Гідравлічні аспекти розрахунку замкнутих систем ємностей для перевезення плідників риби в період нересту

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний університет водного господарства та природокористування

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

05.23.16 - Гідравліка та інженерна гідрологія

Гідравлічні аспекти розрахунку замкнутих систем ємностей для перевезення плідників риби в період нересту

Іванов Володимир Серафимович

Рівне - 2005

Дисертація є рукопис

Робота виконана в Національному університеті водного господарства та природокористування (НУВГП) Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: Кандидат технічних наук, доцент Рогалевич Юрій Петрович, НУВГП, доцент кафедри гідравліки

Офіційні опоненти:

Доктор технічних наук, професор Рябенко Олександр Антонович, НУВГП, професор, зав. Кафедрою використання водної енергії і гідромашин

Кандидат технічних наук, доцент Жук Володимир Михайлович, НУ “Львівська політехніка”, доцент, зав. кафедрою гідравліки та сантехніки

Провідна установа: Київський національний університет будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України, кафедра гідравліки та водовідведення.

Учений секретар спеціалізованої вченої ради, кандидат технічних наук, доцент Востріков В.П.

Анотація

Іванов В.С. Гідравлічні аспекти розрахунку замкнутих систем ємностей для перевезення плідників риби в період нересту. - Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.16 - гідравліка та інженерна гідрологія. Національний університет водного господарства та природокористування. Рівне, 2005.

Дисертація присвячена вирішенню актуального питання збереження і відновлення рибних запасів України, шляхом забезпечення доставки плідників риби до місць нересту за допомогою ємностей, обладнаних циркуляційною гідравлічною системою життєзабезпечення. В роботі отримані такі результати: проведені теоретичні і експериментальні дослідження циркуляційної системи рибовозного контейнера як в цілому, так і окремих її елементів, отримане основне рівняння руху води у контейнері для перевезення живої риби, дана методика розрахунку ємності для перевезення плідників живої риби, одержаний патент України на нову конструкцію контейнера для перевезення живої риби та визначені перспективи її вдосконалення.

Ключові слова: контейнер, ємність, циркуляційна система, насос, ежектор, напрямний апарат, решітка, гідравлічний опір.

Аннотация

Иванов В.С. Гидравлические аспекты расчета замкнутых систем емкостей для перевозки производителей рыбы в период нереста. - Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.16 - гидравлика и инженерная гидрология. Национальный университет водного хозяйства и природопользования. Ривнэ, 2004.

Диссертация посвящена актуальному вопросу сохранения и восстановления рыбных запасов Украины путем обеспечения доставки производителей к местам нереста с помощью емкостей, оборудованных циркуляционной гидравлической системы жизнеобеспечения. В работе получены результаты: проведены теоретические и экспериментальные исследования циркуляционной системы рыбовозного контейнера, как в целом, так и ее элементов, получено основное уравнение движения воды в контейнере для перевозки живой рыбы, дана методика расчета емкости для перевозки производителей живой рыбы, получен патент Украины на новую конструкцию рыбовозного контейнера.

Ключевые слова: контейнер, емкость, циркуляционная система, насос, эжектор, направляющий аппарат, решетка, гидравлическое сопротивление.

Annotation

V.S. Ivanov. The hydraulic aspects of the calculation of the closed capacities systems for transferring of fish producers during spawning. The dissertation for the receiving of candidate's scientific degree of the technical sciences from the speciality 05.23.16 - hydraulics and engineering hydrology. National university of water management and natural resources. Rivne. 2005.

The dissertation deals with one urgent problem of rezerving and renewal of fish stores of Ukraine, which brought harm by activity of man, for example the hydraulic engineering constructions of canals, water storages on the rivers and the increasing of water use for the demand of industry and irrigation every year. As a result of this activity from more than 100 species of fish survived only 55 species with the abrupt decreasing of their populations in Dniper. This problem is urgent for as Ukraine as others country's of world. One of the ways decision of this problem is catching of fish producers in the tail race of the hydraulic scheme's dam and transferring their to the places of spawning in the head race of the dam. The universal experience (for example USA, Canada) of transferring of fish producers during spawning, construction of fish transporting containers system of their living maintenance has been analysed in this research work. The all advantages and disadvantages of existing capacities for transferring of live fish and their systems of living maintenance have been giver. The methods of calculation of the ejector as element of the closed hydraulic system of the capacity for transferring live fish have been studied and analyzed. Some scientists calculate the ejector on the basis of the use of the pulses theorem and some scientists on the basis of equation of energy balance and others scientists on joint solutions of equation of quantity move and equation of energy balance have been showed. In the specific case the ejectors solute on the basis of the theory of separation turbulent jet. The author uses calculation technique of ejector for the anal is of the hydraulic loss of the head. This technique has been based on joint solutions of the theorem quantity move and energy balance. For the first time the process of the energy loss in the chamber mixing of the hydrojetal pump has been analyzed on the basis of the theoretical investigations and for the first time it has been theoretically proved, that its coefficient efficiency can't be more than 50%. The parametric equation for all jetal devises which work on homogeneous continuum has been theoretically derived. The graphical dependen which show the influence of geometric parametrs of the chamber mixing of the ejector, nozzle diameter, loss of the head in closed hydraulic system on quantity of coefficient ejection have been given. The effect of polyjetion on the quantity of the coefficient ejection and quantity coefficient efficiency of the ejector has been theoretically analyzed and experimentalally verified. The investigations of the author have been shoved, that the increasing a number of the nozzle of the ejector drives to increasing of the loss of the head in the chamber mixing and the decreasing of the general coefficient efficiency of the system. It has been proved, that the loss of the head decrease in the hydraulic system of capacity about the use of the chamber mixing of diffuseral type. The experimental investigations of the influence of the presence or lach directed canals in front of the working chamber of the capacity on the distribution of average velocities along section of the working chamber have been made. It has been proved that minimal number of canals of the directed devise must be at least a three. It has been given the calculation technique of the directed canals of the directed devise as system of the parallel pipelines. The length section of leveling of curve of average velocities in working chamber of the capacity has been theoretically determined. It have been experimental proved that for the even distribution of velocities in working chamber the bottom of this chamber must have the positive grade but must not be more than 8 degree. The graphical dependents of the coefficient ejection and coefficient irregularity of the distribution of velocities in working chamber on slope of false bottom of the working chamber. Have been given the coefficient of local resistances of the closed hydraulic system of the capacity has been experimentally determined from reference quantities. Their mutual effect has been experimentally determined. It has been proved that, the presences of fish in 20% from volume of the working chamber don't make the added hydraulic resistance in closed hydraulic system of the capacity. It has been indicated, that the fundamental disadvantage of existing containers for transferring of fish producers is the violation of limiting average velocity of the circulation in working chamber, which disorientate fish and drive to its damages during transferring. The form of the fish keeping grating the start of the working chamber, which allow to decrease at least a one-third section length of leveling of the curve of average velocities in research work. Its give possibility to increase the useful volume of the working chamber of fish transporting container. The construction of the container for transferring of live fish with this fish keeping grating has been protected by patent of Ukraine on useful model. The hydraulic investigations have been showed that behind such grating the quantity of the coefficient of Coriolis is decreased more actively as behind flat grating. It has been made the total, that the use this grating in the construction of fish transporting container can drive to simplification its construction and can drive to increase the coefficient efficiency of the closed hydraulic system in general. It has been designed and expounded the calculation technique of closed hydraulic system of the capacity for transferring live fish, which based on the theoretical and experimental investigations. The directions of the following hydraulic investigation of the closed system of the capacity for transferring live fish have been indicated. The rough economic effect from the introduction of the investigations has been determined. It have been made substantial totals on the basis of theoretical and experimental investigations.

The key words: container, capacity, circulatory system, pump, ejector, directed device, grating, hydraulic resistance.

1. Загальна характеристика роботи

гідравлічний плідник риба нерест ежектор

Сутність і стан проблеми. Масове зарегулювання стоку річок України греблями гідровузлів призвело до порушення екологічної рівноваги внаслідок створення нездоланих перешкод на шляхах міграції прохідних та напівпрохідних видів риби під час нересту. Це призвело до різкого зменшення чисельності популяцій та зникнення деяких видів риби взагалі в басейнах окремих річок. Основною причиною цього є відсутність у складі споруд гідровузлів рибопропускних споруд - рибоходів та рибопідйомників. У свій час ці споруди не були збудовані і навіть не були запроектовані через відсутність екологічної експертизи проектів гідровузлів. В Україні немає жодної рибопропускної споруди та рибопідйомника. А за часів СРСР їх було збудовано лише декілька, але і вони працювали погано. За кордоном, у США і Канаді, вихід із аналогічної ситуації знайшли так. Рибопропускну споруду будували лише у складі гідровузла, який розміщувався найближче до гирла річки. Під час нересту, плідники риби відловлювали у цій споруді і спеціальними ємностями, розміщеними на транспорті, транспортували до місць нересту кожного гідровузла каскаду. Ці ємності повинні відповідати умовам забезпечення життєздатності і нерестової активності плідників після перевезення.

Актуальність теми. При використанні ємності для перевезення плідників риби до місць нересту, за літературними джерелами, їх загибель досягає 50% через погане забезпечення гідравлічного, термічного та харчового режимів у ємності і механічного травмування при транспортуванні. Забезпечити термічний, харчовий режими та суттєво зменшити механічне травмування плідників риби під час транспортування можна лише вдосконаливши їх внутрішню конструкцію для забезпечення гідравлічних умов у ємності, близьких до природних. Останнє можна виконати лише проаналізувавши роботу всієї гідравлічної системи та провівши відповідні гідравлічні дослідження її елементів.

Зв'язок роботи з науковими програмами і планами. Дана дисертаційна робота є складовою частиною кафедральної науково-дослідної роботи з розділу “Вдосконалення методів гідравлічних розрахунків гідротехнічних споруд” по темі “Вдосконалення методів гідравлічних розрахунків гідротехнічних споруд та впровадження результатів розробок у підготовку науково-педагогічних кадрів і навчальний процес”, яка затверджена на засіданні Вченої ради ІВГ в РДТУ від 19.10.2001 р.

Мета і задачі досліджень. Метою є наукове обґрунтування і вдосконалення конструкції ємності для перевезення плідників риби в період нересту в існуючих зразках на основі гідравлічних досліджень нових елементів цих ємностей.

Для досягнення поставленої мети потрібно розв'язати такі задачі досліджень:

- аналіз гідравлічної системи, найбільш поширеної у практиці ємності для перевезення плідників риби;

- вивчення та аналіз роботи гідроструминного насоса у гідравлічній системі ємності;

- визначення максимального ККД гідроструминного насоса;

- вивчення впливу багатоструминності на ККД ежектора;

- розробка методу розрахунку гідроструминного насоса для гідравлічної системи ємності;

- детально вивчити розподіл осереднених швидкостей у ємності і запропонувати конструктивні пропозиції для більш рівномірного розподілу швидкостей.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у:

- виконаному теоретичному аналізі роботи замкнутої гідравлічної системи ємності для перевезення плідників риби;

- теоретичному визначенні максимального ККД струминного насоса замкнутої гідравлічної системи ємності;

- гідравлічних експериментальних дослідженнях розподілу осереднених швидкостей води в робочій камері рибовозного контейнера та вплив на нього кута нахилу удаваного дна, наявності чи відсутності напрямного апарату, конструкції рибозатримуючої сітки на початку робочої камери;

- виявленні і вивченні взаємного впливу опорів гідравлічної системи на загальні втрати напору;

- створенні методики розрахунку ежектора для замкнутої гідравлічної системи.

Практичне значення одержаних результатів. Виконані експериментальні та теоретичні дослідження дозволяють розраховувати гідроструминний насос як складову гідравлічної системи ємності для перевезення плідників прохідних видів риби до місць нересту. Впровадження у практику ємностей для транспортування живої риби дозволить значно зменшити гостроту негативного екологічного впливу гідротехнічного будівництва на кількість видів і популяцію риби у водосховищах, розміщених на річках України.

Особистий внесок здобувача:

1. Проаналізовані літературні джерела, присвячені проблемі збереження і відновлення рибних запасів у каскаді водосховищ.

2. Вивчені можливості транспортування плідників прохідних видів риби до місць нересту у спеціальних ємностях.

3. Проаналізована робота систем життєзабезпечення цих ємностей та виявлені їх недоліки.

4. Теоретично проаналізована робота струминного насоса як складової гідравлічної системи ємності для перевезення живої риби.

5. Створена методика розрахунку ежектора даної гідравлічної системи та теоретично доведено, що ККД ежектора не може перевищувати 50%.

6. Запропонована, на основі експериментальних досліджень, більш досконала конструкція решітки та напрямного апарата для створення більш рівномірного розподілу осереднених швидкостей по живому перерізу ємності.

7. Одержане параметричне рівняння для розрахунку ежектора, яке можна вважати загальним для всіх гідроструминних насосів.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи доповідались:

1. На науково-технічній конференції УДУВГП, квітень 2003 р., м. Рівне.

2. На міжнародній науковій конференції 2003р., Калінінград (Росія).

3. На міжнародній конференції присвяченій 100-річчю Р.Р. Чугаєва, Санкт-Петербург (Росія), 2004 р.

4. На науково-технічній конференції професорсько-викладацького складу, аспірантів та студентів УДУВГП, квітень 2004 р., м. Рівне.

5. На засіданні міжкафедрального фахового наукового семінару НУВГП, листопад 2004р, м. Рівне.

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковані в 10 наукових працях, з них 5 у фахових виданнях.

Обсяг дисертаційної роботи. Дисертація викладена на 160 сторінках машинописного тексту, в тому числі вміщує 41 рисунок, 7 таблиць і список літератури із 104 найменувань, з них 7 іноземних.

2. Зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність роботи, сформульовані мета та задачі досліджень, наукова новизна, практична цінність.

У першому розділі дисертації сформульовані основні задачі досліджень на основі аналізу світового досвіду перевезення плідників риби до місць нересту на річках, які зарегульовані каскадом гідровузлів. Зокрема розглядається спосіб доставки плідників риби до місць нересту як альтернатива спорудженню рибопропускної споруди. Наведені схеми рибопропускних споруд, рибопропускних каналів, рибопідйомників. Проаналізовані схеми існуючих рибовозних контейнерів та системи їх життєзабезпечення. Вибрано робочу систему життєзабезпечення, що найбільш відповідає необхідності створення умов близьких до природних, та схему циркуляції води з насосом та ежекторним пристроєм. Наголошується на тому, що з метою збереження життєздатності плідників і зменшення ймовірності їх механічного пошкодження при транспортуванні, середня швидкість води у робочій камері контейнера повинна бути не менше порогової для даного виду риби. Вибрана найбільш придатна для створення оптимальних умов перевезення плідників риби схема рибовозного контейнера.

Говориться про те, що включення у склад гідравлічної системи циркуляції води у контейнері ежектора, спрощує систему забезпечення температурного режиму та насичення киснем води у ньому. Наводиться нормативна вимога до рівномірності розподілу осереднених швидкостей води в робочій камері контейнера і вказується, що виконати цю вимогу можна лише за допомогою встановлення на вході у робочу камеру напрямного апарата спеціальної конструкції. Зроблені висновки по першому розділу і перелічені основні напрямки роботи.

В другому розділі говориться про більш, ніж півторастолітню історію розвитку конструкції струминних апаратів, їх розрахунків та використання, починаючи з першого струминного апарату Томпсона (1852 рік). Аналізуючи методи розрахунку струминних апаратів різними вченими, вказуються переваги і недоліки цих методів. Зокрема говориться, що всі методи розрахунку ежекторів можна віднести, умовно, до чотирьох груп: розрахунки на основі використання рівняння кількості руху, балансу енергії, спільного розв'язання цих двох рівнянь, теорії турбулентних струмин. Аналізуються теоретичні та експериментальні дослідження струминних апаратів, виконані вченими, зокрема Ф.Р. Цейнера, Гібсона, Г. Флюгеля, К.К. Баумана, Є.А. Коршаєва, Л.С. Кондратьєва, Б.І Аше, Г.А. Аронса, П.П. Корольова, Е.Я. Соколова, Н.І. Зінгера, Г.І Єфімічкіна, Х.Ш. Мустафіна, М.М. Трусова, К.К. Бауліна, В.Г. Каннігхема, Л.Д. Бермана, Ю.А. Кирилловського, П.Г. Кисельова, С.Ю. Келлера, П.Л. Савочкіна, О'Бриєна, Госліне, Л.Г. Подвідза, А.Я. Міловича, Г.Н. Абрамовича, Н.І. Теперіна, Н.А. Ржанніцина, М.Т. Назарова. Для ілюстрації висновків і аналізу основних рівнянь прийнята розрахункова схема струминного насоса, на якій показані схеми камер змішування.

Використання методу розрахунку ежектора з використанням рівняння кількості руху дозволяє знайти зовнішні характеристики ежектора, не розкриває внутрішніх процесів ежектування і не дає хорошого узгодження із дослідом. Метод розрахунку на основі рівнянь балансу енергії є складним і не може охопити всієї різноманітності струминних апаратів та режимів їх роботи. Процеси, які проходять в ежекторі настільки складні, що використання для їхнього розрахунку даної теорії призводить до прийняття ряду припущень, які в свою чергу впливають на результати розрахунку, що не дозволяє говорити про задовільне узгодження їх з дослідами. Вважається, що найкраще співпадання із дослідом має метод розрахунку, який базується на сумісному розв'язанні рівнянь кількості руху та балансу енергії. Цей метод і взятий нами за основу для розрахунку ежекторного блоку живлення рибовозного контейнера.

У третьому розділі викладені теоретичні основи розрахунку циркуляції води у ємності рибовозного контейнера. Оскільки джерелом руху води в контейнері є ежекторний блок живлення, то гідравлічний розрахунок циркуляції води зводиться до розрахунку ежектора. Завданням розрахунку є визначення оптимальних параметрів, при яких із мінімальними затратами потужності силового обладнання, блок живлення працює із максимальним ККД. Здійснюється спроба розвинути на енергетичній основі теоретичні дослідження струминних насосів і одержати основні залежності для розрахунку системи циркуляції води в рибовозному контейнері. Виведення основних залежностей, виконується для розрахункової схеми рибовозного контейнера.

Допускаючи, що наконечник сопла співпадає із початком камери змішування, у вибраних розрахункових перерізах рух паралельноструминний, тиск на вході у камеру у струмині й оточуючий її рідині однаковий, нехтуючи втратами енергії на тертя вздовж камери змішування, одержимо наступні основні рівняння руху рідини у ємності:

(1)

, (2)

де - коефіцієнт опору, що характеризує втрати напору на змішування робочого і потоку, що ежектується; і - коефіцієнти опору, які характеризують втрати напору в тракті циркуляції між позначеними перерізами.

Дана система рівнянь дає повну енергетичну оцінку стану потоку в колі циркуляції, показуючи, що одна частина енергії потоку витрачається на подолання гідравлічного опору проточної частини між відповідними перерізами, а інша частина енергії - на взаємодію потоків у камері змішування.

При ; ; розв'язання системи рівнянь (1) і (2) після ряду перетворень дає:

(3)

де - коефіцієнт гідравлічного опору тракту циркуляції .

Розділивши обидві частини рівняння (3) на і ввівши безрозмірні параметри, одержимо:

(4)

Це основне параметричне рівняння руху води всередині контейнера, обладнаного ежекторним блоком живлення, і описує закон збереження енергії робочого потоку.

Рівняння балансу енергії для робочого і потоку, що підсмоктується, записане окремо для перерізів 1 і 2, дозволяє одержати:

; (5)

; (6)

, (7)

де - втрати енергії на змішування потоків.

Тиск і у виразах (5) і (6) визначаємо із рівняння кількості руху, записаного для відсіку камери змішування між вказаними перерізами:

. (8)

Сумісний розв'язок рівнянь (5. ... 8), дозволяє одержати вирази для коефіцієнтів , і :

; (9)

(10)

(11)

де - коефіцієнт втрат енергій робочої струмини; коефіцієнт передачі енергії потоку, який підсмоктується.

Графік залежності цих коефіцієнтів від коефіцієнта ежекції для ежектора із циліндричною камерою змішування і геометричним параметром .

Аналіз залежностей та їх взаємний розв'язок, дає змогу одержати формулу для визначення коефіцієнта ежекції:

(12)

Одержані залежності дозволяють розрахувати схему циркуляції води у контейнері при заданих її параметрах, дають можливість підібрати марку насоса для неї.

Наведений також аналіз енергетичних можливостей ежектора та його робота із максимальним ККД при заданому геометричному параметрі .

В кінці розділу викладена методика розрахунку циркуляційної системи рибовозного контейнера на основі одержаних залежностей. Теоретично визначений ККД струминного насоса не перевищує . Встановлено, що коефіцієнт передачі енергії рідині, яка підсмоктується через напір колектора, виконує зв'язок між внутрішніми процесами у камері змішування і зовнішніми умовами його роботи. На основі цього одержане параметричне рівняння ежектора, загальне для всіх струминних апаратів. Одержана залежність для розрахунку коефіцієнта ежекції струминного насоса , яка дозволяє визначити його величину при відомих геометричних розмірах ежектора і коефіцієнта гідравлічних втрат зовнішньої мережі.

У четвертому розділі викладені експериментальні дослідження циркуляційної системи для перевезення риби, поставлені задачі експериментальних досліджень, обґрунтована методика їх проведення, обґрунтована методика вибору критеріїв подібності для гідравлічного моделювання, досліджено вплив багатоструминності на швидкість циркуляції води у системі, дана методика розрахунку напрямного апарату та довжини ділянки нерівномірного розподілу швидкостей у робочій камері, вплив плідників у робочій камері на енергетичну характеристику циркуляційної системи, наведені висновки за результатами досліджень і намічені перспективи подальшого вдосконалення конструкції ємності. Аналіз наукових праць А.Д. Альтшуля, А.П. Зегжди, П.П. Кремльовського, Х. Рауза, В.М. Лятхера, А.М. Прудовського, І.І. Леві, М.Е. Ідельчика, Ю.Л. Кириловського, В.С. Кареліна, А.С. Гіневського, Л.Г. Лойцянського, присвячених питанню визначення критичних чисел Рейнольдса і автомодельної області, показав, що єдиного значення немає, а його величина залежить від виду місцевого опору, який досліджувався. Граничне число Рейнольдса для автомодельної області опору прийнято рівним 10⁶. Проведені дослідження на гідравлічних моделях дозволили експериментально оцінити вплив на енергетичні втрати при раптовому розширенні плоскопаралельного потоку кількості вхідних отворів, при виконанні умови постійності площ вузької і широкої ділянок виду опору, що вивчався . Була визначена величина , при котрій мають місце гідравлічний режим із симетричною епюрою швидкостей у потоці. Експериментально визначена і надалі досліджувалась конструкція раптового розширення із ; при 1-му, 2-х та 3-х вхідних отворах. Коефіцієнт опору раптового розширення визначався за формулою:

, (13)

де і - коефіцієнти втрат напору на тертя відповідно на вузькій і широкій ділянках моделі.

. (14)

У контрольному перерізі значення коливалось в межах 1,06...1,12, причому більше значення відповідало одноструминній моделі, що вказує на зменшення довжини ділянки вирівнювання швидкостей із збільшенням кількості струмин. Досліди показали, що зменшення кратне , де - кількість струмин. При проведенні дослідів було вивчено вплив діаметра насадка, висоти камери змішування та кута її розширення на швидкість циркуляційного водообміну при постійній витраті насоса. Діаметр насадка коливався в межах 3,5 ... 14 мм, а висота камери змішування 40 ... 110 мм і кута її одностороннього розширення 0 ... 8⁰. Встановлено, що для створення у робочій камері оптимальних швидкостей для всього різноманіття видів і розмірів риби, необхідно змінювати її площу поперечного перерізу за допомогою удаваного дна, встановленого із похилом за течією. Тоді відносна швидкість течії в перерізах робочої камери визначається формулою:

, (15)

де - повздовжня координата; - початкова висота робочої камери; - кут нахилу удаваного дна.

Згідно з дослідженнями, мінімальне значення втрат енергії у дифузорі буде мати місце при 410. Продуктивність ежектора блоку живлення при зміні кута похилу дна робочої камери збільшується, що характеризується зменшенням коефіцієнта ежекції , при зміні кута в межах від 4⁰ до 8⁰.

Проведені теоретичні та експериментальні дослідження показали, що досягти оптимального розподілу швидкостей у робочій камері рибовозного контейнера можна лише за допомогою відповідної конструкції напрямного апарата, який повинен складатись, як мінімум, із трьох напрямних криволінійних каналів. За основу теоретичних досліджень була взята теорія розширення плоскопаралельної струмини в обмеженому просторі, яка належить О.М. Шерстюку.

На основі виконаних досліджень розроблена методика розрахунку напрямного апарата із заданими геометричними співвідношеннями, а також методика визначення довжини ділянки підвищеної нерівномірності розподілу швидкостей у робочій камері контейнера. Визначений спосіб врахування впливу на довжину цієї ділянки наявності рибозатримуючої сітки, з певною наскрізністю, на виході із каналів напрямного апарату. Розгляд системи напрямних каналів, як системи паралельних трубопроводів, дозволив визначити питомі витрати на виході із кожного каналу. Так для напрямного апарату, що складається із трьох каналів, система рівнянь, на основі рівняння Бернуллі, буде мати вигляд:

, (16)

аналогічно для 2-го, 3-го та і-го каналів:

, (17)

де - середня швидкість течії на вході у і-й напрямний канал.

Для розрахунку циркуляційної системи контейнера необхідно знати величину коефіцієнтів опорів її складових. Загальний коефіцієнт опору цієї системи складається з суми коефіцієнтів опорів її ділянок:

, (18)

де і - коефіцієнти опору робочої камери і камери змішування; - коефіцієнт опору рибоутримуючої сітки; - коефіцієнт опору напрямного апарата; - коефіцієнт опору, що враховує втрати напору на вході ежекційного потоку в камеру змішування; - коефіцієнт опору, обумовлений наявністю риби в робочій камері контейнера.

Коефіцієнти опору , і можна визначити за довідковими даними, а величини коефіцієнтів опору , , , визначались на основі спеціальних гідравлічних досліджень.

Виявлено взаємний вплив опору комплексу один на одного. При сумісній їх роботі, сумарний коефіцієнт опору знижується в 1,2 рази.

Експериментальні дослідження для оцінки впливу наявності у робочій камері живої риби на величину втрат енергії у циркуляційній системі показали, що при концентрації риби менше 20% загальний коефіцієнт опору системи не змінюється.

Наявність риби у робочій камері контейнера збільшує середню швидкість води у міжрибному просторі, яка повинна бути не менше порогової. Її вплив визначається із рівняння нерозривності, записаного із умови рівномірного розподілу риби по об'єму робочої камери:

. (19)

На основі (19) необхідна розрахункова швидкість течії в робочій камері становитиме:

(20)

Гідравлічний розрахунок системи циркуляції з врахуванням (20) дозволяє понизити необхідну потужність силового обладнання, зменшити його габарити і збільшити корисну ємність контейнера.

Проведені теоретичні і експериментальні дослідження та виконаний аналіз конструкції існуючих рибовозних контейнерів виявив суттєві їх недоліки ліквідація, або зменшення впливу яких може суттєво вдосконалити їх конструкцію у майбутньому. Одним із таких недоліків є завелика довжина ділянки нерівномірності розподілу осереднених швидкостей у робочій камері. Величина цієї ділянки обумовлюється роботою ежектора, конструкцією напрямного апарата та рибозатримуючої сітки. Найбільший вплив на формування рівномірного розподілу швидкостей здійснює рибозатримуюча сітка. Тому виникла ідея запропонувати її нову конструкцію у вигляді зигзагоподібної решітки. Проведені порівняльні якісні досліди із плоскою решіткою та зигзагоподібною, при однаковій кількості отворів і їх шаховому розміщенні показали, що за зигзагоподібною решіткою довжина ділянки нерівномірного розподілу швидкостей значно менша. Методика порівняльних дослідів була наступною. В голові прямокутної труби встановлювалась решітка. Середня швидкість води у прямокутній трубі була близько , що відповідало величині порогової швидкості для більшості видів риби. У трьох створах на віддалях і від входу у трубу на 5-ти вертикалях, мікровертушкою вимірювались осереднені швидкості (рис.9). Конструкція плоскої і зигзагоподібної решітки мала однакову кількість отворів () 147 штук. Рівномірність розподілу швидкостей у кожному створі визначали величиною коефіцієнта Коріоліса , який визначався за формулою:

(21)

де - середня швидкість частини потоку, що проходить через площу ; - середня швидкість потоку у живому перерізі площею .

Для умов проведення досліду формула (21) набула вигляду:

(22)

Але, оскільки для умов досліду , а , то формула (22) набуває остаточного вигляду:

(23)

де - середня швидкість на і-тій вертикалі; - площа живого перерізу між сусідніми вертикалями; - при вертикальних бокових стінках; - площа живого перерізу потоку між боковою стінкою труби і найближчою вертикаллю.

Аналіз графіків показує доцільність використання зигзагоподібної решітки у рибовозних контейнерах для вирівнювання епюри осереднених швидкостей. Це може призвести до зменшення, як мінімум на третину, довжини ділянки стабілізації епюри швидкостей. Застосування такої решітки, у перспективі, може дозволити значно спростити конструкцію контейнера шляхом відмови від напрямного апарата, а може навіть і ежектора. Останнє збільшило б ККД всієї системи у загальному, адже ККД ежектора доволі малий.

В кінці четвертого розділу зроблені висновки, які узагальнюють дослідження, що описані в ньому.

У п'ятому розділі викладена методика гідравлічного розрахунку ємності для перевезення живої риби на базі цілого ряду вихідних даних.

Висновки

На основі проведених досліджень можна зробити такі висновки:

1. Розроблена принципово нова конструкція рибовозного контейнера з циркуляційним водообміном для доставки плідників риби до місць нересту. В якості джерела циркуляції запропоновано ежекторний блок живлення, який повністю відповідає конструктивним і технологічним вимогам експлуатації контейнера.

2. За результатами теоретичних досліджень одержано основне рівняння руху рідини в замкнутій гідравлічній системі контейнера для перевезення живої риби. Встановлено, що втрати енергії струмини в камері ежектора витрачаються на передачу енергії підсмоктуючому потоку і на його змішування. Дана кількісна оцінка цих втрат, і виходячи із балансу енергій, знайдено основне параметричне рівняння ежекції, яке можна вважати загальним для струминних апаратів, які працюють на однорідному середовищі в гідравлічних системах.

3. Показана принципова можливість визначення оптимальної площі насадка ежектора і розроблена методика його розрахунку, що дозволяє одночасно підібрати насос, який задовольняє вимоги експлуатації ежектора.

4. Встановлено, що в багатоструминному ежекторі втрати на змішування потоків зростають. Це призводить до пониження його потужності. На основі дослідів одержана залежність для врахування багатоструминності при визначенні продуктивності ежектора. Рекомендовано для підвищення ефективності роботи блоку живлення контейнера забезпечити роздільну роботу насадків на свою камеру змішування.

5. Запропоновано виконувати камеру змішування блоку живлення дифузорною, що утворює хороші умови для утримання риби в робочій камері контейнера за рахунок зміни середньої швидкості течії за її довжиною, крім того, сприяє збільшенню потужності ежектора.

6. Рекомендовано для забезпечення рівномірного розподілу швидкостей течій в робочій камері встановити на вході до неї напрямний апарат. На основі досліджень розроблена методика розрахунку оптимальних конструкцій напрямного апарату і дана залежність для визначення довжини ділянки підвищеної нерівномірності розподілу швидкостей в робочій камері.

7. Встановлено, що наявність живої риби до певної концентрації в ємності контейнера не впливає на режим роботи ежектора. Це дозволило переглянути питання про призначення швидкості циркуляційного водообміну.

8. Розроблена методика гідравлічного розрахунку рибовозних контейнерів з циркуляційним водообміном.

9. Визначені напрямки подальших гідравлічних досліджень конструкцій циркуляційних систем рибовозних контейнерів, які можуть привести до їх вдосконалення і спрощення.

Список опублікованих праць

1. Іванов В.С. До проблеми збереження відновлення запасів риби у річках і водоймах України. //Гідромеліорація та гідротехнічне будівництво. Зб. наукових праць. - Вип. 27. - Рівне, 2002 р. - С. 26...31.

2. Іванов В.С. Теоретичний аналіз процесу змішування та втрат енергії в струминному апараті. //Вісник УДУВГП. Збірник наукових праць. - Вип. 2 (26). - Рівне. - 2004. - С. 160-167.

3. Іванов В.С., Лупандін О.І., Фільчагов Л.П. Метод розрахунку енергетичних втрат у струминного апарата (ежектора) природоохоронних систем, що працюють на однорідному середовищі. //Меліорація і водне господарство. Міжвідомчий тематичний науковий збірник. - К.: Аграрна наука. - 2003. - № 89. - С. 212-217.

4. Іванов В.С., Лупандин О.І., Фільчагов Л.П. Основи розрахунку струминних апаратів. //Вісник УДУВГП. Зб. наукових праць. -Вип. 2 (21). - Рівне. - 2003 р. - С. 70-78.

5. Іванов В.С., Поєдинок Р.Ю., Фільчагов Л.П. Вплив харчування риби на характер її занесення у водозабори розміщені на річках. //Вісник УДУВГП. Збірник наукових праць. - Вип. 6 (19). - Рівне. - 2003. - С. 262-268.

6. Иванов В.С., Лупандин А.И., Фильчагов Л.П. К расчету эжекторного блока питания создания направленного тока воды, в рыбоотводящих трактах, рыбозащитных сооружений. //Охрана и возобновление гидрофлоры и ихтиофауны. Зборник трудов. - Новочеркасская государственная мелиоративная академия. - Вып. 4. - Новочеркасск 2003г. - С. 66-73. (В працях 3-6 Іванову В.С. належить виконання експериментальної частини, обробка результатів та написання статті. Співавтори Лупандін О.І і Фільчагов Л.П. приймали участь в обговоренні одержаних результатів, редагуванні кінцевого варіанту статей. Поєдинку Р.Ю. належить підбір умов проведення досліду).

7. Іванов В.С., Геращенко Л.С. Про відшкодування збитків, заподіяних рибному господарству іншими видами економічної діяльності. //Рибне господарство України. - №5 (34). - 2004. - С. 19-22.

8. Іванов В.С., Геращенко Л.С. Рибовідтворення та рибальство у внутрішніх водах України, Азовському і Чорному морях. //Рибне господарство України. - № 5 (22). - 2002. - С. 9-12. (В працях 7-8 Іванову В.С. належить аналіз нанесення збитків рибному господарству, їх класифікація та узагальнення. Геращенко Л.С. приймав участь в обговоренні та редагуванні статей).

9. Лупандин А.И., Иванов В.С., Фильчагов Л.П., Скоробагатов М.А. Эжекторные блоки питания направленного тока воды в рыбоотводящих трактах рыбозащитных сооружений. //Международная научно-теоретическая конференция посвященная 100-летию со дня рождения Р.Р. Чугаева. - Санкт-Петербург 2004. - Тезисы докладов.

10. Рогалевич Ю.П., Іванов В.С. Контейнер для перевезення живої риби. //Деклараційний патент на корисну модель № 4051. - Промислова власність. - Бюл. № 12. - 2004.

Размещено на Allbest.ru

...