Гідравліка потоку за двопрогінними шлюзами-регуляторами, обладнаними клапанними затворами, з врахуванням особливостей білякритичних течій

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний університет водного господарства та природокористування

ГІДРАВЛІКА ПОТОКУ ЗА ДВОПРОГІННИМИ ШЛЮЗАМИ-РЕГУЛЯТОРАМИ, ОБЛАДНАНИМИ КЛАПАННИМИ ЗАТВОРАМИ, З ВРАХУВАННЯМ ОСОБЛИВОСТЕЙ БІЛЯКРИТИЧНИХ ТЕЧІЙ

Чернобиль О.Є., аспірант

Анотація

Розглядаються питання гідравліки потоку за двопрогінними шлюзами-регуляторами, обладнаними клапанними затворами, з врахуванням особливостей білякритичних течій. Приводяться результати лабораторних досліджень.

Annotation

The problems of flow hydraulics by one-span sluices-regulators equipped with valve locks taking into account peculiarities of near-critical streams are examined. The results of laboratory examinations are given.

Виклад основного матеріалу

Відкриті шлюзи-регулятори з клапанними затворами широко використовуються на осушувальних і осушувально-зволожувальних гідромеліоративних системах [1, 2, 3].

Надійне проектування водоскидних гідротехнічних споруд в теперішній час неможливе без правильного врахування тих явищ, які виникають в нижньому б'єфі. В розрахунках шлюзів-регуляторів з клапанними затворами важливим завданням є вирішення питання про погашення в нижньому б'єфі надлишкової енергії і створення найсприятливішої гідравлічної структури потоку на ділянці спряження б'єфів, що дозволить звести до мінімуму витрати коштів і матеріалів на кріплення русла за спорудою. Вартість улаштувань і кріплень в нижньому б'єфі водоскидних споруд на нескельних ґрунтах складає 20-50% вартості всієї споруди. Численні випадки небезпечних розмивів русла і аварійні підмиви споруд свідчать про те, що і на даний час методи розрахунків спряження б'єфів є недостатньо ефективними.

Шлюзи-регулятори з клапанними затворами мають ряд переваг перед аналогічними спорудами: можливість автоматичного пропуску зливових повеней; забезпечення оптимального температурно - вологого режиму в ґрунтах осушувальних і осушувально-зволожувальних систем, наявність сприятливих умов для пропуску льоду і плавника, відсутність пазів і багато іншого.

Дослідженням роботи відкритих шлюзів-регуляторів займалися Єременко Є.В., Пузанов А.Ф., Кулик Г.Ф., Рябенко О.А., Клюха О.О. та інші вчені, проте питания роботи нижнього б'єфу таких споруд в умовах нерівномірного підняття затворів в сусідніх прогонах вивчене ще недостатньо. Незважаючи на всі переваги клапанних затворів, при їх використанні мають місце деякі негативні явища. При певних умовах в нижньому б'єфі цих споруд формуються білякритичні течії, які можуть спричинити розмиви кріплень нижнього б'єфу. Проте наявність цих гідравлічних режимів не враховується в існуючій практиці проектування споруд.

Оскільки білякритичні течії при певних умовах є причиною розмиву кріплень в нижньому б'єфі, то недоврахування їх специфіки, особливо відхилення від гідростатичного закону розподілу гідродинамічного тиску по глибині потоку, що часто зустрічається, може стати причиною невідповідності проектного гідравлічного режиму і наявного в дійсності. А це може призвести до серйозних прорахунків в проектуванні та експлуатації.

Формування білякритичних течій в нижньому б'єфі шлюзів-регуляторів з клапанними затворами суттєво залежить від гідравлічних умов нижнього б'єфу, конструкції споруд і гасителів надлишкової енергії водного потоку.

Метою даної роботи стало експериментальне вивчення гідравлічних режимів потоку в нижньому б'єфі для вибору оптимальної конструкції нижнього б'єфу, двопрогінних шлюзів-регуляторів з врахуванням білякритичних течій. гідравлічний б'єф потік енергія

Для практичного вирішення задач при розрахунках нижнього б'єфу виключне значення має вивчення особливостей режимів спряження б'єфів в спорудах даного класу. Це пояснюється тим, що кожному режиму відповідає певна форма гідравлічної структури потоку, саме від якої і залежить руйнівна дія потоку на дно на ділянці спряження б'єфів.

Виходячи з аналізу натурних спостережень [4], а також, враховуючи можливості виникнення білякритичних течій в нижньому б'єфі, були проведені дослідження на моделі двопрогінного шлюза-регулятора (ТПР 820-01-52.85), які включили в себе: дослідження обрисів кривих вільної поверхні, п'єзометричної лінії для різних типів білякритичних течій, максимальної глибини, другої спряженої глибини, стисненої глибини, зв'язок між стисненою і другою спряженою глибинами, довжину зони з хвилеподібною поверхнею, дослідження кінематики потоку, уточнення границі існування білякритичних течій.

При створенні моделі за основу був прийнятий типовий проект (ТПР 820-01-52.85). Дослідження проводились на моделі типової конструкції споруди двопрогінного шлюза-регулятора, обладнаного клапанними затворами з переїздом і перепадом (ШРП (8Ч3Ч0.5)2), ширина водоскидного отвору - 8,0 м, глибина на порозі 2.5...3,0 м, перепад в відмітках дна верхнього і нижнього б'єфів 0,5 м, два прольоти водозливних отворів, споруда обладнана клапанними затворами, вісь кожного з них влаштована на порозі споруди (рис. 1). Для лабораторних досліджень використовувалася модель двопрогінного шлюза-регулятора, виконана в масштабі 1:18 (рис. 2).

Рис. 1 Конструкція двопрогінного шлюза-регулятора ШРП (8x3x0.5)2

Рис. 2 Модель двопрогінного шлюза-регулятора

Робота регулятора досліджувалась для випадків наявності гасителя енергії, передбаченого типовим проектом, а також додаткового гасителя, який значно покращував структуру потоку.

За водозливним порогом регулятора на ділянці довжиною 4,0 м по осі лівого водозливного отвору з інтервалом в 5,0 см розміщувались приймальні отвори вісімдесяти п'єзометрів, що дозволяли вивчати розподіл п'єзометричного тиску на дно по довжині моделі.

Досліди проводились в досить широкому діапазоні змінювальних характеристик за рахунок зміни витрати, глибини, кута нахилу клапанного затвору до горизонту, при різних конструкціях гасителів енергії. Досліджувалась робота споруди як при симетричному, так і несиметричному піднятті затворів в сусідніх прогонах. Причому, у випадку несиметричної роботи водозливних отворів споруди затвор лівого прогону завжди встановлювався нижче, ніж правого, так як саме по осі лівого прогону розміщувалися приймальні отвори п'єзометрів. Такий прийом дозволяв нам знайти максимальну глибину та інші пов'язані з нею параметри потоку, що встановлюються з боку того водозливного отвору, в якому спостерігаються більші значення витрат.

Швидкість руху води вимірювалась мікровертушкою типу Х-6 з реєстрацією отриманих сигналів приладом системи НІМІ. В межах поперечного перерізу потоку мірного створу проводились вимірювання осереднених і максимальних придонних швидкостей. Обриси кривої вільної поверхні вимірювались пересувним рівнеміром по осі лівого водозливного отвору.

Значення витрат визначались на моделі за допомогою трикутного мірного водозливу з кутом при вершині 90.

Обриси кривої вільної поверхні вимірювались пересувним рівнеміром по осі лівого водозливного отвору на вертикалях, сумісних з прийомними отворами п'єзометрів. В процесі вимірювання глибини потоку рівнемір переміщувався по горизонтальних направляючих, встановлених вздовж від лівого водозливного отвору над прийомними отворами п'єзометрів. Нанесені фарбою на поверхні горизонтальних направляючих помітки дозволили фіксувати положення рівнеміра точно в заданій вертикалі, поєднуючи голку рівнеміра з відповідним отвором п'єзометра.

Для маневрування рівнів води в нижньому б'єфі використовувався металічний клапанний затвор в кінці відвідного каналу.

Досліди проводились з метою класифікації режимів спряження б'єфів та визначення їх границь.

Згідно експериментальних даних, в нижньому б'єфі двохпрогінних шлюзів регуляторів утворюються 4 режими спряження б'єфів (рис. 3) [5], що виникають при поступовому збільшенні глибини в нижньому б'єфі. На початковій стадії при малих глибинах спостерігається така форма руху потоку, коли маса рідини не впливає на характер струмини і характеризується симетричним вільним розтіканням в плані. Область розтікання являє собою ряд косих хвилястих стрибків листовидного характеру. В цілому загальна картина подібна до класичної схеми вільного розтікання потоку в просторових умовах, але слід відмітити, що наявність проміжного бичка дещо змінює класичну картину.

При подальшому збільшенні глибини нижнього б'єфу проходить перехід від листоподібної форми вільного розтікання до утворення гідравлічного стрибка за рахунок натікання рідини з бокових водоворотів на струмину. Виникає 1 режим спряження б'єфів - донний відігнаний гідравлічний стрибок. Характеризується наявністю ділянки бурхливої течії і водоворотів на відкосах.

Рис. 3 Режими спряження б'єфів за двопрогінним шлюзом-регулятором

При 1 режимі спостерігаються значні придонні швидкості на ділянці спряження б'єфів.

2 режим спряження виникає при подальшому збільшені глибини. Гідравлічний стрибок, рухаючись в сторону споруди, наближається до стисненого перерізу і деякий відрізок часу займає граничне положення, коли початок стрибка співпадає з стисненим перерізом. Спостерігаються значні втрати енергії в стрибку, наявний донний режим течії зі значними придонними швидкостями, проте меншими, чим при 1 режимі спряження.

Шляхом подальшого збільшення глибини нижнього б'єфу досягається затоплення гідравлічного стрибка і перехід до наступного режиму спряження б'єфів.

Режим 3 - Зона білякритичних течій. Характерною особливістю є хвилеподібна форма вільної поверхні з поступовим зменшенням висоти хвилі в сторону нижнього б'єфу. Режим характеризується нестабільністю в часі і наявністю різних типів білякритичних явищ, для визначення границь існування яких були проведені детальні дослідження.

4-режимом є затоплений поверхневий стрибок, який виникає при значних глибинах в нижньому б'єфі і має поверхневу структуру потоку. Придонні швидкості мінімальні.

Як видно з рис. 3, білякритичні течії з хвилеподібною поверхнею утворюються в нижньому б'єфі шлюзів-регуляторів в досить широкому діапазоні.

Для визначення параметрів нижньої та верхньої меж існування білякритичних течій було проведено ряд дослідів, і зроблені розрахунки викладені в роботі [6]. В даній роботі наводимо розрахункову схему (рис. 4) і межі існування хвилеподібних білякритичних течій.

Рис. 4 Розрахункова схема

Границі існування хвилеподібних білякритичних течій можна вважати такими: нижня границя Z/Е₀= 0,28...0,66; верхня границя Z/Е₀= 0,15...0,32.

Також більш детально була досліджена гідравліка потоку в межах існування хвилеподібних білякритичних течій. На рис. 5, 6 представлені: криві вільної поверхні, п'єзометричні лінії, ізотахи відносних швидкостей - для різних типів білякритичних течій (хвилястого стрибока, кноїдальних хвиль і безстрибкового спряження б'єфів).

Рис. 5 Криві вільної поверхні, п'єзометричні лінії а) при наявності типового гасителя б) при наявності типового і додаткового гасителів

Рис. 6 Ізотахи відносних швидкостей (v_max/v_ср)

Висновки

В даній роботі:

1. Досліджені режими спряження б'єфів за двопрогінними шлюзами-регуляторами, визначені границі існування цих режимів.

2. Визначені границі існування білякритичних течій з хвилястою поверхнею.

3. Детально досліджена гідравліка потоку в межах існування хвилеподібних білякритичних течій.

4. Досліджена швидкісна структура потоку в діапазоні білякритичних течій і проектних режимах.

5. Розглянуті варіанти комбінацій гасителів в нижньому б'єфі і їх вплив на формування гідравлічного режиму.

Література

1. Водне господарство в Україні. За редакцією А.В. Яцика і В.М. Хорева. К.: Генеза, 2000. 456 с.

2. Милиорация и водное хозяйство. Сооружения: Справочник Под редакцией П.А. Полад-заде. М.: Агропромиздат, 1987. 464 с.

3. Рябенко О.А., Клюха О.О., Чернобиль О.Є. Вибір оптимальної конструкції нижнього б'єфу шлюзів-регуляторів в умовах утворення білякритичних течій. //Вісник Рівненського державного університету. Випуск 4 (11). Рівне -2001. с.98-105.

4. Молодоженя А.В., Рябенко А.А. О размывах русла за шлюзами-регуляторами осушительной системы «Иква» //Гидротехника и мелиорация, 1975, №4. с. 65-66.

5. Чернобиль О.Є. Форми спряження б'єфів двопрогінних шлюзів-регуляторів з врахуванням особливостей білякритичних течій. // Збірник статей за матеріалами III науково-технічної конференції професорсько-викладацького складу, аспірантів та студентів академії. Частина друга. Гідротехнічне будівництво. Рівне -1997. с.76-78.

6. Чернобиль О.Є. Границі існування хвилеподібних білякритичних течій у нижньому б'єфі двопрогінних шлюзів-регуляторів. //Збірник наукових статей. Актуальні проблеми водного господарства. Том 1. Видавництво Української державної академії водного господарства. Рівне 1997. С. 121-123.

Размещено на Allbest.ru