Математические связи между конструктивными и гидравлическими параметрами двукоробчатого затвора – стабилизатора расхода воды

Размещено на http://www.allbest.ru/

МАТЕМАТИЧЕСКИЕ СВЯЗИ МЕЖДУ КОНСТРУКТИВНЫМИ И ГИДРАВЛИЧЕСКИМИ ПАРАМЕТРАМИ ДВУКОРОБЧАТОГО ЗАТВОРА - СТАБИЛИЗАТОРА РАСХОДА ВОДЫ (ДКЗС)

В.А. Биленко - канд. техн. наук, доцент

Рязанский институт (филиал) Московского государственного открытого университета,

Н.И. Иванова - канд. техн. наук, доцент; Г.П. Фролова - канд. техн. наук, доцент

Кыргызско-Российский славянский университет, г. Бишкек, Кыргызстан

Б.О. Аскаралиев - ст. препод.

Кыргызский аграрный университет имени К.И. Скрябина, г. Бишкек, Кыргызстан

Установлены математические связи и даны обоснования основных конструктивных параметров двукоробчатого затвора - стабилизатора расхода воды. Выполнено математическое моделирование истечения через элементы стабилизатора, определены расчетные зависимости для определения подаваемого в отвод расхода и определен диапазон стабилизации.

Для обоснования основных конструктивных параметров разработанного нами двукоробчатого затвора - стабилизатора расхода воды (ДКЗС) необходимо проанализировать явление истечения и подвести математическую основу под процесс истечения через стабилизатор [1].

На рисунке 1 показан стабилизатор расхода воды, установленный на водовыпуске 7 ирригационного канала 14, который содержит короб, выполненный в виде системы трех вертикальных последовательно установленных плоских граней (дополнительной 1 высотой С₁, верховой 2 высотой С₂ и низовой 3), соединенных боковыми стенками 4, образующих по вертикали две проточные полости: первая - 5 и вторая - 6. К нижней кромке низовой грани 3 прикреплен горизонтальный козырек 8 с размером «к». Размеры граней по высоте не одинаковы и устанавливаются расчетом. Нижние кромки граней относительно друг друга расположены так, что стабилизатор расхода воды имеет одновременно три открытия а₁, а₂, а₃, причем а₁ а₂ а₃.

Величины открытий обусловлены тем, что нижняя кромка верховой грани 2 и козырек 8 не должны касаться кривой истечения водного потока CDEK из-под дополнительной грани 1 [2]. Верхние кромки граней короба расположены последовательно на разных отметках, кромка верховой грани - 2, выше дополнительной - 1, а низовой - 3, выше верховой. Отметки верхних кромок обусловлены условиями гидравлической работы стабилизатора расхода воды. Для изменения величины открытия водовыпускного отверстия 9 стабилизатор расхода воды оснащен винтовым подъемником 10, при помощи которого осуществляется перемещение затвора в пазах 11.

Вода из-под стабилизатора вытекает сплошным потоком, равномерно распределяясь по всей ширине пролета отвода, что предотвращает неравномерный размыв дна нижнего бьефа и значительно упрощает расчет крепления дна отводящего канала.

С целью определения функциональных зависимостей, связывающих конструктивные и гидравлические параметры стабилизатора ДКЗС, нами проведено гидравлическое обоснование.

Работа стабилизатора расхода воды состоит в следующем (см. рис. 1):

1. При заполнении водой ирригационного канала 14 и достижении напора воды перед водовыпуском 7 равного Н = Н_min, истечение потока происходит из-под нижней кромки дополнительной грани 1 по кривой СDЕК, не касаясь нижней кромки верховой грани 2 (D) и козырька низовой грани 3 (Е), которые в этот период работы не влияют на процесс истечения. Пропускаемый расход при этом равен Q_min1 = Q - 5%Q, который определяется по формуле

, (1)

где - коэффициент скорости ; - коэффициент вертикального сжатия; а₁ - величина открытия дополнительной грани; ж - коэффициент местного сопротивления; - скоростной напор потока на подходе к водораспределительному узлу [3].

2. При увеличении напора Н происходит и увеличение расхода Q в пределах заданной точности регулирования (±5%Q) до значения расхода Q_max1= Q + 5%Q. При этом в верхнем бьефе наблюдается глубина потока, равная а₁ + С₁, где С₁ - высота дополнительной грани 1. Значение расхода Q_max1 пропускаемого устройством в этот период равно

, (2)

где - коэффициент вертикального сжатия, остальные обозначения понятны из предыдущего.

3. При дальнейшем увеличении напора Н (выше 1, см. рис. 1) начинается перелив воды через дополнительную грань 1, заполняется поперечное сечение первой проточной полости 5 с одновременным истечением основного потока через водовыпускное отверстие 9. Происходит соударение потоков, вода, поступающая из первой полости 5, отдавливает водный поток, идущий из-под дополнительной грани 1. При этом создается дополнительное сопротивление движению основного потока из-под грани 1 в виде противотока из полости 5. При некотором значении напора равном а₁+ С₁ + д₁, расход воды через отверстие 9 уменьшается до значения Q_min2 = Q - 5%Q. На основании наших наблюдений на поисковой модели установлено, что в этот период в процессе истечения происходят изменения в гидравлической структуре потока. Дополнительная грань 1 на процесс истечения влияние не оказывает, а в работу включается верховая грань 2 и истечение происходит через отверстие с открытием а₂. В этом случае пропускаемый расход воды Q_min2 определяется по формуле

, (3)

где - коэффициент вертикального сжатия, а₂ - величина открытия грани 2.

4. При увеличении расхода, пропускаемого по каналу 14, уровень воды в верхнем бьефе достигает отметки 2, при этом происходит и увеличение расхода до значения Q_max2 = Q + 5%Q. Расчетная формула истечения Q_max2 принимает вид

, (4)

где - коэффициент вертикального сжатия при истечении из-под верховой грани, остальные обозначения понятны из предыдущего.

5. Если же уровень воды в верхнем бьефе продолжает увеличиваться и достигает величины а₂ + С₂ + д₂, то происходит перелив воды через верховую грань 2 во вторую полость 6, расход начинает уменьшаться и процесс работы повторяется аналогично описанному выше. При заполнении второй полости 6, верховая грань 2 исключается из работы, и истечение происходит из-под козырька низовой грани 3 по кривой EK_, при открытии а₃ с расходом Q_min3 = Q - 5%Q. Расчетная формула принимает вид

, (5)

где - коэффициент вертикального сжатия при истечении из-под горизонтального козырька 8; а₁ - величина открытия грани 3.

6. При увеличении напора до значения Н_max происходит и увеличение расхода до значения Q_max3 = Q + 5%Q, который определяется по формуле

, (6)

где - коэффициент вертикального сжатия при истечении из-под горизонтального козырька при максимальном напоре.

Таким образом, стабилизатор расхода воды при различных глубинах в верхнем бьефе от напора, равного расчетному (Н_min) до максимального (Н_max), работает в двух режимах: без перелива воды внутрь короба и с переливом, а общий расход сохраняется в пределах заданной точности (±5%), которая обеспечивается взаимным расположением граней и их конфигурацией.

Как видно из описания работы стабилизатора, положение нижних кромок обусловлено формой кривых свободной поверхности потока и правильного их высотного расположения с целью исключения инерционного захвата потока в полости секций, что снизило бы качество стабилизации [2].

Как известно из гидравлики, форма кривой свободной поверхности потока за плоским щитом зависит от величины отверстия а, напора Н и угла наклона к горизонту граней [3].

Нами проанализированы выводы Г.П. Фроловой, исследовавшей истечение из-под затворов с углом наклона козырьков = 900 и = 1800 [4], где за основу построения кривой свободной поверхности струи, истекающей из-под козырьков с различными углами наклона, принято уравнение Н.Е. Жуковского. Для наглядности и удобства анализа на рис. 2 представлено графическое изображение кривых свободной поверхности истечения при двух углах наклона.

При составлении математической модели сделаны допущения: исключена возможность взаимовлияния боковых стенок, изменение коэффициента местного сопротивления ж при переливе потока воды через грани в полости стабилизатора происходит по линейному закону и устанавливается на основании экспериментальных исследований, истечение из-под стабилизатора происходит равномерным потоком.

Расположение нижней кромки низовой грани 3 (см. рис. 1) принято на кривой свободной поверхности струи 1 (см. рис. 2), истекающей из-под дополнительной грани 1, там, где наблюдается сжатое сечение, примерно на расстоянии (1,0…1,2)а₁ [2].

Положение же грани 2 (см. рис. 1) оказывает существенное влияние на работу стабилизатора расхода воды, так при низком расположении грани нижняя кромка препятствует прохождению воды, а при высоком она практически не создает сопротивлений и поток большего расхода проходит через стабилизатор_. Таким образом, при неправильной установке грани 2 стабилизации не наблюдается.

Согласно разработанному нами алгоритму функционирования ДКЗС составлена математическая модель и произведены вычисления при помощи программы Excel (ввиду ограниченного объема в статье не приводится). На основании математического моделирования на рис. 3 показана кривая Q = f(H), полученная для внедренного стабилизатора, показанного на вкладке, имеющего расчетное открытие а₃ = 0,05 м. На графике Q = f(H) изменения расхода находятся в 5%-й зоне при найденном значении а₂=0,061 м, что соответствует нормальной работе стабилизатора.

Дальнейшими нашими математическими исследованиями была установлена зона стабилизации для внедренного стабилизатора с открытием а3=0,05 м (рис. 4).

Максимальный диапазон изменения напоров Н в рабочей зоне расхода (Qр 5%Q) наблюдается от 0,13 м до 0,47 м, расчетный расход при этом равен Qр = 0,045 м3/с. При открытии отличном от расчетного диапазон стабилизации уменьшается. Водомерная характеристика модели ДКЗС Q = f(a) имеет вид

Q = 1,0325•a. (7)

Как следует из рис. 4 диапазон стабилизации при открытии, отличном от расчетного, уменьшается, поэтому конструктивные параметры стабилизатора для каждого водовыпуска должны быть определены с наперед заданными параметрами, такими как: расчетный расход Qр, ширина b и наполнение Нmin и Нmax.

стабилизатор вода автоматизации гидромелиорация

Библиографический список

1. Стабилизатор расхода воды. //Биленко В.А.. Иванова Н.И., Фролова Г.П.. Аскаралиев Б.О. Патент КР № 1053, МПК Е 02 И 13/00, опубл.26.08.2008 бюлл. № 7. 7 с.

2. Мухутдинова Р.Н. Исследование параметров ступенчатого секционного стабилизатора типа «коробчатый щит». Сб.научн.тр. Автоматизация оросительных систем Киргизии. - Фрунзе: КСХ,И 1980. С. 82-88.

3. Штеренлихт Д.В. Гидравлика.- М.: Энергоатомиздат, 1991. Кн. 2.

4. Фролова Г.П. Теоретическое обоснование истечения из-под моноблочного коробчатого стабилизатора расхода воды // Пути совершенствования средств гидроавтоматики в мелиорации: Сб.научн.тр./ Кырг. с.-х. ин-т. - Бишкек: КСХИ, 1995. С. 119-125.

5. Бочкарев Я.В. Овчаров Е.Е. Основы автоматики и автоматизации производственных процессов в гидромелиорации. - М.: Колос, 1981.

6. Зайцева О.В. Математические связи между конструктивными и гидравлическими параметрами стабилизаторов расхода воды типа цилиндрический ступенчатый коробчатый щит // Системы гидравлики оросительных систем и совершенствование технологии регулирования вод, режима орошаемых полей. Сб. научн. тр. - Бишкек: КСХИ, 1991. С 80-91.

Размещено на Allbest.ru