Понятие о гидродинамической сетке
Напоры в пределах потока распределены в соответствии с положением пьезометрической поверхности. Введен ряд определений.
Поверхностями равных напоров (пьезометрическими поверхностями) называются поверхности, обладающие во всех точках равными напорами.
Линиями равных напоров называются следы сечения этих поверхностей кровлей водоносного горизонта.
Гидроизопьезы (для грунтового потока — гидроизогипсы) — проекции линий равных напоров на горизонтальную плоскость.
Скорость любой частицы в потоке в каждый момент времени можно изобразить в виде вектора скорости.
Линией тока S называется кривая, проведенная через ряд точек так, что она является касательной к векторам скоростей движущихся частиц, находящихся в данных точках в данный момент времени. Линии тока проводятся перпендикулярно линиям равных напоров (гидроизопьезам) и показывают направление, в котором движутся воды.
Наиболее простым методом определения направления движения подземных вод является метод треугольника (рисунок ниже), который реализуется следующим образом:
- для определения направления движения потока подземных вод бурят три скважины в вершинах разбитого на местности треугольника;
- по замерам уровней воды в скважинах определяют абсолютные отметки поверхностгрунтового потока в точках А, Б и В;
- разделив стороны треугольника на пропорциональные отрезки и соединив точки с одинаковыми отметками получим линии равных напоров (или гидроизопьезы — 40, 38, 36 и т.д);
- движение потока подземных вод происходит в направлении перпендикулярном по направлению к гидроизопьезам (линия БГ — перпендикуляр к гидроизопьезам) от более высоких к более низким отметкам.
Метод треугольника определения направления движения вод
С помощью этого метода довольно просто определить гидравлический уклон, как частное от деления разности между гипсометрическими отметками уровня на расстояние между ними:
I = (40-36) / 80 =0,05
Чем меньше расстояние между гидроизопьезами, тем больше гидравлический уклон.
Очертание гидроизопьез в плане указывает на форму поверхности подземных вод. При их равномерном движении и горизонтальном водоупоре гидроизопьезы имеют вид параллельных линий, расположенных на одинаковом расстоянии. Если водоупор негоризонтальный, поверхность приобретает выпукло-вогнутую форму, при этом мощность потока не будет постоянной, а движение вод называется неравномерным.
Если в движущейся жидкости выделить элементарную площадку ΔS и через все ее точки как внутри, так и снаружи контуров провести линии тока, то совокупность этих линий образует объемный пучок, называемый элементарной струйкой тока. Линии тока, проведенные через точки на контуре элементарной площадки, образуют трубки тока. Совокупность элементарных струек тока, движущихся в данном русле, называется потоком жидкости. Система линий равных напоров и перпендикулярных им линий тока S образуют гидродинамическую сетку (рисунок ниже). Участок сетки, ограниченный двумя линиями тока, называется лентой тока, а участок сетки, ограниченный двумя лентами тока и двумя линиями равных напоров, называется ячейкой тока.
Гидродинамическая сетка
Поток может быть ограниченный внешне (стенки трубы, скважины, берега) и свободный. Поверхность, проведенная к главным линиям тока, называется живым сечением потока и имеет размерность площади. Часть периметра живого сечения, по которому поток соприкасается с твердой поверхностью, называется смоченным периметром потока. Отношение живого сечения потока к смоченному периметру называется гидравлическим радиусом сечения потока:
Rгидр = D/4,
в то время как геометрический радиус трубы равен
Rгеом = D/2.
С помощью гидродинамической сетки можно определить напорный градиент, скорость фильтрации, расход потока и направление движения вод.