропускную способность, но и иметь очертания проточной части, исключающие понижение местного давления до величины, вызывающей кавитацию.
В тех случаях, когда ставится цель получить очертания проточной части, обусловливающие минимальные потери напора и по возможности исключающие местное падение давления, можно использовать при построении профиля элементов водоприемника тот же способ, что и применяется для построения безвакуумного профиля водослива плотины. Так, при расчете очертаний потолка входного участка можно исходить из очертания свободной поверхности струи, вытекающей из-под тонкой стенки [92].
Свободная поверхность плоскопараллельной струи, вытекающей из-под затвора, может быть найдена использованием существующих гидромеханических решений для плоскопараллельного потока идеальной жидкости. В действительности водоприемник — конструкция пространственная, а реальный поток является вихревым потоком вязкой жидкости. Однако в практических расчетах можно пойти на упрощение, заключающееся в замене линий токов, найденных гидромеханическим путем, аппроксимирующими эллиптическими кривыми. При этом ставится задача несколько поджать поток за счет более полных очертаний обтекаемых поверхностей подобно тому, как поджимается нижняя граница струи при построении безвакуумного профиля водослива. Это дает запас, исключающий возникновение локальных областей понижения давления, и снижает размах пульсаций давления и скоростей. На потерях напора такое поджатие сказывается незначительно.
На основании имеющихся экспериментальных данных для плоскопараллельного потока большая полуось эллипса, использующегося при аппроксимации поверхности потока при истечении из-под затвора, может быть принята равной высоте отверстия a = asx (рис. 4-8), а малая полуось
, где ε — коэффициент сжатия струи,
.
Уравнение эллипса с началом координат, лежащим на горизонтальной линии, проходящей через нижнюю кромку стенки, принимает вид: 
(4-1)
Сжатие струи происходит на участке, равном высоте отверстия. Далее, на участке расширения граничная линия может быть аппроксимирована прямой с наклоном к оси х—х, равным 0,1 (5°45'), что отвечает границе транзитной части свободной турбулентной струи с начальным сечением, расположенным в сжатом сечении. Принятая схема достаточно хорошо отвечает опытным данным как при незатопленной, так и затопленной струе.
Рис. 4-9. Коэффициенты сжатия.
Расчеты: 1 — Η. Е. Жуковского, Мизеса, К. Ф. Химицкого; 2 — В. В. Ведерникова; 3 — А. Д. Альтшуля; 4 — И. Е. Идельчика; 5 — Коха; 6 — Вейсбаха. Опыты: 7 — А. Д. Альтшуля; 8 — Н. В. Халтуриной; 9 — А. Р. Березинского; 10 — В. М. Лятхера и А. М. Прудовского.
(4-2)
Коэффициент сжатия струи ε может быть найден по графику, построенному по формуле Η. Е. Жуковского (рис. 4-9), или по одной из аппроксимирующих формул (В. В. Ведерникова, И. Е. Идельчика, К. Ф. Химицкого, А. Д. Альтшуля и др.). В настоящей работе предпочтение как более удобной для пользования отдано формуле А. Д. Альтшуля:
1 В, А. Бахметев, Гидравлика, 1934
При расположении порога водоприемника выше дна подводящего русла эллиптические очертания потолка и порога можно определить, разделив, по С. И. Егоршину, поток на две части поверхностью, образующейся линиями токов, близкими к горизонтальным, и рассматривая части потока выше и ниже
этой поверхности независимо друг от друга. Подобная схематизация близка к действительности в случае плоскопараллельного потока.
На осевой вертикальной плоскости в пределах подводящего русла указанная поверхность раздела дает след в виде линии р—р, которую принимаем за прямую (рис. 4-12). Зная положение этой линии, мы имеем возможность рассчитать координаты потолка и порога входного участка при их эллиптическом очертании.
