Hidrológiai Közlöny 1956 (36. évfolyam)

5-6. szám - Török László: A műtárgyak közelében keletkező kimosások vizsgálata

358 Hidrológiai Közlöny 36. évf. 1956. 5. sz. Török L.: A műtárgyak közelében keletkező kimosások veszik fel. A képletekben szereplő állandók meghatározására egyenletes egyenesvonalú áramlásban végzett kísérleteknél valóban csak ezek hatása érvényesül döntő módon. Így a kísérletek természetesen igazolják az elméleti úton levezetett képletek érvényességét. A műtárgyak által megzavart áramlásban a nyomáseloszlásból adódó erőnek különleges szerepe van, s a továbbiakban éppen ezt fogjuk részletesebben vizsgálni. Tetszőleges p = p (x, y, z, t) nyomás eloszlású térben levő szemcsére — abból a tényből, hogy a szemcse szemben levő elemi felületeire ható nyomások eltérőek erő adódik át. Ennek a nagysága — ha a szemcse méretein belül a nyomás változást lineárisnak vehetjük fel — P = grad p • V (1) ahol a grad p nyomás esés a hely és az idő függvénye, V a szemcse térfogata. Az erő iránya megegyezik a nyomás gradiens irányával. Ez az erő mindig fellép, ha az áramlásban a nyomás helyileg változik. Miből keletkezhetik nyomásváltozás az áramlásban? A Xavier-Stokes egyenlet vektoros alakjából kifejezve grad p értékét V

2 dv — grad p = — QF + rjAv -f Q fi n + J,

t (

2) ahol F a tömegerő, RJ a dinamikai nyulóssági tényező, A a Laplace-féle operator, R az íves folyadékmozgás görbületi sugara, n a pálya normális vektora. A nyomásgradiens értékét tehát a (2) egyenlet szerint a következők befolyásolják : 1. Az F tömegerők. A hidraulikában csak a nehézségi erő jöhet számításba. Nyomáseloszlásra való hatása a hidrosztatikus nyomáseloszlásban nyilvánul meg. .V szemcsére való hatása a felhajtóerő P = grad p' • V = ggV == yV. 2. A TjAv tag a súrlódás nyomáseloszlásra gyakorolt hatását veszi figyelembe. A mozgás irányában a súrlódás hatására a nyomás csökken. Szabad felszínű vízmozgásoknál ez a hatás a főáramlásban elhanyagolható. A nyomásvonal esése l°/

0

0-nél ritkán nagyobb, ez pedig annyit jelent, hogy az általa keltett mozgás irányú erő a felhajtóerőnek csak l°/

0(,-e. Döntő hatása lehet azonban az ilyen jellegű nyomásesésnek a szivárgásnál, ahol a nyomásesés lényegesen nagyobb. Az ilyen jellegű nyomásesésből a szemcsére átadódó erők okozzák döntő részben a vízépítésben közismert hidraulikus talajtörés jelenségét. (Ha a műtárgyak körüli szivárgások hatására talajtörés nem következik is be, a felszálló áramlásnak a szemcsék súlyát csökkentő hatása a kimosást elősegítheti. A kérdést bonyolítja azonban, az a tény, hogy — amint erre Rubinstein [3] rámutatott — a fenék menti áramképre a szivárgó vízmennyiségnek már kis mennyiségnél is igen jelentős hatása lehet. v3. A -ß n tag görbevonalú áramlásoknál érvényesül. A nyomásgradiens ezeknél a mozgásoknál a görbületi középpont felé irányul és a folyadékrészecskéket a centrifugális tömegérőkkel szemben egyensúlyban tartja. A folyadékkal együtt mozgó részecskékre ugyancsak hat a centrifugális erő és mert a szemcse térfogatsúlya nagyobb a víznél, az eredő erő a szemcsét kifelé taszítja (szeparátor). Ha azonban a szemcse a görbevonalú áramlásban nyugalomban van. akkor a centrifugális erő egyensúlyozására szolgáló nyomásgradiens — amely az „örvénytölcsér"-ben szemléletesen is megfigyelhető — a szemcsét a forgásközéppont felé mozdítaná el. Az örvényközéppontban levő kisnyomású térbe alulról, a mederanyag felől is megindul áramlás, amely a szemcsét lebegtetett állapotba hozza. Utófenék utáni kimosás üvegcsatornában történő vizsgálatánál közvetlenül is észlelhetjük, hogy a kimosás nem a teljes szelvényben történik, hanem az utófenéken kialakuló és az alvízbe periodikusan kifutó mozgó örvényfonalak és a meder érintkezési vonalán. dv 4. A tagnak nem permanens áramlásoknál van szerepe. A fő áramkép időben való változása a vizsgált jelenségeknél olyan lassú, hogy az ezt előidéző nyomásgradiens a szemcse egyensúlya szempontjából nem lényeges. A fő áramképre azonban nem permanens mozgások halmozódnak : a turbulens sebességpulzálás és a leválások által okozott sebességpulzálás. Ezek a szemcse egyensúlyát nem csak azzal befolyásolják, hogy helyenként és időnként az átlagos helyi sebességet lényegesen felülmúló pillanatnyi sebességek lépnek fel, hanem azzal is, hogy a sebesség növekedésének idején a nyomás a szemcse két pontja között eltérő. Ez a nyomásgradiens kiemelheti a szemcsét egyensúlyi helyzetéből és az időben közvetlen ezt követő maximális helyi sebesség folyásirányban elmozdítja. A műtárgyak körüli helyi kimosások kismintán, vagy valóságban történő vizsgálata mindig azt mutatja, hogy a nagyobi) mélységek helyén mindig kimutatható a nyomásgradienst befolyásoló hatások összessége vagy egyike. További feladatok a kimosásvizsgálat területén. A kimosások elleni védekezéshez szükséges, hogy a fenti tényezők hatását mennyiségileg is ismerjük. Ebből a célból részletes vizsgálat alá kell venni az örvények keletkezésének és kialakulásának okait és feltételeit, elméletileg és kísérletileg vizsgálni kell az örvények belső sebesség és nyomáseloszlását, és meg kell állapítani az örvények mederfenékre gyakorolt hatásának a mechanizmusát. A vizsgálat folyamán külön kell választani a határfelületeken vagy különböző sebességű folyadékrétegek érintkezési tin. diskontinuitási felületén leváló rövid élettartamú örvényeket, valamint a permanens helyzetű állandó örvényeket és vízhengereket. Részletesebben meg kell vizsgálni a porózus mederanyagban helyi nyomáskülönbségekből előálló vízmozgásnak hatását a kimosásra. Az ezen a területen végzett kutatások [2] folytatásaképpen részletesen vizsgálni kell a műnek beépítése miatt megnövekedett sebesség-