hrvatski

Određivanje vodnog lica uzduž neprizmatičnog trapeznog kanala

Kroz ovaj rad opisuje se ponašanje vode u trapeznom prizmatičnom i neprizmatičnom kanalu, točnije određivanje vodnog lica u takvom kanalu. Nakon uvodnog dijela u kojem se ukratko govori o razvoju hidrotehničkih objekata poput kanala kroz povijest i njihovoj uporabi, tema se dalje razrađuje. Određivanje vodnog lica u trapeznom kanalu se pojašnjava kroz teorijski dio preko opisivanja osnovnih svojstava tečenja u otvorenim kanalima, zatim bitnim parametrima kanala za određivanje oblika tečenje i vodnog lica vode u kanalu te navođenjem i opisivanjem tipova tečenja kod promjenjivog i nepromjenjivog tečenja u kanalu. Teze predstavljene kroz teorijski dio su potkrijepljenje računskim primjerima. Uspoređuje se tečenje u otvorenom kanalu i zatvorenom sustavu. Preko takve usporedbe prikazuju se uzroci tečenja te se dolazi do pojmova bitnih za opisivanje tečenja u otvorenom kanalu – brzine tečenja, dubine vode, tlakova, sila i energije tekućine. Važne geometrijske komponente tečenja u otvorenom kanalu se detaljnije opisuju, poput nagiba dna kanala i nagiba vodnog lica te geometrijskih parametara. Površina poprečnog presjeka, omočeni opseg i hidraulički radijus igraju veliku ulogu u formiranju vodnog lica u promatranom poprečnom presjeku. Nakon upoznavanja s geometrijskim odlikama kanala razmatrano je tečenje u kanalu s aspekta energije. Dane su formulacije za iskazivanje specifične energije presjeka vodotoka te kako se od osnovne formulacije dolazi do iskaza specifične energije kod otvorenog kanala. Utjecaj na specifičnu energiju presjeka kanala najviše vrši dubina vode u promatranom kanalu. Njeno djelovanje je prikazano i putem dijagrama specifične energije. Preko promatranja dijagrama specifične energije dolazimo do tipova strujanja u kanalima – mirnog, kritičnog i silovitog. Derivacijama jednadžbe specifične energije po dubini vode u vodotoku dobivamo ekstreme u tečenju. Parametri poput površine poprečnog presjeka trapeznog kanala i širine vodnog lica pomažu nam pri izražavanju kritične dubine kao granične dubine vode u otvorenom kanalu između dva tipa tečenja, laminarnog i turbulentnog tečenja. Opisani režimi tečenja u otvorenom kanalu te moguće promjene u režimima tijekom tečenja nizvodno su povezani s Froudeovim brojem, bezdimenzionalnim parametrom tečenja u otvorenom kanalu. Forudeov broj se izražava formulacijom koja sadržava parametre kanala, površinu poprečnog presjeka, protok, širinu vodnog lica te dubinu vode u kanalu. O njegovoj vrijednosti ovisi oblik tečenja u promatranom kanalu, ali i druge karakteristike tečenja u kanalu. Klasifikacija otvorenih vodotoka se vrši prema prostornoj varijaciji – jednoliko i nejednoliko tečenje. Zatim, prema vremenskoj, stacionarno i nestacionarno, te načinu tečenja (laminarno i turbulentno), odnosno prema režimu tečenja (mirno, kritično, silovito). Prizmatični kanal, kod kojeg se poprečni profil ne mijenja duž toka, promjene u tečenju će doživljavati ovisno o promjeni dubine uzduž toka. Stacionarno jednoliko tečenje se uglavnom pojavljuje u umjetno izvedenim kanalima, jer se tek onda mogu pojaviti potrebni uvjeti – konstantni protok, protjecajna površina, hidraulički pad i hrapavost u kanalu. Uz te uvjete će i srednja brzina vode u kanalu biti konstantna. Prema tome, režim tečenja kod stacionarnog tečenja će ovisiti samo o promjenama u nagibu dna kanala. Srednja brzina vode u kanalu se opisuje formulacijom navedenom u radu te se uvodi pojam Chezyevog koeficijenta. On opisuje svojstva kanala koja utječu na briznu i oblik tečenja u kanalu preko hrapavosti stjenki kanala te hidrauličkog radijusa poprečnog profila. Na dva računska primjera je prikazan problem određivanja kritične dubine te režima tečenja za zadane konstantne parametre kod jednolikog stacionarnog tečenja u neprizmatičnom trapeznom kanalu. Ako se u prizmatičnom kanalu jednolikog nagiba uvedu neki hidrotehnički objekti nailazimo na promjene u obliku vodnog lica te dolazi do stacionarnog nejednolikog tečenja. Takvo tečenje će nastati kod promjena u nagibu vodnog lica odnosno dna kanala, bilo to odmicanje ili primicanje kritičnom nagibu dna kanala. Pojavljuju se dvije krivulje vodnog lica. Pri postepenom porastu dubina uzduž vodotoka nastaje krivulja uspora, a krivulja depresije pri opadanju dubina. Prikazani su mogući tipovi krivulja za mirno i silovito strujanje. Jedina razina vode u kanalu pri kojoj nastupa stacionarno jednoliko tečenje pri konstantnom protoku je normalna dubina. Na temelju odnosa kritične i normalne dubine u otvorenom kanalu mogu se formirati razni oblici vodnog lica uzduž kanala te tada nastaje postupno promjenjivo tečenje. Oblici krivulja vodnog lica se klasificiraju prema odnosu trenutne razine vode u poprečnom presjeku prema kritičnoj i normalnoj dubini proračunatoj za promatrani profil. Zadnji dio završnog rada sadržava dva računska primjera određivanja linija slobodne vodne površine u vodotoku pri nejednolikom stacionarnom strujanju i režima tečenja za nejednoliko stacionarno strujanje u neprizmatičnom trapeznom kanalu. U računskim primjerima su definirani stalni parametri poput protoka, nagiba dna kanala, nagiba pokosa kanala te promjena širine dna kanala duž kanala. Kroz oba primjera možemo vidjeti kako promjena izgleda poprečnog profila na promatranoj stacionaži, preko promjene vrijednosti širine dna kanala, utječe na dubinu vode u tom profilu te na sveukupnu sliku vodnog lica uzduž kanala. U drugom dijelu dvaju računska primjera izvršen je proračun određivanja normalne i kritične dubine unutar kanala koji su potrebni u konačnici za određivanje krivulje vodnog lica te režima tečenja u otvorenom kanalu.

neprizmatični kanal, hidraulička analiza, kinematički parametri, Froudeov broj

Završni rad (Sveučilišni preddiplomski studij), mentor na radu