Name: sluice gate water pressure and reaction force
Uploaded: 2025-02-13T15:43:22.000Z
Duration: 1 min 11 s
Channel: JoVE

Zasuwa śluzy to pionowa bariera, która kontroluje przepływ wody w kanale.
Aby obliczyć siły działające na śluzę, należy wziąć pod uwagę wodę przepływającą pod śluzą.
Siły zależą od głębokości wody w górę i w dół rzeki.
Po stronie górnego głębokość wynosi z1, a po stronie dolnej głębokość wynosi z2.
Różnica ciśnień między obiema stronami tworzy siłę wypadkową na bramie.
Korzystając z zasady Bernoulliego, prędkość wody pod bramą, V2, można obliczyć na podstawie różnicy ciśnień i spadku wysokości.
Siła reakcji na bramę jest obliczana na podstawie siły hydrostatycznej działającej na słup wody po obu stronach.
Siła jest większa, gdy brama jest zamknięta ze względu na większą różnicę ciśnień.
Po otwarciu bramy siła reakcji zmniejsza się, ponieważ woda swobodnie przepływa pod bramą, zmniejszając różnicę ciśnienia hydrostatycznego netto.
Zasada ta pozwala na określenie siły kotwienia wymaganej do utrzymania bramy na miejscu podczas pracy.

przykład projektu: siły w bramie śluzowej

Design Example: Forces in Sluice Gate

W inżynierii hydraulicznej, śluzy są kluczowe dla zarządzania przepływem wody przez kanały, zbiorniki i systemy nawadniające. Śluzy, pełniące rolę pionowych barier, regulują przepływ wody poprzez dostosowanie wysokości otwarcia bramy, co zmienia prędkość i ciśnienie wody płynącej pod śluzą. Zrozumienie sił działających w tym procesie jest kluczowe dla projektowania śluz, które będą w stanie wytrzymać dynamiczne różnice ciśnień, szczególnie gdy brama jest zamknięta lub częściowo otwarta.

Kluczowe zmienne w analizie sił działających na śluzę obejmują głębokość wody po stronie w górę rzeki z_1​ oraz głębokość po stronie w dół rzeki z_2​. Gdy śluza jest zamknięta, głębokość wody jest większa po stronie w górę rzeki, co powoduje znaczną różnicę ciśnień po obu stronach śluzy. Ta różnica ciśnień generuje siłę netto, która wymaga systemu kotwiczenia, aby utrzymać śluzę stabilnie na miejscu. Ciśnienie hydrostatyczne wywierane po stronie w górę rzeki jest proporcjonalne do głębokości wody i siły grawitacji, podczas gdy ciśnienie po stronie w dół rzeki zależy od z_2​. Powstały gradient ciśnienia na bramie wytwarza siłę netto, która pcha ją w kierunku strony w dół rzeki.

Gdy brama śluzy jest częściowo otwarta, woda przepływa pod nią, a zasada Bernoulliego może być zastosowana do określenia prędkości wody po stronie w dół rzeki V_2​.

<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/18056/18056_Equation_1.svg" style="text-align: center; height: 90px;">

Biorąc pod uwagę głębokości w górę i w dół rzeki, zasada ta odnosi się do zmiany ciśnienia spowodowanej różnicami wysokości wody, umożliwiając obliczenie V_2 na podstawie różnic wysokości i gradientów ciśnienia. Przepływ ten zmniejsza ciśnienie wywierane na bramę, umożliwiając ruch zamiast gromadzenia się wody, co redukuje siłę netto, gdy woda płynie swobodnie.

Całkowita siła reakcji na bramie śluzy jest głównie wynikiem siły hydrostatycznej wywieranej przez kolumnę wody w górę rzeki, która jest najwyższa, gdy brama jest całkowicie zamknięta. Gdy brama się otwiera i woda przepływa pod nią, zmniejszenie różnicy ciśnień powoduje obniżenie siły reakcji.

<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/18056/18056_Equation_2.svg" style="text-align: center; height: 90px;">

Przykład projektu: siły w bramie śluzowej

Zasuwa śluzy to pionowa bariera, która kontroluje przepływ wody w kanale.
Aby obliczyć siły działające na śluzę, należy wziąć pod uwagę wodę płynącą pod ...

Education

JoVE Core

Civil Engineering

Inżynieria lądowa

Unit 1

Jednostka 1

Finite Control Volume Analysis

Analiza skończonej objętości kontrolnej

KEY TERMS AND CONCEPTS

KLUCZOWE TERMINY I POJĘCIA

sluice gate water pressure and reaction force

Sluice gates control water flow in channels, reservoirs, and irrigation systems. They work as vertical barriers with an opening that can be raised or lowered. Changing the opening height changes the water velocity and pressure below the gate.

The forces on a sluice gate depend on the water depths upstream and downstream, written as z1 and z2. When the gate is closed, the upstream water depth is greater. That creates a strong pressure difference across the gate and a net force toward the downstream side. In that case, the gate needs an anchoring system to keep it secure.

The pressure on the upstream side is hydrostatic pressure, which depends on water depth and gravity. The downstream pressure depends on z2. Together, these pressures create the pressure gradient that pushes on the gate.

When the sluice gate is partially open, water flows beneath it. Bernoulli's principle can then be used to find the downstream velocity, V2, from the upstream and downstream depths. As the water moves through the opening instead of building up, the pressure difference becomes smaller and the reaction force on the gate decreases. The total reaction force is therefore highest when the gate is fully closed and lower as the gate opens.

Sluice Gate Water Pressure and Reaction Force

sluice-gate-water-pressure-and-reaction-force

conservation of mass in finite cotrol volume

conservation-of-mass-in-finite-cotrol-volume

Continuity Equation for a Fixed Control Volume

The continuity equation describes conservation of mass for a fixed control volume. In fluid mechanics, a system is a collection of the same contents over time, and its mass stays constant. That idea is the starting point for deriving the equation. To analyze flow, a fixed, non-deforming control volume is chosen so it matches the system at one instant. The Reynolds transport theorem then links the system to the control volume. It shows that the rate of change of system mass has two parts: mass...

conservation of mass in fixed, nondeforming control volume

conservation-of-mass-in-fixed-nondeforming-control-volume

Continuity and Velocity in Pipe Flow

Conservation of mass explains how fluid moves through a fixed control volume such as a pipe or duct. In a fixed, nondeforming control volume, the total mass stays constant unless mass enters or leaves through the control surfaces. For steady, incompressible flow, the mass entering the system equals the mass leaving it. A sewer pipe is a useful example of this idea. It can be treated as a fixed control volume with inlet and outlet control surfaces around the flow region. Because the fluid is...

conservation of mass in moving, nondeforming control volume

conservation-of-mass-in-moving-nondeforming-control-volume

Stormwater Detention Basin Mass Balance

Stormwater detention basins use mass balance to manage runoff during heavy rainfall. These basins are especially important in urban areas, where impervious surfaces can increase flooding risk. Engineers use the conservation of mass to track how water enters, is stored in, and leaves the basin. In a detention basin, the control volume is the water inside the basin. Its boundaries are the basin walls, the inflow pipes, and the outflow structures. During a rain event, water comes in through the...

linear momentum in control volume

Momentum Balance for Fluid Control Volumes

Linear momentum balance for a fluid control volume links Newton’s second law to moving fluid. The law says that the rate of change of linear momentum equals the sum of the external forces acting on the system. In a fluid system, this idea helps explain how motion and force are related. A control volume can match the fluid system at a specific moment. When that happens, the forces on the control volume and the system are the same. Reynolds transport theorem explains this connection by splitting...

application of the linear momentum equation

application-of-the-linear-momentum-equation

Forces in a 180° Pipe Bend

Forces in a 180-degree pipe bend can be found by applying the linear momentum equation to flowing water. The pipe has a constant cross-sectional area of 0.01 square meters, and the water moves at 15 meters per second. The pressure at the inlet is 0.2 megapascals, and the pressure at the outlet is 0.16 megapascals. The goal is to find the force components in the x and y directions that hold the bend in place. In this case, the flow is only in the y direction at both the entrance and the exit.

moment-of-momentum equation

Wind Turbine Torque and Angular Momentum

The moment-of-momentum equation helps explain how wind turbine blades create torque. Torque is the turning effect of a force around an axis. In rotating systems, this equation links the motion of the wind with the force acting on it. The equation begins with Newton's second law for a fluid particle. That law says the rate of change of linear momentum equals the external force on the particle. To find torque, the position of the particle relative to the rotation axis is combined with that force.

conservation of energy in control volume

Turbine Work from Energy Changes

A turbine can turn fluid energy into shaft work when flow passes through a control volume. The fluid enters the turbine at one point and leaves at another. Under steady-flow conditions, there is no energy buildup inside the control volume, so the stored energy does not change with time. This steady-flow setup makes the energy equation simpler. The turbine is treated as doing mechanical work, and heat transfer is taken as negligible, so Q̇ is approximately zero. The flow at the inlet and outlet...

application of the energy equation

Centrifugal Pump Flow Rate Calculation

Centrifugal pump flow rate can be calculated with the energy equation. In this problem, water moves between two reservoirs at different elevations, and the pump provides the energy needed for the transfer. The pump input is 7500 joules per second, the elevation difference is 10 meters, and the head loss from friction and other resistances is 5 meters. Both reservoirs are open to the atmosphere, so the pressure at the inlet and outlet is the same. That means the pressure terms in the energy...

design example: forces in sluice gate

Sluice gates control water flow in channels, reservoirs, and irrigation systems. They work as vertical barriers with an opening that can be raised or lowered. Changing the opening height changes the water velocity and pressure below the gate. The forces on a sluice gate depend on the water depths upstream and downstream, written as z1 and z2. When the gate is closed, the upstream water depth is greater. That creates a strong pressure difference across the gate and a net force toward the...

key terms and concepts

Learn how upstream and downstream water depths affect pressure, flow speed, and reaction force on a sluice gate when it is closed or partially open.

Sluice Gate Water Pressure and Reaction Force | JoVE K12

JoVE Core Civil Engineering provides a foundational exploration of essential construction materials in civil engineering, focusing on bricks, stones, steel, wood, and concrete through easy-to-understand animated videos. This collection covers the properties, manufacturing processes, and practical applications of these materials. Additionally, the accompanied science-in-action videos demonstrate the research experiments performed in laboratories.

civil engineering

Sluice Gate Water Pressure and Reaction Force

Description

Transcript

Tags