Удосконалення методів гідравлічних розрахунків пропускної здатності шлюзів-регуляторів, працюючих в умовах неусталеного руху в каналах зрошувальних систем

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ВОДНОГО ГОСПОДАРСТВА

ТА ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ

УДК 532.57:626.82

Удосконалення МЕТОДІВ гідравлічних розрахунків пропускної здатності шлюзів-регуляторів,

працюючих в умовах Неусталеного руху в каналах зрошувальних систем

05.23.16 - гідравліка та інженерна гідрологія

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ЄРОШКІН ЮРІЙ МИКОЛАЙОВИЧ

Рівне - 2008



Дисертацією є рукопис.

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

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор, заслужений діяч науки і техніки України Науменко Іван Іларіонович , НУВГП, завідувач кафедри гідравліки.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Хлапук Микола Миколайович, НУВГП, завідувач кафедри гідротехнічних споруд;

кандидат технічних наук, доцент Жук Володимир Михайлович, Національний університет “Львівська політехніка”, завідувач кафедри гідравліки і сантехніки.

Захист відбудеться 21 листопада 2008 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 47.104.01 в Національному університеті водного господарства та природокористування за адресою: 33028, м. Рівне, вул. Соборна, 11.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці НУВГП за адресою: 33018, м. Рівне, вул. Приходька, 75.

Автореферат розісланий 18 жовтня 2008 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради, к.т.н., доцент В. П. Востріков



АНОТАЦІЯ

Єрошкін Ю. М. Удосконалення методів гідравлічних розрахунків пропускної здатності шлюзів-регуляторів, працюючих в умовах неусталеного руху в каналах зрошувальних систем. - 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, 2008.

На основі теоретичних та експериментальних досліджень запропонована методика розрахунку пропускної здатності шлюзів-регуляторів на каналах, яка дозволяє будувати витратні характеристики споруд як на стадії проектування, так і під час експлуатації існуючих споруд.

Використовуючи методи математичного та статистичного моделювання, в роботі запропоновані імовірнісні характеристики для прогнозування параметрів повільнозмінного неусталеного потоку в каналах зрошувальних систем, які базуються на теорії викидів випадкових функцій.

За результатами лабораторних досліджень уточнені аналітичні залежності для визначення коефіцієнтів вертикального стиснення потоку при вільному витіканні з-під вертикального щита, які враховують вплив недосконалості та неповноти стиснення струмини при витіканні з різною відносною висотою отвору та різним його розташуванням в споруді. Отримані залежності для визначення коефіцієнтів вертикального стиснення потоку для умов затопленого витікання з-під щита.

Ключові слова: шлюз-регулятор, плоский затвор, пропускна здатність, коефіцієнт вертикального стиснення потоку, канал, глибина, витратна характеристика.

зрошувальний канал шлюз регулятор



АННОТАЦИЯ

Ерошкин Ю. Н. Усовершенствование методов гидравлических расчетов пропускной способности шлюзов-регуляторов, работающих в условиях неустановившегося движения в каналах оросительных систем. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.16 - гидравлика и инженерная гидрология. - Национальный университет водного хозяйства и природопользования, Ровно, 2008.

На основе теоретических и экспериментальных исследований предложена методика расчета пропускной способности шлюзов-регуляторов на каналах, которая разрешает строить расходные характеристики сооружений как на стадии проектирования, так и во время эксплуатации существующих сооружений. Используя методы математического и статистического моделирования, в работе предложены вероятностные характеристики для прогнозирования параметров медленноизменяющегося неустановившегося потока в каналах оросительных систем, которые базируются на теории выбросов случайных функций.

По результатам лабораторных исследований уточнены аналитические зависимости для определения коэффициентов вертикального сжатия потока при свободном истечении из-под вертикального щита, которые учитывают влияние несовершенства и неполноты сжатия струи при истечении с разной относительной высотой отверстия и разным его расположением в сооружении. Получены зависимости для определения коэффициентов вертикального сжатия потока для условий затопленного истечения из-под щита.

Ключевые слова: шлюз-регулятор, плоский затвор, пропускная способность, коэффициент вертикального сжатия потока, канал, глубина, расходная характеристика.



SUMMARY

Yeroshkin Y. M. Improvement of hydraulic calculations methods of sluices-regulators capacity, which works in nonstationary flow conditions in irrigation system canals. - Manuscript.

Thesis for academic degree of candidate of technical sciences in speciality 05.23.16 - hydraulics and engineering hydrology. - National university of water management and nature resources use, Rivne, 2008.

The thesis offers a new solution of a research and practical task concerning improving hydraulic calculation methods of capacity of sluice-regulators, which work in nonstationary flow conditions in the irrigation system canals. This solution can resolve an operative water control problem by way of existing hydraulic engineering constructions on the canals, assist rational water and power resources use. The questions of research and improvement of analytical dependences for definition of vertical contraction coefficient when outflowing jet is from under vertical-lift gate are considered; dependences for calculation of parameters of smoothly changing nonstationary flow in the irrigating system canals are offered; the methodology of plotting metering characteristics of sluice-regulators is given.

Based on the analytical research the influence of the downstream canal shape and the degree of the flow widening behind the hydrotechnical structure on sluice-regulator discharge capacity at fully picked up vertical-lift gates and when outflowing jet is from under vertical-lift gate is analysed. The sluice-regulator with overfall on trapezium-shape canal with return walls was used for determination the influence of the downstream canal shape parameters on its discharge capacity. As solution of kinetic momentum equations has shown the discharge capacity for three-dimensional problem conditions depends on the downstream canal shape, namely on the ratio of slope of canal, canal invert width and canal invert difference behind the hydraulic structure.

Due to experimental and theoretical study the dissertation gives the technique of defying the discharge through the sluice-regulators on the canals which takes into account the influence of the downstream canal shape, the degree of the flow widening behind the hydrotechnical structure and pool connection shape on its discharge capacity. Based on momentum equation the given technique allows to take into account all geometrical and hydraulic parameters of constructions and canals where sluice-regulators are located. It is necessary to have three parameters: upstream water height H, vertical-lift gate height a and downstream depth h_н to define the discharge from sluice-regulators at any outflow scheme.

To study of the nonstationary flow in canals the mathematical modelling was used. Based on scientific works of P. Kovalenko, I. Naumenko and O. Kiyenchuk it has determined that the period of transition caused by change of pumping station capacity is too small comparing with duration of depth change between hydraulic facilities. The regulation and water distribution in the irrigation system canals are realized by sluice-regulators. So for operation it is important to know the duration of depth existence in the canals in the time between periods of transition. Pools dimensions, number of water consumers, their demand for water, water supply terms have effect on speed of depth change in canals. Obviously, it is impossible to take into account all these factors at a time using Sen-Venan equations.

Using mathematical and statistical modelling methods probabilistic characteristics for prediction of smoothly changing nonstationary flow parameters based on of theory of accidental functions are elaborated.

In view of normal distribution law of ordinates of water levels in irrigation canals, the dependences for determining span of the depths existence in irrigation canals and for calculating velocity of the level change are offered. Using these dependences, it is possible to fix a time interval for depth-finding before a construction which allow to determine discharges with the corresponding probability and error.

The results of the analytical and laboratory research have been used to refine of dependences for defining vertical contraction coefficient when outflowing jet is free from under the vertical-lift gate, this takes into account influence of disposition of the vertical-lift gate in the structure and a factor of imperfection and incompleteness of flow constriction at a relatively small sluice-gate opening.

It is established that at the free outflow from under the vertical-lift gate the vertical contraction coefficient е_с depends on the conditions of water flow entry to a panelboard orifice and a sluice-gate location in relation to the entrance in a hydraulic structure. For the practical calculation the thesis proposes relations according to which values of coefficient е_с are greater than M. Zhukovskiy's and A. Altshul's theoretical data. The discrepancy runs up to 22% in a range of ratios а/Н<0.3. It may be explained by the fact that M. Zhukovskiy's dependences do not take into account influence of imperfection and incompleteness of outflowing jet constriction on the coefficient е_с when we have hydraulically small orifices (а/Н?0.1…0.15).

New dependences for definition of vertical contraction coefficient when outflowing jet is unfree from under vertical-lift gate are received. In a range of ratios а/Н>0.3 values of coefficient е_с at the not free outflow are greater than the ones at the free outflow. Especially essential difference is at а/H0.50 and can be over 30%. It means that downstream depths greatly influence contracted cross-section depth behind the sluice-gate and sluice-regulator capacity.

The dissertation considers the principle of plotting gate flow characteristic of existing hydraulic engineering constructions and using possibility of sluice-regulators for water regulation and water metering in the melioration systems. The electric power economy for an irrigation season can be within allowable borders of water metering errors, in other words it can be 5...10%.

The analysis of the existing technique of hydraulic calculations of the panelboard orifices working in spatial conditions has shown that the phenomenon of the е_с coefficient increase at the not free outflow is not taken into account. It results in essential (up to 20%) errors in calculations of sluice-regulator capacity working from under vertical-lift gate schema and in calculations of length of its downstream pavement. The estimation of influence of the е_с coefficient on flow roughness and pools connection length has shown that the 1.2 times е_с coefficient increase causes the 1.4 times decrease in the general canal paving length behind a sluice.

Keywords: sluice-regulator, vertical-lift gate, capacity, vertical contraction coefficient, canal, depth, metering characteristic.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Забезпечення ефективного функціонування існуючих зрошувальних систем, їх реконструкція та створення нових систем - це комплекс наукових і технічних задач, які є загальнодержавними, що підтверджується Указом Президента України від 23.06.1998р. № 670/98 «Про заходи щодо державної підтримки водогосподарського меліоративного комплексу». На основі цього указу прийнята галузева програма - «Комплексна програма розвитку меліорації земель і поліпшення екологічного стану зрошуваних та осушених угідь у 2001 - 2005 роках і прогнозу до 2010 року» та Закон України про «Загальнодержавну підтримку водного господарства».

На даний час, в умовах реформування відносин між водогосподарськими організаціями і водоспоживачами (фермерами, колективними господарствами, орендарями) гостро постає проблема оперативного водорегулювання та обліку води на зрошувальних системах.

Найпоширенішими гідротехнічними спорудами на зрошувальних системах України, що беруть участь в процесі водорозподілу є шлюзи-регулятори, обладнані вертикальними плоскими затворами. Ці споруди виконують функції забору води, регулювання рівнів і витрат.

Більшість досліджень, присвячених гідравліці гідротехнічних споруд, були направлені на розробку методів розрахунку їх пропускної здатності в умовах усталеного руху та проблемам спряження б'єфів, тоді як питанням градуювання меліоративних споруд приділялося значно менше уваги (П. І. Коваленко, О. Ф. Кієнчук, Ю. О. Михайлов, А. С. Гінц, А. С. Іноземцев, І. Д. Денисенко, В. Н. Барило, В. Ф. Малярчук та інші). Проте, у цих роботах немає узагальнених залежностей для використання гідротехнічних споруд як водомірів в умовах неусталеного руху без обладнання їх додатковими пристроями.

Сьогодні широке будівництво додаткових вимірювальних споруд на каналах зрошувальних систем України не передбачається. Тому гостро стоїть питання удосконалення гідравлічних розрахунків існуючих гідротехнічних споруд з метою їх використання для технологічного водообліку та водорегулювання.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась у рамках науково-дослідних робіт кафедри гідравліки Національного університету водного господарства та природокористування «Вдосконалення методів гідравлічних розрахунків гідротехнічних споруд і впровадження результатів розробок у підготовку науково-педагогічних кадрів і навчальний процес» (2002 - 2007 рр.), в яких здобувач приймав участь як виконавець.

Мета роботи. Метою роботи є удосконалення розрахункових залежностей та методики визначення пропускної здатності шлюзів-регуляторів, працюючих в умовах усталеного та неусталеного руху в каналах зрошувальних систем.

Задачі досліджень. Досягнення поставленої мети здійснювалося вирішенням наступних завдань:

- виконати аналіз методів прогнозування глибин води і витрат споруд в каналах зрошувальних систем та оцінити можливість застосування цих методів при повільнозмінному неусталеному русі;

- провести аналіз існуючих залежностей для розрахунків пропускної здатності гідротехнічних споруд з метою застосування їх для побудови напірно-витратних характеристик;

- дослідити вплив форми русла нижнього б'єфу та ступеня розширення потоку за спорудою на пропускну здатність шлюзів-регуляторів при повністю піднятих затворах та при витіканні з-під плоского вертикального щита;

- проаналізувати залежності для визначення коефіцієнта вертикального стиснення потоку для вільного і підтопленого витікання з-під щита;

- виконати лабораторні дослідження пропускної здатності шлюзів-регуляторів;

- удосконалити аналітичні залежності для визначення витрати шлюзів-регуляторів з урахуванням параметрів форми русла нижнього б'єфу споруди;

- виконати експериментальні дослідження коефіцієнта вертикального стиснення потоку та проаналізувати вплив на даний коефіцієнт недосконалості та неповноти стиснення струмини при витіканні з-під щита з різним розташуванням щитового отвору в споруді;

- удосконалити методику гідравлічного розрахунку шлюзів-регуляторів при усталеному та неусталеному русі в каналах;

Об'єкт дослідження. Об'єктом дослідження є рух води в каналах та спорудах зрошувальних систем.

Предмет дослідження - закономірності зміни пропускної здатності шлюзів-регуляторів, працюючих в умовах усталеного та неусталеного руху в каналах зрошувальних систем.

Методи дослідження. При плануванні та проведенні досліджень, розробці аналітичних залежностей, аналізі результатів досліджень використані методи гідромеханічної подібності фізичних явищ, методи теорії ймовірностей та математичної статистики.

Обробка результатів експериментальних досліджень виконана на ПЕОМ із застосуванням сучасних методів математичної статистики.

Наукова новизна одержаних результатів:

- методами теорії викидів випадкових функцій вперше запропоновані імовірнісні характеристики для прогнозування параметрів повільнозмінного неусталеного потоку в каналах зрошувальних систем, які дозволяють оцінити тривалість існування глибин (рівнів) води довільної ймовірності в машинних каналах, тривалість зменшення або збільшення витрат, що пропускаються гідротехнічною спорудою;

- удосконалені аналітичні залежності для визначення пропускної здатності шлюзів-регуляторів при повністю піднятих затворах та при витіканні з-під щита, які відрізняються тим, що враховують вплив параметрів форми русла нижнього б'єфу споруди, таких як: коефіцієнт закладення укосів каналу, ширина дна каналу та перепад дна каналу за спорудою;

- уточнені аналітичні залежності для визначення коефіцієнтів вертикального стиснення потоку при вільному витіканні з-під вертикального щита, які враховують вплив недосконалості та неповноти стиснення струмини при витіканні з різною відносною висотою отвору та різним його розташуванням в споруді;

- отримані залежності для визначення коефіцієнтів вертикального стиснення потоку для умов затопленого витікання з-під вертикального щита.

Достовірність отриманих результатів. Достовірність результатів, що отримані і теоретично обґрунтовані, підтверджена сучасними методами планування дослідів та обробки експериментальних даних, порівнянням теоретичних і експериментальних даних, порівнянням з результатами інших авторів.

Практичне значення одержаних результатів:

- розроблена методика визначення витрати шлюзів-регуляторів, яку можна використати для побудови напірно-витратних характеристик як на етапі проектування, так і під час експлуатації існуючих споруд (ця методика впроваджена в Костопільському УМС Рівненської області);

- розроблені аналітичні залежності, що дозволяють призначати інтервали замірів напорів перед спорудою для визначення середніх витрат за одиницю часу з відповідною ймовірністю та похибкою в умовах неусталеного руху в каналах;

- результати досліджень коефіцієнта вертикального стиснення потоку при вільному та затопленому витіканні з-під вертикального щита в просторових умовах використані у підручнику “Гідравліка” для студентів вищих навчальних закладів, які навчаються за спеціальностями “Гідротехнічне будівництво”, “Гідромеліорація” та “Гідроенергетика”.

- результати наукових розробок по методиці визначення числових характеристик законів розподілу випадкових величин використовуються у науково-дослідній і навчальній роботі кафедри гідравліки НУВГП, кафедри гідравліки та сантехніки Національного університету “Львівська політехніка”.

Особистий внесок здобувача. Особисто автором зроблене наступне:

- здійснено математичне моделювання неусталеного руху в каналах зрошувальних систем та визначені закономірності зміни рівнів (глибин) води в каналах перед гідротехнічними спорудами;

- розроблені залежності для визначення глибини води на порозі шлюзу при повністю піднятих затворах та, на основі зробленого порівняльного аналізу з відомими формулами, встановлена практична доцільність застосування цих залежностей;

- розроблені залежності для визначення пропускної здатності шлюзів-регуляторів при витіканні з-під щита, які дозволяють врахувати всі геометричні та гідравлічні параметри споруд та каналів, на яких влаштовані ці споруди;

- виконані експериментальні дослідження пропускної здатності шлюзів-регуляторів, зроблено аналіз цих досліджень;

- проведені експериментальні дослідження коефіцієнтів вертикального стиснення потоку при вільному і затопленому з боку нижнього б'єфу витіканні з-під плоского вертикального щита; отримані аналітичні залежності для визначення коефіцієнтів вертикального стиснення;

- зроблена оцінка та розрахунки економічних ефектів результатів досліджень.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертації доповідались на Міжнародній науково-технічній конференції «Актуальні проблеми водного господарства та природокористування», присвяченій 80 річчю Українського державного університету водного господарства та природокористування (м. Рівне, 2002 р.); на науково-практичній конференції «Водне господарство: завдання в період реформування економіки і перспективи розвитку» (м. Київ, 2003 р.); на науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу УДУВГП, НУВГП (м. Рівне, 2002, 2003, 2004, 2005 рр.).

Публікації. По темі дисертаційної роботи опубліковано 6 статей у фахових виданнях.

Структура та обсяг дисертаційної роботи. Дисертація викладена на 160 сторінках машинописного тексту, який ілюструється 34 таблицями, 31 рисунками і складається з вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних літературних джерел із 116 назв, з яких 14 - іноземних, та додатків на 44 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі “Аналіз методів гідравлічних розрахунків подачі води на зрошення” розглянуто сучасний стан використання гідротехнічних споруд на зрошувальних системах України, виконаний аналіз літературних джерел, присвячених проектуванню та гідравлічним розрахункам пропускної здатності шлюзів-регуляторів, обладнаних плоскими вертикальними затворами, сформульовані основні висновки та завдання роботи.

Серед значної кількості наукових праць, присвячених проектуванню та використанню шлюзів-регуляторів як водомірів, автором детально розглянуті роботи П. І. Коваленка, О. Ф. Кієнчука, Ю. О. Михайлова, А. С. Гінца, А. С. Іноземцева, І. Д. Денисенка, В. Н. Барила, В. Ф. Малярчука.

Аналіз сучасного стану використання гідротехнічних споруд на зрошувальних системах України показав, що з метою проведення технологічного обліку, а у разі відсутності додаткових вимірювальних споруд, і комерційного обліку води на системі потрібно мати витратні характеристики існуючих гідротехнічних споруд.

Основна частина відомих досліджень, присвячених гідравліці гідротехнічних споруд, були направлені на розробку методів розрахунку їх пропускної здатності в умовах усталеного руху та проблемам спряження б'єфів. У цих роботах немає узагальнених залежностей для використання гідротехнічних споруд як водомірів в умовах неусталеного руху без обладнання їх додатковими пристроями.

Проаналізовані залежності Р. Р. Чугаєва для визначення відносного перепаду відновлення потенціальної енергії на порозі шлюзу о_в, залежності М. Є. Жуковського, А. Д. Альтшуля для визначення коефіцієнта вертикального стиснення потоку е_с при витіканні з-під щита. Характерно, що всі згадані залежності отримані для плоских умов. Оскільки значення перепаду відновлення о_в та коефіцієнта вертикального стиснення потоку за щитом е_с є одними із головних параметрів, які входять у формули для визначення витрат при повністю піднятих затворах та непідтопленому і підтопленому щитовому отворі з боку нижнього б'єфу при витіканні з-під щита, то удосконалення залежностей для їх визначення має велике практичне значення.

Для вирішення задач, що стосуються обліку та раціонального розподілу води на зрошувальних системах, важливо знати поведінку коливань рівнів води у каналах, а саме: тривалість існування певних глибин і швидкість зміни ординат рівнів води.

Аналіз існуючих залежностей та методик для розрахунків пропускної здатності гідротехнічних споруд на каналах показав, що для забезпечення технологічного обліку на зрошувальних системах необхідно удосконалити розрахункові залежності та методику, за допомогою яких можна було б легко будувати витратні характеристики як на стадії проектування, так і під час експлуатації існуючих споруд. Основними вимогами до таких залежностей повинні бути: мінімальна кількість змінних величин; простота і зручність вимірювань всіх складових, що входять в залежність; універсальність.

У другому розділі “Методика досліджень” розглянуто види моделювання гідравлічних явищ, виконано математичне моделювання неусталеного повільнозмінного руху в каналах зрошувальних систем, описано математичне моделювання та використані методики експериментальних досліджень пропускної здатності шлюзів-регуляторів при усталеному русі.

При вивченні неусталеного руху в каналах використано математичне моделювання. Аналізуючи праці П. І. Коваленка, І. І. Науменка, О. Ф. Кієнчука встановлено, що тривалість перехідних процесів при змінах подач насосними станціями, яка визначається за рівняннями Сен-Венана та балансовими методами є незначною у порівнянні з тривалістю зміни глибин (рівнів) води між спорудами. Оскільки регулювання та водорозподіл на каналах зрошувальних систем здійснюється шлюзами-регуляторами, то для експлуатаційної практики важливою є не тривалість зміни глибин (рівнів) води в каналах як наслідок збільшення чи зменшення подач насосними станціями, а тривалість існування глибин (рівнів) води в каналах упродовж часу між перехідними періодами, тому що на швидкість зміни рівнів (глибин) води в каналах впливають розміри б'єфів між спорудами, кількість водоспоживачів, їх потреба в об'ємах води, терміни заявок на подачу води. Очевидно, в сукупності, всі ці фактори неможливо врахувати при використанні рівнянь Сен-Венана.

Тому, прогнозування параметрів повільнозмінного неусталеного потоку в каналах зрошувальних систем запропоновано здійснювати методами теорії викидів випадкових функцій.

Технологічні умови експлуатації каналів зрошувальних систем та гідротехнічних споруд на них не допускають значних відхилень глибин води від середніх розрахункових. Коефіцієнт варіації глибин у цьому випадку не перевищує 0,1…0,15. З теорії ймовірностей відомо, що якщо коефіцієнт варіації випадкової величини < 0,3, то щільність її розподілу підпорядковується нормальному закону.

З урахуванням нормального закону для прогнозування зміни рівнів (глибин) в каналах запропоновані залежності:

- тривалість існування певних глибин

, (1)

де Ф(С) - подвоєна нормована функція Лапласа; Т_р - тривалість розрахункового періоду; К - параметр, що характеризує зміну глибини Н по відношенню до середньої глибини Н_с упродовж часу Т_р;

- швидкість зміни ординат рівнів води

, (2)

де k - параметр, який характеризує ймовірність на яку необхідно розрахувати U; для 80-90 %-них довірчих інтервалів k=1,28…1,645; - середнє число викидів випадкової функції H=f(t) за нульовий рівень за одиницю часу; у_Н - середнє квадратичне відхилення глибини.

Зазначимо, що параметри у_Н; можна визначити на основі натурних спостережень за змінами глибин води в каналах. Очевидно, що значення цих параметрів будуть імовірнісно справедливі тільки для конкретних каналів та конкретних умов їх експлуатації.

Використовуючи залежність (2), можна призначити інтервали часу для вимірювання напорів перед спорудою t, які дозволяють визначати витрати з відповідною ймовірністю та похибкою.

Зміна напору перед спорудою з урахуванням залежності (2) дорівнює



. (3)

Задаючись допустимою похибкою вимірювання витрат (наприклад, 5...10%), можна призначити величину ?Н за формулою

, (4)

де - постійна для споруди величина, що відповідає конкретному значенню висоти підняття затворів а; h_z - глибина води безпосередньо за щитом гідротехнічної споруди.

Підставляючи ?Н із формули (4) у (3), отримаємо інтервал часу для вимірювання напорів, тобто

. (5)

Моделювання пропускної здатності шлюзів-регуляторів виконували на фізичних моделях за критерієм Фруда.

Якщо робоча ширина шлюзів-регуляторів в натурі, наприклад, В_Н=2…20 м, то лінійний масштаб моделі становив =2,2…22 при геометричній подібності всіх її елементів. Числа Фруда у стисненому перерізі потоку за щитом були Fr=3…80.

Використовуючи трикутний водозлив з тонкою стінкою з кутом 90^о, в діапазоні дослідних витрат Q=13,4 - 71,8 л/с похибки вимірювання витрат з імовірністю довіри =0,95 дорівнювали 1,6 - 3,1 %.

У третьому розділі “Аналітичні дослідження засобів розподілення води з каналів” проаналізовано вплив форми русла нижнього б'єфу та ступеня розширення потоку за спорудою на пропускну здатність шлюзів-регуляторів при повністю піднятих затворах та при витіканні з-під плоского вертикального щита.

Для визначення впливу параметрів форми русла нижнього б'єфу на пропускну здатність розглядали витікання через шлюз з перепадом Р в трапецеїдальний канал зі зворотними стінками.

Склавши рівняння зміни кількості руху в об'ємі рідини, що знаходиться між перерізами 1-1 і 2-2, встановили, що для визначення глибин води на порозі шлюзів-регуляторів при повністю піднятих затворах можна використати залежність

, (6)

де h_к - критична глибина; решта параметрів.

Розв'язок залежності (6) методом наближень показав, що для умов просторової задачі формування глибини на порозі шлюзу залежить від форми русла нижнього б'єфу, а саме: від коефіцієнта закладення укосів каналу m, ширини каналу по дну b_k та перепаду дна каналу за спорудою P. Якщо порівнювати глибини, що обчислені за відомими формулами та графіком Р. Р. Чугаєва і за залежністю (6), то розбіжність може досягати понад 6 %.

З достатньою для практичних розрахунків похибкою (до 3 %) глибину на порозі шлюзу h при витіканні в канали прямокутної та трапецеїдальної форми зі зворотними стінками можна знаходити за графіком _h=f(_н;_п).

Для визначення пропускної здатності шлюзів-регуляторів при витіканні з-під щита розглядали два випадки:

1. Гідравлічний стрибок знаходиться в межах споруди.

2. Гідравлічний стрибок виходить за межі споруди.

Довжину досконалого гідравлічного стрибка в прямокутному руслі при b=const та похилі дна і=0 визначали за формулою С. К. Кузнєцова



. (7)

Якщо довжина стрибка знаходиться в межах споруди (рис. 5, а), то для розрахунків пропускної здатності отримали залежність, яку можна розв'язати графоаналітичним методом, або методом наближень відносно Q

, (8)

де .

Якщо гідравлічний стрибок виходить за межі споруди, тобто коли L_c+a >L (рис. 5, б), то глибину h_z визначали з рівняння кількості руху в об'ємі рідини, що знаходиться між перерізами 2-2 і 3-3

, (9)

де h_x - глибина потоку вкінці споруди (див. рис. 5, б).

Розв'язавши рівняння (9) методом наближень відносно h_x, знаходимо h_z в прямокутному руслі

, (10)

де h₂ - глибина транзитної струмини потоку в перерізі 2-2, яку можна знайти використовуючи залежність, що випливає з формули (7).

. (11)



На стадії аналітичних досліджень бачимо, що запропонована методика розрахунку пропускної здатності шлюзів-регуляторів на каналах дозволяє врахувати всі геометричні та гідравлічні параметри споруд та каналів, на яких влаштовані ці споруди. Для визначення витрати при витіканні за будь-якою схемою, необхідно мати три параметри: напір води у верхньому б'єфі H, висоту підняття затворів а і глибину у нижньому б'єфі h_н.

У четвертому розділі “Лабораторні дослідження пропускної здатності шлюзів-регуляторів на каналах” наведені результати експериментальних досліджень пропускної здатності шлюзів-регуляторів, працюючих в умовах усталеного руху, виконані аналітичні та експериментальні дослідження коефіцієнта вертикального стиснення потоку при витіканні з-під щита.

Досліджуючи пропускну здатність гідротехнічних споруд на каналах при повністю відкритих затворах, розглянули симетричне витікання (два щити повністю відкриті) та несиметричне витікання (один щит піднятий, а інший - повністю закритий).

На дослідній моделі вимірювали напір води перед спорудою H, глибину води у каналі за спорудою h_н та глибину води на порозі шлюзу h. Результати досліджень наведені на рис. 6 у вигляді функції

h_д/h_к=f(h_р/h_к),

де h_д, h_p - відповідно дослідна та знайдена за формулою (6) глибина на порозі шлюзу; h_к - критична глибина.

На основі дослідів, ійсна глибина на порозі шлюзу при повністю піднятих затворах дорівнює

h_д=0,9557•h_p+0,1267•h_к. (12)

Аналізуючи графік рис. 6, зроблено висновок, що симетричність витікання при повністю відкритих затворах практично не впливає на формування глибини на порозі шлюзу та, відповідно, на витрату, що проходить через споруду. З графіка рис. 6 видно, що при співвідношеннях h_p/h_к<2,2 похибка зростає і при h_p/h_к=1,4 досягає 6,5 %. Враховуючи залежність (12), значення похибки зменшується до 1,5 %, що говорить про добру збіжність між виміряними і розрахованими глибинами.

При витіканні з-під плоского вертикального щита важливо знати значення коефіцієнта вертикального стиснення потоку. Використовуючи коефіцієнти вертикального стиснення, що були теоретично отримані М. Є. Жуковським та А. Д. Альтшулем, експериментальні витрати значно розходились з розрахунковими. Зокрема, в діапазоні відносних відкриттів щитів а/Н<0,3 та а/Н>0,5 похибка розрахункових витрат по відношенню до дослідних коливалася у межах від -11 % до +21 %.

Результати експериментальних досліджень коефіцієнта е_с за вертикальним щитовим отвором для схем розміщення щитанаведені у вигляді функції е_с=f(а/H). також нанесені значення е_с при а/H?0,15 за прямокутними отворами, які обчислені за формулою В. З. Френкеля з урахуванням неповноти та недосконалості стиснення.

Аналіз результатів дослідів, показав наступне:

1. Величина коефіцієнта е_с залежить від умов надходження потоку до щитового отвору та місця розташування щита відносно входу в споруду. Коефіцієнт е_с можна представити функцією

, (13)

де - віддаль від щитового отвору до входу в споруду.

Для практичних розрахунків запропоновані наступні апроксимації:

- якщо L_щ/а>10, то



(14)

- при L_щ/а=2...8

(15)

- при L_щ/а=0

(16)

- для просторової задачі.

(17)

Для визначення величини _с при затопленому витіканні з-під вертикального щита ми виконали понад 200 дослідів, в яких заміряли параметри Q; a; b; H; h_н; h_z. Результати дослідів обробили за формулою

, (18)



де на основі аналізу геометричних розмірів та форми отвору споруди перед щитами взяли рівним 0,99.

Наведений графік _с=f(a/H) при затопленому витіканні, який побудований за формулою (18). Максимальне відхилення дослідного значення коефіцієнта _с від осередненої кривої _с=f(a/H) становить 14,6 %, і є меншим від максимальної величини статистичної похибки =16,8 % при ймовірності довіри в=0,99. Отже, всі дослідні точки лежать у межах 99 %-го довірчого інтервалу.

Аналіз розрахунків коефіцієнтів _с за формулою (18) показав, що при а/H<0,3 для визначення _с можна використати залежності (14) - (17). У разі, коли а/H=0,3…0,65, значення коефіцієнтів _с при затопленому витіканні є більшими, ніж при вільному. Особливо суттєва різниця наступає при а/H0,50.

Порівняння дослідних величин коефіцієнта _с при затопленому витіканні з-під вертикального щита зі значеннями, обчисленими за формулою А. Д. Альтшуля.

У п'ятому розділі “Розрахунки розподілу зрошувальної води гідротехнічними спорудами” наведено узагальнення наукових результатів, які були отримані у розділах 2 - 4 та практичне їх застосування для проектування нових та використання існуючих шлюзів-регуляторів у розрахунках розподілу та обліку води на зрошувальних системах, зроблено оцінку економічних ефектів виконаних досліджень. Витратні характеристики шлюзів-регуляторів можна представити у вигляді функції

Q=f(a, H, h_н). (19)

У результаті розрахунків за залежностями (8) - (10) для конкретної споруди можна отримати значення функції (19) у формі тарувальних таблиць.

Очевидно, що кількість тарувальних таблиць для однієї споруди буде рівною

N=(a_max-a_min)/а,

де a_max, a_min, а - відповідно, максимальне, мінімальне значення та крок зміни підняття затворів.

Для побудови витратних характеристик шлюзів-регуляторів необхідно:

1. Визначити можливі діапазони зміни контролюючих величин таких як: висота підняття затворів а, глибина води у верхньому б'єфі Н та глибина води у нижньому б'єфі h_н.

2. Призначити крок зміни даних величин. Для цього можна скористатися інформацією про ціну поділок вимірювальних приладів, або, задаючись допустимою похибкою вимірювання витрат (наприклад, 5...10 %), за формулою (4) призначити величину ?Н та ?а. Крок ?h_н можна призначити рівним ?Н.

3. Згідно форми знайти за залежностями (8) - (10) і поставити у відповідні клітинки значення

Q=f(a, H, h_н).

Процес водорегулювання за допомогою шлюзів-регуляторів в умовах коливання рівнів води у б'єфах споруд може бути таким:

1. Враховуючи запити водоспоживачів, диспетчер підраховує загальні витрати Q перед відповідними спорудами.

2. На основі переданої інформації про глибини (рівні) води у верхньому та нижньому б'єфах споруд від персоналу, що обслуговують відповідні споруди, диспетчер за тарувальними таблицями визначає висоту підняття затворів а.

3. Якщо упродовж часу t, що обчислений за формулою (5), для конкретної споруди не виникло кількості запитів, потреби яких перевищують витрату

Q=0,1Q

де Q - попередня витрата, то нове маневрування затворами не виконується. В іншому разі уточнюється висота підняття затворів а.

Частина насосів насосних станцій підкачки забезпечують середню подачу об'єму води Q_c, за якої в каналі підтримується середній рівень (глибина) води h=h_c.

У разі збільшення запитів вмикаються ще насоси (насос) і загальна подача насосної станції стає Q₁>Q_c. Проте, у ряді випадків, коли глибина води в каналі h>h_c, збільшення водоспоживання Q=Q₁-Q_c можливо здійснити без додаткової подачі насосної станції упродовж часу t, який визначається за формулою (5). У цьому разі затрати електроенергії на транспортування води будуть меншими на величину

, (20)

де Е - економія електроенергії, кВт.год; - питома маса води, кг/м³; Н - напір насосної станції, м; Q₁, Q_c - подачі насосної станції, м³/с; _н - коефіцієнт корисної дії насосного агрегату; t - тривалість подачі Q₁ або Q_c, що обчислюється за формулою (5); n - кількість запитів на витрати Q₁>Q_c упродовж поливного сезону.



ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі запропоновано нове вирішення наукової задачі, що полягає в удосконаленні методів розрахунку пропускної здатності шлюзів-регуляторів врахуванням впливу просторових умов, недосконалості та неповноти стиснення струмини при витіканні з-під щита та застосуванням теорії викидів випадкових функцій до прогнозування параметрів повільнозмінного неусталеного потоку, яке сприяє розв'язанню проблеми оперативного водообліку і водорегулювання за допомогою існуючих гідротехнічних споруд та раціональному використанню водних і енергетичних ресурсів.

Основні висновки дисертаційної роботи полягають в наступному:

1. Зміна глибин (рівнів) води в каналах зрошувальних систем між гідротехнічними спорудами відбувається за законами повільнозмінного неусталеного руху і упродовж доби може бути представлена залежностями теорії викидів випадкових функцій.

2. Для визначення глибини води на порозі шлюзів-регуляторів при повністю піднятих затворах можна використовувати удосконалений графік функції _h=f(_н;_пабо залежності (6), (12).

3. Для визначення пропускної здатності шлюзів-регуляторів при витіканні з-під щита можна використовувати формули (8), (9), які базуються на рівняннях кількості руху і враховують усі геометричні та гідравлічні параметри споруд та каналів, на яких влаштовані ці споруди.

4. При вільному витіканні з-під щита коефіцієнт вертикального стиснення потоку е_с є функцією від а/Н та додаткового відношення віддалі від щитового отвору до входу в споруду L_щ до висоти підняття затворів а (13). У практичних розрахунках для знаходження е_с можна використовувати залежності (14) - (17). Значення коефіцієнтів е_с, що обчислені за цими формулами, є більшими від теоретичних даних М. Є. Жуковського і А. Д. Альтшуля. В діапазоні відношень а/Н<0,3 розбіжність досягає 22 %. Це можна пояснити тим, що залежності М. Є. Жуковського не враховують вплив на коефіцієнт е_с недосконалості та неповноти стиснення струмини при витіканні з гідравлічно малих отворів (а/Н?0,1…0,15).

5. У діапазоні відносних відкриттів щитів а/Н>0,3 значення коефіцієнта е_с при затопленому витіканні з-під щита є більшими ніж значення е_с при вільному витіканні. Особливо суттєва різниця має місце при а/H0,50 і може становити понад 30 %. Для практичних розрахунків значення коефіцієнтів вертикального стиснення потоку при затопленому витікання для а/Н<0,3 можна знаходити за формулами (14) - (17), а для а/Н?0,3 - приймати згідно табл. 2.

6. Для оперативного водорегулювання, раціонального використання води, обліку води без додаткових споруд на зрошувальних системах доцільно мати напірно-витратні характеристики існуючих шлюзів-регуляторів. Витратну характеристику шлюзу можна представити у вигляді функції Q=f(a, H, h_н), розв'язки якої за залежностями (8) - (10) можна звести у тарувальні таблиці. Серія таких таблиць буде являти собою напірно-витратну характеристику для конкретної споруди.

7. Зменшення затрат електроенергії Е за рахунок використання зарезервованих в б'єфах каналу об'ємів води протягом часу t можна оцінити за формулою (20). Якщо витрата Q знаходиться у межах похибок водообліку, тобто Q=(0,05…0,1)Q_c, то Е буде становити 5…10 % від затрат електроенергії за поливний сезон.

8. В існуючій методиці гідравлічних розрахунків щитових отворів, працюючих у просторових умовах, явище збільшення коефіцієнта вертикального стиснення потоку _с за щитом при затопленому витіканні не враховується. В дисертації доведено, що при збільшенні коефіцієнта вертикального стиснення _с в 1,2 разів загальна довжина кріплення русла за шлюзом зменшується в 1,4 рази.

9. Виробництву рекомендується методика визначення витрати шлюзів-регуляторів, яку можна використати для побудови напірно-витратних характеристик як на етапі проектування, так і під час експлуатації існуючих споруд. Використовуючи аналітичні залежності (1) - (5), що дозволяють призначати інтервали часу для вимірювання напорів перед спорудою, можна визначати середні витрати за одиницю часу з відповідною ймовірністю та похибкою в умовах неусталеного руху в каналах.



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. Науменко І. І. Визначення числових характеристик законів розподілу випадкових величин за допомогою ПЕОМ / І. І. Науменко, Ю. М. Єрошкін // Гідромеліорація та гідротехнічне будівництво : зб. наук. праць. - Рівне, 2001. - Вип. 26. - С. 75-82. (Автор розробив алгоритм пошуку теоретичного розподілу для апроксимації дослідних даних методом випрямлення інтегральної функції розподілу та переклав його на мову програмування).

2. Науменко І. І. Аналітичні дослідження пропускної здатності безнапірних шлюзів-регуляторів / І. І. Науменко, Ю. М. Єрошкін // Вісник Українського державного університету водного господарства та природокористування : зб. наук. праць. - Рівне, 2002. - Вип. 5 (18). - С. 112-121. (Автор виконав аналіз існуючих методів розрахунку пропускної здатності шлюзів-регуляторів та удосконалив залежності для визначення витрати шлюзів, працюючих в безнапірному режимі).

3. Науменко І. І. Дослідження коефіцієнтів вертикального стиснення потоку за вертикальним щитом / І. І. Науменко, Ю. М. Єрошкін // Вісник Національного університету водного господарства та природокористування : зб. наук. праць. - Рівне, 2004. - Вип. 3 (27). - С. 139-146. (Автор виконав лабораторні дослідження коефіцієнтів вертикального стиснення потоку за вертикальним щитом, уточнив аналітичні залежності для їх розрахунку).

4. Науменко І. І. Пропускна здатність безнапірних шлюзів-регуляторів з вертикальними плоскими затворами / І. І. Науменко, Ю. М. Єрошкін // Гідромеліорація та гідротехнічне будівництво : зб. наук. праць. - Рівне, 2004. - Вип. 29. - С. 57-66. (Здобувач виконав експериментальні дослідження пропускної здатності шлюзів-регуляторів та аналіз отриманих результатів).

5. Єрошкін Ю. М. Удосконалення методики побудови витратних характеристик шлюзів-регуляторів з плоскими затворами для водорегулювання та водообліку на меліоративних системах / Ю. М. Єрошкін // Вісник Національного університету водного господарства та природокористування : зб. наук. праць. - Рівне, 2006. - Вип. 4 (36). - С. 122-127.

6. Науменко І. І. Аналіз методів для прогнозування глибин води в каналах зрошувальних систем при неусталеному русі / І. І. Науменко, Ю. М. Єрошкін // Вісник Національного університету водного господарства та природокористування : зб. наук. праць. - Рівне, 2006. - Вип. 4 (36). - С. 149-158. (Здобувач здійснив математичне моделювання неусталеного руху в каналах зрошувальних систем та визначив закономірності зміни рівнів води в каналах перед гідротехнічними спорудами).

Размещено на Allbest.ru

...