Використання оптимізованих конструкцій водозмішувальних бун для інтенсифікації масообміну в річковому потоці

Размещено на http://www.allbest.ru//

Використання оптимізованих конструкцій водозмішувальних бун для інтенсифікації масообміну в річковому потоці

Мокляк М. М.

Розглянуто застосування затоплюваних водозмішуючих бун як споруд, які інтенсифікують масообмін у всьому перерізі потоку і через це сприяють підвищенню самоочисної здатності річок. Дається опис методики та деякі результати дослідження гідравлічної структури проведених автором. Представлено пропозиції щодо використання затоплюваних бун в для інтенсифікації масообміну у річковому потоці.

The application of submerged spurs is examined with the aim of mass exchange intensification in the river flow. These constructions are useful due to the secondary currents arising in the flow. The results of experimental hydraulic research are given. Propositions are given for mass-exchange intensification in the river flow with the aid of submerged spurs.

водозмішуючий бун масообмін річка

Метою досліджень є розробка комплексу заходів по використанню водозмішувальних бун та півзагат для відновлення та оздоровлення порушених екологічних систем малих річок методом регулювання гідравлічних параметрів на характерних ділянках русла.

Об'єктом досліджень є сукупність гідравлічних явищ (масообмін, розбавлення, аерація потоку та ін.) що відбуваються у водотках при застосуванні гідротехнічних споруд, які можна використати для інтенсифікаціі самоочищувальної здатності малих річок.

Предметом дослідження є гідродинамічні процеси, які виникають у потоці при застосуванні водозмішувальної буни оптимізованої конструкції.

Задачами дослідженя є:

- оптимізація визначальних параметрів масообмінних процесів з позицій поставлених цілей;

- розробка загальних вказівок щодо використання водозмішувальних бун, з метою інтенсифікації масообміну в річковому потоці.

Теоретична цінність роботи полягає в принципово новому аспекті використання водозмішувальних бун для регулювання гідравлічної структури потоку з метою інтесифікаці масообміну малих та середніх річок.

Наукова новизна роботи полягає в:

розвитку теоретико-методичних положень інтенсифікації масообмін- них процесів з метою підвищення самоочищувальної здатності водотоків;

виявленні характерних закономірностей впливу системи водозмішу-вальних бун на річковий потік;

розробці методики встановлення та проведенні аналізу екологічного стану малих річок та прийняття інженерних рішень з відповідними рекомен- даціями.

Практична значущість роботи полягає у :

інженерному рішенні покращення гідро екології річок, що являє собою комплекс простих і ефективних гідротехнічних компенсаційних заходів спрямованих на покращення екологічного стану малих річок;

методиці розрахунку оптимальних параметрів водозмішуваьних бун та їх систем;

рекомендаціях щодо проектування водозмішувальних бун, з врахуванням сучасних тенденцій в гідротехнічному будівництві, з метою вирішення приведених задач.

Досвід застосування та дослідження водозмішувальних бун та півзагат.

Підводні буни, півзагати, донні пороги шпори та інші аналогічні споруди широко використовуюються в гідротехнічній практиці. Здебільшого гідротехнічні споруди такого типу використовуються для захисту берегів від розмиву [2], для підвищення лісосплавних можливостей річок, для регулювання рівнинних річок для потреб судноплавства, для регулювання руху наносів [7] та для вирішення інших гідротехнічних та гідрологічних задач.

Вивченню роботи бун та півзагат в технічній літературі по регулюванню русел відведено достатньо багато місця, але вивчення роботи затоплюваних бун та півзагат суттєво відставало від потреб практики, що знижувало їх ефективність та стримувало подальше поширення.

Зважаючи на досить вражаючі результати дослідження напівзагат Генрі Гірардона (1844-1907), що проводились уздовж річки Рон у Франції (Жірардон 1894, Вебер 1895, Aрманд 1908), інтерес до цих річкових елементів проявився переважно в Німеччині і Англії. Ранні спостереження деформації півзагат були представлені Х'юбертом Енгельсом (1854-1945) і Теодором Ребоком (1864-1950).

Застосування косо розташованої водозмішувальної буни в якості змішувача стічних вод було запропоновано К. І. Россінським для Балаковського комбінату штучного волокна [6]. Ще раніше косо розташовані до потоку підводні споруди використовувалися А. І. Лосієвським для поперечного переміщення донних наносів. Розміри буни та її робота як змішувача перевірялась в лабораторних, а пізніше і в натурних умовах.

Результати досліджень.

В результаті проведених лабораторних досліджень, проведених нами в лабораторії кафедри гідротехнічних споруд НУВГП, було з'ясовано, що буни призводять до виникнення складного поля швидкостей. Воно, по суті, описує структуру рециркуляції, що утворюється основним вихровим вальцем, який сходить з кінця основної буни ближче до осі потоку.

Методичні експериментальні дослідження, а також аналіз результатів аналогічних досліджень, дозволили нам вибрати параметр оптимізації та встановити його визначні фактори. Так як при плануванні експерименту одночасно змінюються декілька факторів, то до них висуваються вимоги сумісності та незалежності. В нашій ми виділили наступні варіюючі фактори:

Довжина буни, ;

Висота буни, ;

Кут встановлення буни, ;

Відстань між буною та підпірною стінкою.

В якості плану прийнята схема типу , . В прийнятому експерименті кожне значення параметру оптимізації приймалося по двох паралельних дослідах. Щоб виключити вплив систематичних похибок, була прийнята випадкова послідовність при постановці дослідів, що заплановані в матриці.

В результаті досліджень встановлено, що потік, набігаючи на буну, різко розширюється за ії тілом в просторі, обмеженому дном, берегами та вільною поверхнею. При цьому потік, обтікаючи буну, відривається від дна та утворює за нею під транзитною струминою валець з гвинтоподібною внутрішньою струминою. (Рис. 1). У верхній частині вальця спостерігається течія, попутна транзитному потоку та напрямлена від буни; в нижній частині виникають зворотні швидкості, напрямлені до буни. Транзитна струмина, поступово розширюючись в вертикальній площині, на деякій відстані від буни досягає дна. В цьому місці встановлюється нижня границя вальцевої зони. Окрім замкнутої течії вальця, за косою буною виникає ще одна внутрішня течія - вздовж буни. Вона виникає внаслідок того, що коса буна відхиляє потік, що переливається через неї в сторону берега, з яким вісь буни утворює гострий кут.

Характерною особливістю при обтіканні потоком буни являється торцева витрата, що впливає на течію у вальці. Її вплив проявляється у збільшенні швидкостей у вальці та його витрат, котрий особливо сильно проявляється у початковій зоні вальця. В нашій роботі ми влаштовуємо між кореневою частиною водозмішувальної буни та стінкою русла отвір шириною, що дорівнює висоті буни. Це значно підвищує торцеву витрату у вальцю та сприяє збільшенню повздовжніх швидкостей за буною.

Рис 1. Схема течій за косо розташованою водозмішувальною буною без берегового отвору та перешкоди нижче буни

Рис 2. Дослідження системи бун з береговими отворами та підпірною стінкою

При встановленні за водозмішувальною буною на деякій відстані від кореневої її частини перешкоди у вигляді короткої глухої півзагати (Рис.2), швидкості в початковій зоні вальця різко зростають, а потім по довжині вальця ця зміна стає більш плавною. Це відбувається за рахунок збільшення градієнтів і тиску в початковій частині вальця. Одночасно відбувається зміна конфігурації вальця. Нами пропонується принципово нова конструкція системи бун. Нова система водозмішувальних бун включає нові додаткові елементи: береговий отвір та стінку-перешкоду. Ефективність роботи даних елементів досліджено серією спеціальних досліджень. В результаті дослідів виявлено характерні закономірності впливу берегового отвору та стінки-перешкоди для конкретних гідравлічних умов. Параметри представлених елементів та геометричні параметри системи в цілому оптимізовані раціональним чином на основі результатів досліджень проведених з використанням теорії планування експерименту.

Основною перевагою запропонованої системи є збільшення поздовжніх швидкостей за водозмішувальнюю буною, що, в свою чергу, обумовлює збільшення повздовжньої витрати та збільшення ширини зони викиду прийняту нами за параметр оптимізації.

Рис. 3. Графік залежності відносних швидкостей за буною (V/V0) від відносної ії довжини (ls/P) та відносних висот споруди (P/h)

Як видно з графіку (Рис. 3), поздовжні швидкості за водозмішувальною буною суттєво залежать від віддалі від кореневої частини затоплюваної буни до стінки перешкоди, а також від параметрів бокового отвору. Аналіз даних графіків дає змогу встановити оптимальні параметри даних елементів та використати дані залежності для відповідних розрахунків.

Візуальні спостереження за захопленням полістирольних поплавків по ширині границі розділу показують, що найбільша кількість поплавків, випущених в потік біля дна, найбільш інтенсивно захоплюється в першій третині ширини вальця, а поверхневі поплавки - біля голови буни. Таке явище пов'язане з вихровою структурою шару перемішування, що має закономірні особливості, не дивлячись на ймовірну хаотичність течії в цій зоні.

На основі дослідів з фарбником нам за допомогою математичної теорії планування експерименту вдалося оптимізувати конструктивну схему та геометричні параметри системи затоплюваних бун. На основі результатів досліджень розроблено відповідні рекомендації.

Застосування водозмішувальних бун в якості споруд для інтенсифікації масообміну у річковому потоці має ряд переваг, зокрема:

для інтенсифікації масообміну використовується внутрішня енергія потоку;

дія на потік досить м'яка та не викликає істотних перетворень русла;

інтенсифікація масообміну у максимально можливому перерізі потоку відбувається за рахунок регулювання гідравлічної структури потоку;

реальною є мінімізація капіталовкладень в реалізацію рішень за рахунок використання простих та дешевих конструкцій водозмішувальних бун;

експлуатація даних споруд не потребує значних трудовитрат.

Висновки

Оцінивши характер впливу водозмішувальних бун на потік та спираючись на досвід використання аналогічних споруд (напівзагат) в якості екологічних споруд, ми пропонуємо широке використання водозмішувальних бун для інтенсифікації масообміну в річковому потоці.

Література

1. Драчев С. М. Борьба с загрязнением рек промышлеными и бытовыми стоками. М.-Л.: „Наука” 1964.

2. Кириенко И. И., Щодро А. Е., Шуминский В. Д., Шинкарук Л. А. Проектирование низких затапливаемых полузапруд. Сб. Гидромеилорация и гидротехническое строительство, вып.9, „Выща школа”, Львов, 1981. с.59 -64.

3. Лапшев Н.Н. Оценка факторов, определяющих процесс начального разбавления в водоймах. Материалы IV Всесоюзного симпозиума по современным проблемам самоочищения и регулирования качества воды. /Таллин 2-5 октября 1972/ 1 секция. Физические аспекты самоочищения/ Таллин. 1972. с. 79-87.

4. Мацнєв А. І., Проценко С. Б., Саблій Л. А. Моніторинг та інженерні методи охорони довкілля.: Навч. посібник. - Рівне: ВАТ „Рівненська друкарня”, 2000 - 504с.

5. Отчет об исследования работы полузапруд при регулировании горных рек Карпат. Руководитель темы Кириенко И. И. Ровно 1976.

6. Россинский К. И. Смешение сточных вод с речной при помощи подводной буны. Режим и освоение водных объектов/Сборник научных трудов. Изд-во. АН СССР. М. - 1962. с. 234-257.

7. Щодро А. Е. Исследование структуры потока за донными уступами некоторых гидротехнических сооружений. / Диссертация на соискание ученой степени к. т. н./ Киев - 1977.

Размещено на Allbest.ru