Кіріспе
Сұйықтықтар механикасы мен гидравликасында ашық арна ағыны - еркін беті бар арнадағы сұйықтық ағынының түрі. Құбырдағы басқа ағыс түрі - құбыр ағысы. Бұл екі ағыс түрі көптеген жағынан ұқсас, бірақ бір маңызды жағынан ерекшеленеді: ашық арна ағысының бос беті бар, ал құбыр ағысы жоқ, нәтижесінде ағысқа ауырлық әсер етеді, бірақ гидравликалық қысым болмайды.
In fluid mechanics and hydraulics, open channel flow is a type of liquid flow within a conduit with a free surface, known as a channel. The other type of flow within a conduit is pipe flow. These two types of flow are similar in many ways but differ in one important respect: open channel flow has a free surface, whereas pipe flow does not, resulting in flow dominated by gravity but not hydraulic pressure.
Ағымындағы күйлер
Ашық арна ағынының мінез-құлқы ағыстың инерциялық күштеріне қатысты тұтқырлық пен ауырлық әсерінен реттеледі. Жер бетіндегі кернеудің салымы аз, бірақ көп жағдайда басқарушы фактор болуға жеткілікті маңызды рөл атқармайды. Еркін беттің болуынан, ауырлық әдетте ашық арна ағынының ең маңызды драйвері болып табылады; сондықтан инерциялық және ауырлық күштерінің арақатынасы ең маңызды өлшемсіз параметр болып табылады. Параметр Фроуд саны деп аталады және былайша анықталады: қайда орташа жылдамдық, арнаның тереңдігі үшін сипаттамалық ұзындығы шкаласы және гравитациялық жылдамдық. Рейндольдтар санымен көрсетілген инерцияға қатысты тұтқырлықтың әсеріне байланысты ағын ламинарлық, турбулентті немесе өтпелі болуы мүмкін. Алайда Рейнольдс санының жеткілікті үлкендігін тұтқыр күштерді елемеуге болады деп қабылдауды жалпыға бірдей қабылдау керек.
Тұрақтылық теңдеуі
Массаның сақталуын сипаттайтын жалпы сабақтастық теңдеуі мынадай пішінді алады: қайда сұйықтық тығыздығы және дивергенция операторы. Қысылмайтын ағындылықты , тұрақты бақылау көлемін болғанда , бұл теңдеуде қарапайым өрнегі бар. Алайда, көлденең қима ауданы арнадағы уақыт пен кеңістікке байланысты өзгеруі мүмкін. Егер біз үздіксіздік теңдеуінің интегралды түрінен бастасақ: көлемдік интегралды көлденең қимаға және ұзындыққа бөлшектеуге болады, бұл мынадай түрге әкеледі: Сығымдауға болмайтын, 1D ағынды болжам бойынша, бұл теңдеу: Оны атап өтіп, көлемдік ағынды жылдамдығын анықтағанда теңдеу төмендейді: Ақырында, бұл сығымдауға болмайтын, 1D ашық арна ағыны үшін үздіксіздік теңдеуіне әкеледі:
Импульс теңдеуі
Ашық арна ағыны үшін импульс теңдеуін түймеленбейтін Навье-Сток теңдеулерінен бастау арқылы табуға болады: мұндағы қысым, кинематикалық тұтқырлық, Лапластың операторы және гравитациялық потенциал. Жоғары Рейнольдс саны мен 1D ағындылық болжамдарын шақыру арқылы біз теңдеулерді аламыз: Екінші теңдеу гидростатикалық қысымды білдіреді, мұнда арна тереңдігі еркін беттің биіктігі мен арна түбінің арасындағы айырмашылық. Бірінші теңдеуге ауыстыру береді: мұнда арна төсегінің еңісі арна жағалаулары бойынша қисайту кернеуін есепке алу үшін біз күш терминін: қисайту кернеуінің қайда екендігін және гидравликалық радиусты анықтауымыз мүмкін. Ырғақтылық ауытқуын анықтау, ырғақтылық шығындарын өлшеу тәсілі, импульс теңдеуінің соңғы түріне әкеледі:
Энергиялық теңдеу
Энергия теңдеуін алу үшін адвективті жылдамдық термін мыналай ыдырата алатындығын ескеріңіз: қайда ағынның бұрқақтығы және Евклид нормасы. Бұл импульс теңдеуінің бір түріне әкеледі, сыртқы күштер терминін елемейтін болса, мынаған әкеледі: Бұл теңдеумен нүктені көбейтуді қолдану арқылы: Бұл теңдеу скалярлық үш еселенген көбейтуді пайдалану арқылы анықталады энергия тығыздығы: Уақыт тәуелсіз екенін атап, біз теңдеуге келеміз: Энергия тығыздығы уақыт тәуелсіз және ағын бір өлшемді деп болжау оңайлатуға әкеледі: тұрақты болу; бұл Бернулли қағидасына тең. Ашық арна ағынында ерекше қызығушылықты гидравликалық басты есептеу үшін қолданылатын меншікті энергия тудырады, ол: меншікті салмақ ретінде анықталады. Алайда, реалистикалық жүйелер кернеу мен турбулентке байланысты энергияның ығысуын есепке алу үшін бас шығын термині қосылуын талап етеді, ол импульс теңдеуіндегі сыртқы күштер терминіне дисконт беру арқылы елемеді.