Obliczenia profilu zwierciadła wody metodą bezpośrednią

(Direct Step Water Surface Profile Computations)

W przypadku przepustów pracujących niepełnym przewodem obliczenia profilu zwierciadła wody w przepuście wykonuje się metodą bezpośrednią (ang. direct step method). Metoda ta jest bardzo wydajna, ponieważ nie ma potrzeby iterować położenia wody w każdym kroku. Profil zwierciadła wody jest obliczany dla niewielkich przyrostów głębokości (zwykle pomiędzy 0.003 a 0.015 m). Jeśli głębokość przepływu osiągnie wysokość przepustu wewnątrz przewodu, wówczas od tego miejsca do górnego końca przewodu straty na tarcie obliczane są jak dla przewodu całkowicie wypełnionego.

Pierwszym krokiem w metodzie bezpośredniej jest obliczenie strat na wylocie i ustalenie początkowego poziomu zwierciadła wody wewnątrz przepustu. Jeśli woda dolna znajduje się poniżej głębokości krytycznej wewnątrz przewodu, wówczas przyjmuje się za początkowe zwierciadło wody w przepuście głębokość krytyczną. Jeśli woda dolna znajduje się powyżej głębokości krytycznej w przepuście, wówczas dokonywany jest bilans energii przy przejściu z przekroju dolnego do wnętrza przewodu. Zmiana energii obliczana jest z następującego równania:

$$Z_c+Y_c+\frac{\alpha_c v_c^2}{2g} = Z_2+Y_2+\frac{\alpha_2 v_2^2}{2g}+H_{ex} , \qquad \textrm{(6-7)}$$

gdzie:
$Z_c, Z_2$ - poziom dna przepustu na dolnym stanowisku i w przekroju 2 (jak na rys. 6.7),
$Y_c, Y_2$ - głębokość wody powyżej poziomu dna przepustu na dolnym stanowisku i w przekroju 2,
$v_c, v_2$ - średnia prędkość przepływu na dolnym krańcu przewodu i w przekroju 2,
$\alpha_c, \alpha_2$ - współczynnik rozkładu prędkości na dolnym krańcu i w przekroju 2,
$H_{ex}$ - strata energii na wylocie.

Po obliczeniu poziomu zwierciadła wody na krańcu przepustu rozpoczynają się obliczenia profilu zwierciadła wewnątrz przewodu metodą bezpośrednią. Po ustaleniu wysokości energii i położenia zwierciadła na górnym krańcu przewodu ostatnim krokiem obliczeń jest obliczenie strat na wlocie do przepustu i energii w przekroju 3 (jak na rys. 6.7). Następnie obliczany jest poziom zwierciadła wody odpowiadający obliczonej energii i danej wielkości przepływu.