МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего образования

«Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта»

(БФУ им. И.Канта)

Институт природопользования, территориального развития и градостроительства
Учебное занятие дисциплина Гидравлика тема «Безнапорное равномерное движение жидкости в каналах и трубах» Преподаватель: Лебедева М.Е. Калининград 2016 г.

ПЛАН УЧЕБНОГО ЗАНЯТИЯ
Группа (ы) В-21 Дата 01.12. 15 г. Дисциплина Гидравлика Тема урока Безнапорное равномерное движение жидкости в каналах и трубах Тип урока урок ознакомления с новым материалом с элементом обобщения и систематизации знаний Форма проведения семинар-практикум Цели урока: Учебные: сформировать представление о формах поперечных сечений каналов, обобщить и систематизировать знания о гидравлических характеристиках каналов, познакомить у ч а щ и хс я с п о н я т и е м « ка н а л ы и т руб ы к а к водопроводящие сооружения», выработать навыки расчета основных гидравлических характеристик каналов. Воспитательные: воспитывать интерес к изучаемой дисциплине; воспитывать чувство ответственности за принятие индивидуального (группового) решения, форм организации работы на уроке Развивающие: р а з в и т ь у у ч а щ и х с я п а м я т ь , м ы ш л е н и е , самостоятельность, учить работать в команде, высказывать и отстаивать свою точку зрения, развивать коммуникативные навыки.
Метод (ы) и приемы

проведения занятия:
Объяснительно-иллюстративный, игровой, работа в команде
Междисциплинарные

связи (МДС)
: С дисциплинами, изучаемыми ранее -Математика, физика Опережающие -ПМ 04 : «Гидротехнические сооружения, применяемые в системах водоснабжения и водоотведения»; -ПМ 03: «Водоотведение».
Оснащенность

занятия средствами

обучения
Карточки нескольких цветов, таблички с названиями групп; мультимедийные презентации; таблица «Основные характеристики каналов и труб».

СТРУКТУРА УЧЕБНОГО ЗАНЯТИЯ

Наименование структурных

элементов урока

Врем

я,

мин.

Используемые

приемы и методы, средства,

поставленные цели

Деятельность

преподавателя

Деятельность

студентов
Организационный момент: проверка явки и готовности студентов к занятию 1-2 Цель: контроль явки студентов на занятие, подготовка к работе Проверяет явку и готовность студентов к занятию Перекличка, подготовка к занятию Первый этап. -Формулирование темы и целей занятия 2 Цель: информирование студентов о теме и этапах занятия, мотивация к выполнению поставленной задачи. Объявляет тему занятия. Ставит цели, объясняет ход Слушают. Актуализация и мотивация учебной деятельности - Создание рабочих групп, постановка задачи 20 Цель: подготовить к занятию, показать важность данной темы для студентов. Метод – выполнение заданий в группах, объяснительно- иллюстративный Средства: раздаточный материал с заданием, цветные карточки с количеством баллов; Раздает лист-задание, контролирует время выполнение задания, оценивает деятельность каждой команды и раздает баллы; Объясняет, заинтересовывает, настраивает на изучение нового материала подкрепленный мультимедийной презентацией. Выполняют задания Слушают Второй этап. Основной -Самостоятельное изучение студентами в группах нового материала - Общая презентация 40 Цель: изучение и интегрирование нового материала в таблицу Метод – работа в группах Средства: рабочие тексты, заготовка таблицы, мультимедийная презентация, цветные карточки, Выдает текст каждой команде, ставит задачу, регламентирует время на выполнение задания, наблюдает за ходом работы студентов. Демонстрирует правильно заполненную таблицу, Помогает сформулировать описание форм поперечного сечения каналов и основных гидравлических характеристик потока жидкости в данном виде канала. Ставит задачу по представлению оформленной Работают в группе: анализируют текст и заполняют таблицу. Команды обмениваются участниками, которые пересказывают свой текст, выделяя самое главное. Возвращаются в свою команду и заполняют таблицу до конца. В команде анализируют правильность своей работы, ошибки отмечают красным цветом. Готовят презентацию
результатов таблицы, Третий этап: - Решение задач по теме безнапорное равномерное движение жидкости в каналах 25 Цель: определение уровня освоенности нового материала Метод: работа в команде Средства: раздаточный материал, мультимедийная презентация. Выдает задачи каждой команде, контролирует работу студентов, регламентирует время выполнения задания. Демонстрирует правильное решение задач. Анализирует работу студентов, выдает баллы. Демонстрирует итоговую таблицу, предлагает студентам оценить свою работу по количеству набранных баллов в течение занятия. Решают задачи в команде Анализируют, ошибки отмечают красным цветом. Представитель от каждой команды по очереди показывает решения задач. Оценивают свою работу, выставляют оценки.
90


Ход урока
Заранее группа делится на 4 команды
1. Организационный момент (5 мин)

2. Объявление темы и целей занятия
(
5 мин).
Тема – «Безнапорное равномерное движение жидкости в каналах и трубах». Цель – обобщить и систематизировать знания о гидравлических характеристиках каналов.
3. Основная часть занятия:

Блок А – Актуализация знаний учащихся (10 мин).
Выдаются листы формата А 3 (Приложение 1) с заданием По итогу выполненных заданий от каждой команды выходят по одному участнику с выполненным заданием, анализируем. По итогам анализа работ раздаются цветные карточки с количеством баллов (кто быстрее и правильнее получает максимальное количество баллов – 4).
Блок Б – Вводная часть (10 мин)
Рассказ преподавателя, подкрепленный мультимедийной презентацией (Приложение 1) о водопроводящих сооружениях, предназначенных для подачи воды из одного пункта в другой, видах движений жидкости в каналах, об ученом А. Шези. Демонстрация и пояснение расчетных формул для определения коэффициента Шези.
Блок В – Интегрирование нового материала в таблицу
Каждой команде выдается текст (Приложение 2) и таблица на формате А 3 (Приложение 3 «Презентация» - слайд 7). Таблица 1 – Названия текстов для команд
Номер

команды

Название текста
№ 1 «Открытый канал прямоугольной формы площади поперечного сечения» № 2 «Открытый канал треугольной формы площади поперечного сечения» № 3 «Открытый канал трапецеидальной формы площади поперечного сечения» № 4 «Каналы замкнутого сечения» Правила игры в командах:
Каждая

команда

обрабатывает

свой

текст,

заполняет

свою

часть

таблицы соответственно названию текста (10 мин).

Далее

команды

перемешиваются

и

обмениваются

изученным

материалом (10 мин).

Все садятся на свои места и полностью заполняют таблицу (15 мин).
Игра останавливается.
Преподаватель

демонстрирует

правильно

заполненную таблицу
(Приложение 3 «Презентация» - слайд 8)
, и студенты

маркером

красного

цвета

отмечают

ошибки

(10

мин).
По количеству
красного цвета выдаются баллы: команда, выполнившая задание более правильно и максимально быстро, получает максимальное количество баллов – 4.
Г. Решение задач.
Каждой команде выдается условие задачи и бланк для заполнения решения (10 мин). Пример задачи (Приложение 3 «Презентация» - слайд 9), бланк для решения задачи (Приложение 4). Преподаватель демонстрирует правильное решение на доске. Студенты дописывают правильный ответ или отмечают ошибки красным цветом. Выставляются баллы за выполнение задания - максимальное количество баллов – 4.
4. Подведение итогов. Подсчитываем баллы
(
5 мин)
Таблица 2 – Баллы за задания по блокам занятия А, В, Г
Блок

Наименование задания

Баллы

А
«Актуализация знаний» 4
В
«Интегрирование нового материала в таблицу» 4
Г
«Задачи» 4 Итог 12
5. Оценка результатов урока (5 мин)
Таблица 3 – Соответствие количества баллов оценке
Количество баллов

Оценка
12-11 5 10-9 4 8-7 3
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
Бланк для выполнения задания №1

Команда № ____

1.На

схеме

поперечного

с еч е н и я

трубопровода обозначить синим цветом

жидкость,

если

движение

жидкости

в

трубопроводе напорное
Место для выполнения схемы
2.На

схеме

поперечного

с ечения

трубопровода обозначить синим цветом

жидкость,

если

движение

жидкости

в

трубопроводе безнапорное
Место для выполнения схемы
3.Напис ать

формулу

с м оч е н н о го

периметра

прямоугольного

канала

и

обозначить красным цветом на схеме
Место для выполнения схемы
4.Написать формулу площади

поперечного сечения трубопровода

круглого в плане и заштриховать

красным цветом ее на схеме
Место для выполнения схемы
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
Тексты для выполнения задания № 2

Текст №1 Канал прямоугольной формы

поперечного сечения
Безнапорные потоки в открытых руслах. Движение жидкости в открытых руслах и трубопроводах со свободной поверхностью под действием силы тяжести является безнапорным. Так как уклоны дна русел, как правило, наибольшие, живые сечения в таких руслах принимаются вертикальными. Под уклоном дна понимают синус угла α наклона к горизонту линии дна безнапорного потока. Открытые русла подразделяются на призматические и непризматические. В призматических руслах форам и размеры поперечного сечения не изменяются по длине русла. В непризматических руслах элементы сечения русла изменяются по его длине. Русла, в которых движется поток жидкости, могут иметь прямой уклон дна, а также русла могут быть горизонтальными. Безнапорное движение в открытых и закрытых руслах может быть установившимся и неустановившимся. Для существования равномерного течения необходимо выполнение ряда условий: русло должно быть призматическим, уклон должен быть прямым, шероховатость не должна изменятся по всей длине. При неравномерном движении глубина h, средняя скорость и уклон свободной поверхности изменяются по длине русла. Если глубина потока возрастает по течению, то линия свободной поверхности представляет собой кривую подпора, а движение будет замедленным; если глубина потока уменьшается, то линия свободной поверхности будет кривой спада, а течение вниз по потоку ускоряется. Форма поперечного сечения канала выбирается в зависимости от его размеров, технического назначения условий постройки (характер грунта). Для строительного производства наиболее распространенными являются каналы и лотки прямоугольного и трапецеидального сечения. Рисунок 1. Прямоугольная форма поперечного сечения канала h- глубина; b-ширина дна канала. Ширина канала по верху потока совпадает с шириной канала у основания B = b Выбор коэффициента шероховатости (n) имеет большое значение. Если канал существует и находится в эксплуатации, то оценка состояния дна и откосов канала затруднена и для уточненных расчетов канала коэффициент шероховатости должен быть определен специальными исследованиями в натуре. При строительстве нового канала в расчет принимается коэффициент шероховатости в зависимости от материала, среднее значение по таблице Н.Н. Павловского. Для расчета площади поперечного сечения используется формула : ω = b ∗ h (1.1) Для расчета смоченного периметра:
χ = b + 2h (1.2) Для расчета гидравлического радиуса R = ω χ (1.3) Для определения средней скорости движения жидкости в канале служит формула: v = C √ Ri , м / с (1.4) Для определения расхода жидкости в канале служит формула: Q = ωC √ Ri , м 3 /с (1.5) где: R- гидравлический радиус, м i- гидравлический уклон ω - площадь поперечного сечения, м 2 С- коэффициент Шези, м 1/2 /с. C = 1 n R 0,2 (1.6) где: n- коэффициент шероховатости канала. Минимальная скорость движения жидкости в канале, которая является скоростью заиления, определяется по формуле: vmin = 0,5 √ R (1.7) Для облицовки каналов используют следующий материал:цементная штукатурка; металл; дерево; бетон; кирпич; тесаный камень; земляные; бутовая кладка; каналы, вытесанные в скалах.
Текст №2 «Канал трапецеидальной формы

поперечного сечения»
Безнапорные потоки в открытых руслах. Движение жидкости в открытых руслах и трубопроводах со свободной поверхностью под действием силы тяжести является безнапорным. Так как уклоны дна русел, как правило, наибольшие, живые сечения в таких руслах принимаются вертикальными. Под уклоном дна понимают синус угла α наклона к горизонту линии дна безнапорного потока. Открытые русла подразделяются на призматические и непризматические. В призматических руслах форам и размеры поперечного сечения не изменяются по длине русла. В непризматических руслах элементы сечения русла изменяются по его длине. Русла, в которых движется поток жидкости, могут иметь прямой уклон дна, а также русла могут быть горизонтальными. Безнапорное движение в открытых и закрытых руслах может быть установившимся и неустановившимся. Для существования равномерного течения необходимо выполнение ряда условий: русло должно быть призматическим, уклон должен быть прямым, шероховатость не должна изменятся по всей длине. При неравномерном движении глубина h, средняя скорость и уклон свободной поверхности изменяются по длине русла. Если глубина потока возрастает по течению, то линия свободной поверхности представляет собой кривую подпора, а движение будет замедленным; если глубина потока уменьшается, то линия свободной поверхности будет кривой спада, а течение вниз по потоку ускоряется. Форма поперечного сечения канала выбирается в зависимости от его размеров, технического назначения условий постройки (характер грунта).
Для строительного производства наиболее распространенными являются каналы и лотки прямоугольного и трапецеидального сечения. Рисунок 2. Трапецеидальная форма поперечного сечения канала m- откос; h- глубина; b-ширина дна канала; В- ширина поверхности воды. Выбор коэффициента шероховатости (n) имеет большое значение. Если канал существует и находится в эксплуатации, то оценка состояния дна и откосов канала затруднена, и для уточненных расчетов канала коэффициент шероховатости должен быть определен специальными исследованиями в натуре. При строительстве нового канала в расчет принимается коэффициент шероховатости в зависимости от материала, среднее значение по таблице Н.Н. Павловского. Для расчета площади поперечного сечения используется формула : ω =( b + mh )∗ h (2.1) Для расчета смоченного периметра: χ = 2 h √ 1 + m 2 (2.2) Для расчета гидравлического радиуса R = ω χ (2.3) Ширина канала по верху воды определяется по формуле: B = b + 2 mh (2.4) Для определения средней скорости движения жидкости в канале служит формула: v = C √ Ri , м / с (2.5) Для определения расхода жидкости в канале служит формула: Q = ωC √ Ri , м 3 /с (2.6) где: R- гидравлический радиус, м i- гидравлический уклон ω - площадь поперечного сечения, м 2 С- коэффициент Шези, м 1/2 /с. C = 1 n R 0,2 (2.7) где: n- коэффициент шероховатости канала. Минимальная скорость движения жидкости в канале, которая является скоростью заиления, определяется по формуле: vmin = 0,5 √ R (2.8) Для облицовки каналов используют следующий материал:цементная штукатурка;металл; дерево;бетон;кирпич;тесаный камень;земляные;бутовая кладка;каналы, вытесанные в скалах.
Текст №3 «Канал треугольной формы


поперечного сечения»
Безнапорные потоки в открытых руслах. Движение жидкости в открытых руслах и трубопроводах со свободной поверхностью под действием силы тяжести является безнапорным. Так как уклоны дна русел, как правило, наибольшие, живые сечения в таких руслах принимаются вертикальными. Под уклоном дна понимают синус угла α наклона к горизонту линии дна безнапорного потока. Открытые русла подразделяются на призматические и непризматические. В призматических руслах форам и размеры поперечного сечения не изменяются по длине русла. В непризматических руслах элементы сечения русла изменяются по его длине. Русла, в которых движется поток жидкости, могут иметь прямой уклон дна, а также русла могут быть горизонтальными. Безнапорное движение в открытых и закрытых руслах может быть установившимся и неустановившимся. Для существования равномерного течения необходимо выполнение ряда условий: русло должно быть призматическим, уклон должен быть прямым, шероховатость не должна изменятся по всей длине. При неравномерном движении глубина h, средняя скорость и уклон свободной поверхности изменяются по длине русла. Если глубина потока возрастает по течению, то линия свободной поверхности представляет собой кривую подпора, а движение будет замедленным; если глубина потока уменьшается, то линия свободной поверхности будет кривой спада, а течение вниз по потоку ускоряется. Форма поперечного сечения канала выбирается в зависимости от его размеров, технического назначения условий постройки (характер грунта). Для строительного производства наиболее распространенными являются каналы и лотки прямоугольного и трапецеидального сечения. Рисунок 3. Треугольная форма поперечного сечения канала h- глубина; В- ширина по поверхности воды. Выбор коэффициента шероховатости (n) имеет большое значение. Если канал существует и находится в эксплуатации, то оценка состояния дна и откосов канала затруднена и для уточненных расчетов канала коэффициент шероховатости должен быть определен специальными исследованиями в натуре. При строительстве нового канала в расчет принимается коэффициент шероховатости в зависимости от материала, среднее значение по таблице Н.Н. Павловского. Для расчета площади поперечного сечения используется формула : ω = 1 2 b ∗ h (3.1) Для расчета смоченного периметра: χ = b + 2h √ 1 + m 2 (3.2) Для расчета гидравлического радиуса R = ω χ (3.3) Ширина канала по верху воды определяется по формуле:
B = 2mh (3.4) Для определения средней скорости движения жидкости в канале служит формула: v = C √ Ri , м / с (3.5) Для определения расхода жидкости в канале служит формула: Q = ωC √ Ri , м 3 /с (3.6) где: R- гидравлический радиус, м i- гидравлический уклон ω - площадь поперечного сечения, м 2 С- коэффициент Шези, м 1/2 /с. C = 1 n R 0,2 (3.7) где: n- коэффициент шероховатости канала. Минимальная скорость движения жидкости в канале, которая является скоростью заиления, определяется по формуле: vmin = 0,5 √ R (3.8) Для облицовки каналов используют следующий материал:цементная штукатурка; металл; дерево; бетон; кирпич; тесаный камень; земляные; бутовая кладка; каналы, вытесанные в скалах.
Текст №4 «Канал замкнутого сечения»
Безнапорные потоки в открытых руслах. Движение жидкости в открытых руслах и трубопроводах со свободной поверхностью под действием силы тяжести является безнапорным. Так как уклоны дна русел, как правило, наибольшие, живые сечения в таких руслах принимаются вертикальными. Под уклоном дна понимают синус угла α наклона к горизонту линии дна безнапорного потока. Открытые русла подразделяются на призматические и непризматические. В призматических руслах форам и размеры поперечного сечения не изменяются по длине русла. В непризматических руслах элементы сечения русла изменяются по его длине. Русла, в которых движется поток жидкости, могут иметь прямой уклон дна, а также русла могут быть горизонтальными. Безнапорное движение в открытых и закрытых руслах может быть установившимся и неустановившимся. Для существования равномерного течения необходимо выполнение ряда условий: русло должно быть призматическим, уклон должен быть прямым, шероховатость не должна изменятся по всей длине. При неравномерном движении глубина h, средняя скорость и уклон свободной поверхности изменяются по длине русла. Если глубина потока возрастает по течению, то линия свободной поверхности представляет собой кривую подпора, а движение будет замедленным; если глубина потока уменьшается, то линия свободной поверхности будет кривой спада, а течение вниз по потоку ускоряется. Форма поперечного сечения канала выбирается в зависимости от его размеров, технического назначения условий постройки (характер грунта). Для строительного производства наиболее распространенными являются каналы и лотки прямоугольного и трапецеидального сечения.
Рисунок 4. Канал замкнутого сечения D- диаметр; Н- наружный диаметр; h- высота уровня воды в трубе; В- ширина по поверхности воды. Выбор коэффициента шероховатости (n) имеет большое значение. Если канал существует и находится в эксплуатации, то оценка состояния дна и откосов канала затруднена, и для уточненных расчетов канала коэффициент шероховатости должен быть определен специальными исследованиями в натуре. При строительстве нового канала в расчет принимается коэффициент шероховатости в зависимости от материала, среднее значение по таблице Н.Н. Павловского. Для расчета площади поперечного сечения используется формула : ω = π D 2 4 (4.1) Для расчета смоченного периметра: χ = πD α 360 (4.2) Для расчета гидравлического радиуса R = ω χ (4.3) Ширина канала по верху воды определяется по формуле: B = dsin α 2 (4.4) Наполнение определяется по формуле: а = h D (4.5) Для определения средней скорости движения жидкости в канале служит формула: v = C √ Ri , м / с (4.6) Для определения расхода жидкости в канале служит формула: Q = ωC √ Ri , м 3 /с (4.7) где: R- гидравлический радиус, м i- гидравлический уклон ω - площадь поперечного сечения, м 2 С- коэффициент Шези, м 1/2 /с. C = 1 n R 0,2 (4.8) где: n- коэффициент шероховатости канала. Минимальная скорость движения жидкости в канале, которая является скоростью заиления, определяется по формуле:
vmin = 0,5 √ R (4.9) Для облицовки каналов используют следующий материал:цементная штукатурка; металл; дерево; бетон; кирпич; тесаный камень; земляные; бутовая кладка; каналы, вытесанные в скалах. ПРИЛОЖЕНИЕ 3
Презентация

на тему «Безнапорное равномерное движение жидкости

в каналах и трубах»
Слайд – 1 Слайд – 2
Слайд – 3 Слайд – 4
Слайд – 5
Слайд – 6 Слайд – 7 (Таблица для выполнения задания №2)
Слайд – 8 (Таблица для выполнения задания № 2) Слайд – 9
Слайд – 10 ПРИЛОЖЕНИЕ 4 Задача: Определить расход воды в трапецеидальном канале, проложенном в грунте (суглинок) при равномерном течении, ширине по дну b 6 м, глубине h1,9 м, коэффициенте заложения откосов m=1 и уклоне i=0,00036. Рассчитать площадь поперечного сечения, гидравлический, смоченный периметр канала, а также среднюю и минимальную скорость, расход, если коэффициент шероховатости n равен 0,025. Дано: Си Решение:
Ответ: ω= χ= R= v ср = v min = Q=