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

Формула изобретения

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.

Описание изобретения к патенту

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 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 . 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 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.