Устройство для моделирования течения жидкости тонким слоем по поверхности обрыва и по баллистической кривой

Устройство для моделирования течения жидкости тонким слоем по поверхности обрыва и по баллистической кривой

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к сельскому хозяйству, в частности к устройствам для изучения овражной эрозии, и может быть использовано в почвоведении, мелиорации и гидрологии.

Известен механизм развития вершины оврага [1]: часть талых и ливневых вод, стекая с водосбора в овраг, низвергается водопадом на дно оврага, образуя водобойный колодец, а часть воды, стекая тонким слоем по поверхности обрыва, размывает его, причем размывается преимущественно нижняя часть обрыва, сложенная материнской породой и имеющая меньшую эрозионную стойкость, чем почвенный горизонт как более эрозионно устойчивый; затем нависшие почвенные горизонты под влиянием силы тяжести дают трещины и обрушиваются на дно оврага; снова начинается размывание менее устойчивой материнской породы, выработка ниши с нависающими более прочными почвенными горизонтами, затем обвал и т.д. (см. [1], с.128-129, фиг.47, фиг.48).

В известном механизме развития вершины оврага невозможно определить количество воды, стекающей тонким слоем по поверхности обрыва и разрушающей материнскую подстилающую породу, и количество воды, низвергающейся по баллистической кривой и образующей водобойный колодец, а также определение критического значения расхода воды, при котором начинается движение жидкости по баллистической кривой и, следовательно, прогнозировать развитие вершины оврага и разрабатывать эффективные мероприятия по предотвращению роста вершины оврага.

Известно устройство для моделирования течения жидкости тонким слоем по стенке сосуда, содержащее сосуд с жидкостью, выполненный с возможностью изменения угла наклона сосуда и расхода сливающейся из сосуда жидкости [2]. (Заметим, что о движении жидкости по стенке сосуда тонким слоем описано М.Рейнером [2] (с.44-46) в так называемом «типот-эффекте», часто наблюдаемом в повседневной жизни, когда разливают чай из чайника; от слова teapot - чайник (англ.)).

Недостатком известного устройства является нечеткое установление начала течения жидкости тонким слоем по стенке сосуда (по поверхности обрыва) и по баллистической кривой.

Цель изобретения - повышение точности определения начала течения жидкости тонким слоем по поверхности обрыва и по баллистической кривой.

Цель достигается тем, что в устройстве для моделирования течения жидкости тонким слоем по стенке сосуда, содержащем сосуд с жидкостью, выполненный с возможностью изменения угла наклона сосуда и расхода сливающейся из сосуда жидкости, устройство снабжено рабочей поверхностью, выполненной в продольном сечении в виде швеллера и ограниченную с торцов швеллера бортиками, сосудом Мариотта постоянного напора для подачи жидкости посредством трубопровода с зажимом Гофмана и насадка на рабочую поверхность - верхнюю часть полки швеллера, причем нижняя часть рабочей поверхности - нижняя часть полки швеллера установлена на рамку, регулируемую по углу наклона к горизонтальной плоскости, а рамка шарнирно закреплена на стенке мерной емкости для сбора жидкости, стекающей с верхней части полки швеллера по баллистической кривой, а под нижней полкой швеллера установлена мерная емкость для сбора жидкости, стекающей тонким слоем по рабочей поверхности.

Сопоставительный анализ с прототипами показывает, что заявляемое устройство отличается наличием новых элементов: выполнением рабочей поверхности в продольном сечении в виде швеллера и ограничением с торцов швеллера бортиками; сосудом Мариотта постоянного напора для подачи жидкости посредством трубопровода с зажимом Гофмана и насадка на рабочую поверхность - верхнюю часть полки швеллера; мерной емкости для сбора жидкости, стекающей по баллистической кривой с верхней части полки швеллера, а также мерной емкости, установленной под нижней полкой швеллера и предназначенной для сбора жидкости, стекающей тонким слоем по рабочей поверхности.

Таким образом, заявляемое устройство соответствует критериям «новизна» и «существенные отличия».

На фиг.1 показано устройство, вид сбоку; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1.

Устройство содержит рабочую поверхность 1, выполненную в продольном сечении в виде швеллера и ограниченную с торцов швеллера бортиками 2, сосуд Мариотта 3 постоянного напора для подачи жидкости посредством трубопровода 4 с зажимом Гофмана 5 и насадка 6 на рабочую поверхность - верхнюю часть полки швеллера. Сосуд 3 снабжен подвижной Мариоттовой трубкой 7 для поддержания постоянного напора, трубкой 8 для заполнения сосуда 3 водой, а также шкалой расхода воды 9. Нижняя часть 10 рабочей поверхности - нижняя часть полки швеллера установлена на рамку 11, регулируемую по углу наклона α к горизонтальной плоскости. Регулируемая по углу наклона рамка 11 шарнирно закреплена на стенке мерной емкости 12 для сбора жидкости, стекающей с верхней части полки швеллера по баллистической кривой 13. Для сбора жидкости, стекающей тонким слоем 14 по рабочей поверхности 1 устройства, под нижней полкой 10 швеллера установлена мерная емкость 15.

Устройство функционирует следующим образом. Регулируемая по углу наклона рамка 11 устанавливается под заданным углом α. В системе постоянного напора с помощью подвижной Мариоттовой трубки 7 устанавливается заданный расход воды. Последовательно изменяя расход воды Q_в с помощью системы постоянного напора, определяется критическое значение расхода Q_{в кр}, при котором начинается движение жидкости по баллистической кривой 13. Одновременно фиксируется количество воды, стекающей тонким слоем 14 по рабочей поверхности 1, и количество воды, стекающей с верхней части полки швеллера по баллистической кривой 13 за единицу времени соответственно при помощи мерных емкостей 15 и 12.

Изучение течения жидкости на предлагаемом устройстве показало, что движение жидкости тонким слоем по рабочей поверхности зависит от заданного расхода воды Q_в, угла наклона α рабочей поверхности к горизонтальной поверхности и соотношения высоты потока к его ширине. Измерение расхода Q_б воды, движущейся по баллистической кривой, и расхода Q_т воды, движущейся тонким слоем, при заданном расходе Q_в позволили установить, что движение жидкости тонким слоем (типот-расход Q_т) наблюдается всегда на перфорированных шероховатых поверхностях и резко начинает уменьшаться до минимальных значений при начале течения жидкости по баллистической кривой. Изучение течения жидкости по гладкой несмачиваемой (рабочая поверхность покрывалась тонким слоем парафина) и смачиваемой рабочим поверхностям показали, что величина Q_т имеет минимальные значения и тем не менее течение тонким слоем происходит даже при достаточно больших заданных расходах воды Q_в.

Наблюдения, проведенные в полевых условиях, также подтвердили лабораторные исследования: вследствие течения жидкости тонким слоем обрыв вершины эрозионно разрушается и имеет вид ниши или пещеры.

Используемое устройство для моделирования течения жидкости тонким слоем по поверхности обрыва и по баллистической кривой позволяет точно определить начало течения жидкости тонким слоем по рабочей поверхности и по баллистической кривой, следовательно, прогнозировать развитие вершины оврага и разрабатывать эффективные мероприятия по предотвращению роста вершины оврага.

Источники информации

1. Соболев С.С. Развитие эрозионных процессов на территории Европейской части СССР и борьба с ними. T.1., - М. - Л.: Изд-во АН СССР, С.128-129.

2. Рейнер М. Деформация и течение. Введение в реологию. - М.: Гос. науч.-техн. изд-во нефтяной и горнотопливной литературы. 1963, С.44-46.

1. Устройство для моделирования течения жидкости тонким слоем по поверхности обрыва и по баллистической кривой, содержащее сосуд с жидкостью, выполненный с возможностью изменения угла наклона сосуда и расхода сливающейся из сосуда жидкости, отличающееся тем, что, с целью повышения точности определения начала течения жидкости тонким слоем по поверхности обрыва и по баллистической кривой, устройство снабжено рабочей поверхностью, выполненной в продольном сечении в виде швеллера и ограниченную с торцов швеллера бортиками, сосудом Мариотта постоянного напора для подачи жидкости посредством трубопровода с зажимом Гофмана и насадка на рабочую поверхность - на верхнюю часть полки швеллера, причем нижняя часть рабочей поверхности - нижняя часть полки швеллера установлена на рамку, регулируемую по углу наклона к горизонтальной плоскости.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что регулируемая по углу наклона рамка шарнирно закреплена на стенке мерной емкости для сбора жидкости, стекающей с верхней части полки швеллера по баллистической кривой.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что под нижней полкой швеллера для сбора жидкости, стекающей тонким слоем по рабочей поверхности, установлена мерная емкость.