Гідравлічні дослідження донного водоскиду з автоматичним регулюванням витрати

Размещено на http://www.allbest.ru//

Гідравлічні дослідження донного водоскиду з автоматичним регулюванням витрати

Хлапук М.М., д.т.н.

Наведено основні методичні положення гідравлічних досліджень донного водоскиду з автоматичним регулюванням витрати та деякі результати теоретичних досліджень.

Main methodical principles of hydraulic researches of the bottom spillway with automatic regulation of the discharge are given. Also some previous results of theoretical researches.

Для пропуску повені з водосховищ як споруди можуть використовуватися поверхневі відкриті водоскиди різних типів або донні водоскиди. Головним елементом донного водоскиду є труба, що проходить крізь тіло греблі певного поперечного перерізу; через цю трубу і здійснюється скид надлишкової витрати з верхнього б'єфа в нижній. Однією з таких споруд є запроектованою на р. Боржава в Іршавському районі Закарпатської області (рис. 1)

Рис. 1. Поздовжній розріз водоскиду

Основним недоліком такої споруди є те, що вона немає автоматичного регулювання витрати води.За відсутності такого регулювання, швидкості в трубопроводі є великими, які безпосередньо призводять до руйнування водоскиду через певний період експлуатації.

Тому, в останні роки, в практиці гідротехнічного будівництва особливу увагу надають суміщеним спорудам, які конструктивно представляють собою горизонтальну трубу прямокутного або квадратного перерізу, до якої під'єднано під прямим кутом вертикальну трубу (шахту), через яку пропускається додаткова скидна витрата. Вертикальний потік при цьому взаємодіє з потоком у горизонтальній трубі та витрата у останній зменшується завдяки додатковому гідравлічному опору.Тут має місце злиття двох потоків у вузлі з'єднання горизонтальної та вертикальної труб. Дослідженню руху води в трубах, зокрема, при безнапірному, напівнапірному, напірному режимах присвячено багато робіт, тому що це питання має велике значення для проектування численних штучних споруд, а також для різного типу трубчастих водоскидів. Такими питаннями займалися Петров А. П., Курганов А. М., Дупляк В. Д., Дупляк О. В., Хлапук М. М., Безусяк О. В., Дмітрієв А. Ф. та ін.

Мета даної роботи- визначити закон перерозподілу витрат, гідравлічних опорів, гідравлічних тисків у донному водоскиді з автоматичним регулюванням витрати, розробити математичну модель пропуску розрахункової витрати через донний водоскид з автоматичним регулюванням витрати.

Вихідні дані. Поздовжній переріз донного водоскиду з вертикальними шахтами показаний на рис.2

Рис. 2. Поздовжній переріз водоскиду з вертикальними шахтами

донний водоскид гідравлічний

Основними елементами є горизонтальний трубопровід і три вертикальні шахти. Вхід у трубопровід виконано у вигляді порталу. Вихід з трубопроводу спряжено з нижнім б'єфом водобоєм. Вхід у шахти виконано по типу кільцевого водозливу. Дана модель прийнята більш загальною (три вертикальні шахти) з метою встановлення впливу кількості шахт на автоматичне регулювання скидної витрати.

Для розрахунку горизонтальний трубопровід по довжині розділено на чотири ділянки. В кінці першої, другої та третьої ділянок розташовані шахти. Висота шахт змінна, що дає можливість включати їх вроботу по черзі.

Основні параметри донного водоскиду наступні: діаметр трубопроводу D=4,2 м; загальна довжина трубопроводу l1-8=170 м; довжина першої ділянки трубопроводу l1-3=20 м, другої ділянки трубопроводу l3-5=20 м, третьої ділянки трубопроводу l5-7=20 м, четвертої ділянки трубопроводу l7-8=110 м; діаметри першої, другої та третьої шахт D1,2,3=2 м; висота першої шахти l9-10= 6 м, другої шахти l11-12= 8 м, третьої шахти l13-14= 10 м; коефіцієнт опору на вході і на виході трубопроводу відповідно , ; коефіцієнт опору на вході шахти; коефіцієнт шорсткості внутрішньою поверхні трубопроводу та шахти n=0,013; коефіцієнти гідравлічного тертя в трубопроводі та шахті.

Методика розрахунку. Розрахункова схема глибинного водоскиду з вертикальними шахтами наведена на рис.3.

Рис. 3. Розрахункова схема донного водоскиду з вертикальними шахтам

Втрати напору в горизонтальному трубопроводі визначаються за наступними залежностями:

- втрати по довжині на ділянці 1-3, м:

; (1)

- втрати по довжині на ділянці 3-5, м:

; (2)

- втрати по довжині на ділянці 5-7, м:

; (3)

- втрати по довжині на ділянці 7-8, м:

; (4)

- місцеві втрати на вході трубопроводу, м:

; (5)

- місцеві втрати на ділянці 2-3, м:

; (6)

- місцеві втрати на ділянці 4-5, м:

; (7)

- місцеві втрати на ділянці 6-7, м:

; (8)

- місцеві втрати на виході трубопроводу,м:

; (9)

-загальні втрати по трубопроводу, м:

, (10)

де , , - транзитні витрати води в трубопроводі на ділянках 1-3, 3-5, 5-7; - сумарна витрата води в трубопроводі на ділянці 7-8; , , - витрати води у першій, другій та третій шахтах.

Втрати напору у вертикальних шахтах наступні:

- місцеві втрати на вході, м:

; (11)

- втрати по довжині на ділянці 9-10, м:

; (12)

- втрати по довжині на ділянці 11-12, м:

; (13)

- втрати по довжині на ділянці13-14, м:

; (14)

- місцеві втрати на ділянці 10-3, м:

; (15)

- місцеві втрати на ділянці 12-5, м:

; (16)

- місцеві втрати на ділянці 14-7, м:

; (17)

- загальні втрати для першої шахти, м:

; (18)

- загальні втрати для другої шахти, м:

; (19)

- загальні втрати для третьої шахти, м:

, (20)

де - коефіцієнт, який враховує спосіб з'єднання шахти з трубопроводом. При з'єднанні їх в стик =0,45.

Коефіцієнт гідравлічного тертя визначається по залежності Н. П. Павловського для труб діаметром <4 м:

, (21)

для труб діаметром >4 м:

. (22)

Залежності, по яким визначаються місцеві опори , , , , і потребують додаткових гідравлічних досліджень.

Методика розрахунку полягає в тому, що для заданого перепаду між рівнями води у верхньому і нижньому б'єфах методом підбору, по вище приведеним залежностям, визначають значення витрат по трубопроводу і в шахтах, при яких сумарні гідравлічні втрати напору в них стануть рівними заданому перепаду . Далі величину перепаду збільшують на певну величину і цикл розрахунку повторюють. Блок-схема розрахунку приведена на рис. 3. Дана математична модель може бути використана для будь-якої кількості вертикальних шахт.

Рис. 4. Блок - схема розрахунку

Результати гідравлічного розрахунку. Результати гідравлічного розрахунку глибинного водоскиду з вертикальними шахтами по прийнятій методиці зведено у таблицю. На основі отриманих даних побудовані графіки залежності транзитних витрат у горизонтальному трубопроводі від перепаду між рівнями води у верхньому та нижньому б'єфах. Графік 1 на рис. 5-8 характеризує вплив витрат вертикальних шахт на пропускну здатність горизонтального трубопроводу. Графік 2 на названих рисунках приведено для порівняння. Він характеризує пропускну здатність горизонтального трубопроводу при відсутності витрат у вертикальних шахтах.

Рис.5 характеризує, як витрати вертикальних шахт впливають на транзитну витрату в горизонтального трубопроводі на ділянці l1-2. При відсутності витрат у шахтах, пропускна здатність трубопроводу монотонно зростає із збільзбільшенням перепаду . При появі витрати у першій шахті величина транзитної витрати спочатку різко зменшується, але при досягненні певного мінімального значення, починає знову зростати. При подальшому підвищенні рівнів води у верхньому б'єфі починають включатись в роботу наступні шахти. При появі в них витрат характер графіку 1, який був при включені в роботу першої шахти, повторюється. При роботі всіх шахт і подальшому збільшенні перепаду транзитна витрата продовжує монотонно збільшуватись, але швидкість збільшення витрати менша ніж при відсутності витрат у шахтах, на що вказує графік 2. Наявність вертикальних шахт, у даному випадку, при перепаді =14,5 м дає можливість зменшити транзитну витрату більше ніж у 2 рази.

На рис. 6 і 7 показано влив витрат вертикальних шахт на транзитні витрати горизонтального трубопроводу і , які проходять відповідно через ділянки l3-5 і l5-7. Характер цих графіків подібний, але вплив витрат шахт на і тут дещо менший ніж на рис.1.

Рис. 8 характеризує загальну пропускну здатність глибинного водоскиду з вертикальними шахтами. Влаштування шахт дає можливість в певних межах автоматично регулювати його пропускну здатність. Із рисунка видно, що водоскид з прийнятими конструктивними параметрами, при збільшенні перепаду від 6 до 9 метрів, має практично постійну пропускну здатність. Вона приблизно становить 107 м3/с. При відсутності шахт пропускна здатність водоскиду, для тих же умов, зросла б від 105 м3/с до 130 м3/с. Необхідно відмітити, що більш ефективно на пропускну здатність впливають перша і друга шахти. Третя шахта впливає значно менше. Це вказує на те що подальше збільшення кількості вертикальних шахт для регулювання пропускної здатності водоскиду недоцільне.

Висновок. Даний глибинний водоскид з вертикальними шахтами дає можливість, в певних межах, регулювати і підтримувати практично постійною максимальну витрату не залежно від рівня води у верхньому б'єфі. Величина максимальної витрати визначається конструктивними параметрами водоскиду: кількістю вертикальних шахт, їх висотою, діаметром та місцем їх розташування. Важливе значення тут також відіграє конструкція місця з'єднання шахти з горизонтальним трубопроводом. Все це потребує подальших наукових та гідравлічних експериментальних досліджень.

Література

1. Проектирование гидротехнических сооружений мелиоративных систем: Справочник / В. И. Бондаренко, В. Д. Дупляк, Н. М. Кризский и др.; Под ред. В. Д. Дупляка. - К.: Будівельник, 1986. - 120 с., ил.

2. Курганов А. М., Дупляк В.Д. Гидравлический расчет водопропускных сооружений. - К.: Будівельник, 1982. -94 с., ил.

3. Дупляк О. В. Гідравлічні дослідження суміщеного аварійного водоскиду та зливопропускної споруди. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук. - К.: КИСИ, 1993. - 160 с., іл.

4. Петров А. П. Гидравлика переменной массы (движение жидкости с изменением расхода вдоль пути). - Х.: Изд. Харьковского университета, 1964. - 224 с., ил.

5. Дмитриев А. Ф., Безусяк А. В. Хлапук Н. Н. Совершенствование осушительно-увлажнительных систем. - Львов: Свит, 1992. - 176 с.

Размещено на Allbest.ru