автореферат диссертации по строительству, 05.23.16, диссертация на тему:Динамической воздействие потока на крепление русла за напорными водосбросами совмещенных ГЭС

VI 0 им

ВСЕРОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ГИДРОТЕХНИКИ имени Б. Е. ВЕДЕНЕЕВА

На правах рукописи

ТОМАШЕВСКИЙ Борис Александрович

ДИНАМИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ ПОТОКА НЯ КРЕПЛЕНИЕ РУСЛЯ ЗЯ НЯПОРНЫМИ ВОДОСБРОСЯМИ СОВМЕЩЕННЫХ ГЭС

Специальность 05.23.16— Гидравлика и инженерная гидрология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 1993

Работа выполнена во Всероссийском государственном научно-исследовательском институте гидротехники имени Б.Е.Веденеева ' "

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор|Абелев А.С. |

Научный консультант:

кандидат технических наук, профессор Мищенко С.М.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Кузьмин С.А,

кандидат технических наук Зубарев Н.И.

Ведущая организация: ПИИ "Ленгидропроект"

Защита состоится ■ ^ У" " _И ШНЯ- ^93 г.

в "12." часов на заседании специализированного совета Д. 144.03.01 во Всероссийском нау.чно-исследовательском институте гидротехники им.Б.Е.Веденеева по адресу: 195220, Санкт-Петербург, Гжатская ул.21, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке института.

■ мая

Автореферат разослан " II" -—-Ш- 1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета,

кандидат технических наук ' Т.В.Иванова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Современная концепция развития идроэнергетики предусматривает в ближайшей перспективе пре-мущественное строительство гидроузлов малого и среднего нагара. Для таких гидроузлов одним из основных типов сооруже-¡ий являются совмещенные ГЭС с напорными водосбросами. Про-ктирование крепления русла за водосбросом требует учета ди-[амического воздействия потока, однако методика расчета воз-.ействия на крепление за напорными водосбросами совмещенных ЭС отсутствует.

Целью диссертационной работы является совершенствование [етодов расчета и проектирования крепления русел за напорны-1и водосбросами совмещенных ГЭС на основе изучения динами-[еского воздействия на крепление в зоне отрывного течения за юдосбросом.

Основные задачи исследования:

- экспериментальное изучение поля давления на дно и ки-[ематической структуры потока при донном режиме сопряжения (а водосбросом с уступом;

- уточнение физической модели взаимодействия гидродина-шческих процессов, определяющих силовое воздействие потока [а крепление русла за водосбросом;

- разработка методики расчета характеристик динами-1еского воздействия, необходимых для оценки устойчивости и фочности плит крепления.

Научная новизна:

- получены новые экспериментальные данные о поле давле-

- г -

ния и кинематической структуре потока на участке отрывноп течения за водосбросом с уступом;

- предложена и обоснована физическая модель взаимодействия гидродинамических процессов, определяющих силово! воздействие потока при отрывных течениях;

- предложена методика построения расчетного поля давления на дно за уступом;

- разработана инженерная методика расчета воздействи! потока на плиты крепления русла за напорными водосбросам! совмещенных ГЭС.

Практическое значение работы определяется возможность! использования новых экспериментальных данных и разработанно! методики расчета при проектировании крепления русел за напорными водосбросами совмещенных ГЭС. Предлагаемая модел! может быть использована в качестве методической основы пр! изучении отрывных течений в водосбросах.

Реализация результатов работы. Материалы диссертацш вошли в справочное пособие "Гидравлические расчеты водосбросных гидротехнических сооружений"(1988 г., раздел 6, глав; 34). Методика расчета применялась при проектировании пли1 крепления Вилюйской ГЭС-3 и Нижнебурейской ГЭС. Экспериментальные данные использовались при разработке комплексной отраслевой научно-технической программы "Экологически чиста5 гидроэнергетика" 1992 г.

На защиту выносятся:

- физическая модель взаимодействия гидродинамически) процессов, определяющих силовое воздействие потока при донном режиме сопряжения за водосбросом с уступом;

- методика построения расчетного поля давления на дно;

- методика расчета динамического воздействия потока не крепление русла за напорными водосбросами совмещенных ГЭС.

Апробация работы. Основные положения диссертации докла-.ывались на:

- XV конференции молодых научных работников ВНИИГ и.Б.Е.Веденеева;

- Всесоюзном научно-техническом совещании "ДЭС-81" Москва, 1981);

- Всесоюзном научно-техническом совещании "ГВС-84" (Ле-инград, 1984);

- Совещании по гидравлике гидротехнических сооружений ГГС-92" (Санкт-Петербург, 1992);

- секции механики жидкости Ученого Совета ВНИИГ м.Б.Е.Веденеева (Санкт-Петербург, 1993).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано статей.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти лав, заключения, списка использованных источников(50 наиме-ований) и содержит 139 страниц машинописного текста, 70 1Нсунков и таблицу.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссерта-ии, ее цель и задачи исследований, излагается практическая енность работы, дается информация о реализации работы.

В первой главе рассматриваются особенности гидравли-

еских процессов в нижних бьефах совмещенных ГЭС, анализиру-

тся результаты экспериментальных и теоретических работ по

зучению воздействия потока на крепление русла и формулиру-тся задачи исследований.

В нижнем бьефе совмещенной ГЭС, как и любого водосб росного сооружения, наблюдается отрывное течение, характери зующееся повышенным силовым воздействием потока на конструк ции, ограничивающие его. Благодаря работам отечественны ученых: В.И.Букреева, А.А.Исаева, С.К.Кузнецова, д.и.Кумина В.М.Лятхера, Л.В.Мошкова, Н.П.Розанова, И.С.Фомичева Н.В.Халтуриной, А.М.Шванштейна, Г.А.Юдицкого сформировалис общие представления о процессах, определяющих повышенное ди намическое воздействие на крепление нижнего бьефа, на участ ке отрывного течения исследователи обычно отмечают:

- вихревые возмущения в слое смешения на границе тран зитной струи(турбулентная составляющая воздействия);

- колебания свободной поверхности(волновая составляю

щая);

- колебания транзитной струи, обусловленные неустойчи востью отрывного течения(низкочастотная составляющая);

- вибрацию пузырьков воздуха в аэрированном потоке;

- кавитацию.

В силу конструктивных особенностей: напор до 30 м отсутствие гасителей, наличие уступа, значительное затопле ние струи, кавитации и повышенной аэрации в нижнем бьеф совмещенных ГЭС с напорными водосбросами не наблюдается.

Теоретический расчет турбулентной составляющей пульса ции давления на участке отрывного течения предложен В.м.лят хером, однако условия применимости этой методики для напор ных водосбросов совмещенных ГЭС не определены, так как н ясны соотношения между турбулентной, волновой и низкочастот ной составляющими на разных участках крепления и при разны значениях параметров водосброса.

Гидравлические исследования динамического воздействи потока на крепление за водосбросами совмещенных ГЭС проводи лись М.А.Даниловым, И.И.Ивановым, Е.П.Кудрявцевым, н.В.Малк ком, А.Г.Соловьевой, Н.В.Халтуриной. Однако провести коли чественное обобщение результатов не представляется возмо! ным, так как они получены на моделях конкретных объектов.

Систематические исследования пульсации давления на дно за плотиной с уступом при поверхностном режиме проводились В.М.Ивановым. Но за напорными водосбросами совмещенных ГЭС может наблюдаться донный режим сопряжения, характеризующийся значительно большей интенсивностью динамического воздействия на крепление.

Таким образом, анализ современного состояния изучаемого вопроса показывает,' что для достижения поставленной цели требуется провести экспериментальное изучение поля давления на дно и кинематической структуры потока при донном режиме сопряжения и отсутствии турбинного расхода, а также разработать методику расчета характеристик воздействия, необходимых для оценки устойчивости и прочности плит крепления.

При постановке задачи исследований поле давления рассматривалось как стационарная случайная функция. Система координат охг ("О" в створе выходного сечения водосброса) располагалась на поверхности крепления, которое считалось состоящим из плит размерами х в качестве входных

условий, обеспечивающих однозначность изучаемых величин, принимались следующие параметры водосброса: 2

число Фруда в выходном сечении = Уо/йп0-2~50'>

относительная высота уступа ¥ ~ ^/И0 = 1,0 -2,6:

относительная глубина потока ^а ~

степень планового расширения струи $ - Во!Во ~ 0,?> 1,0; коэффициент формы струи - 1,0 ~2.0\

угол наклона водобоя Ч - 0" /8° "•

угол наклона струи на выходе из водосброса^ -О', /О длина полки на выходе из водосброса = 0~0,5'<

Диапазон изменений назначался на основе изучения параметров водосбросов построенных и строящихся совмещенных ГЭС.

В результате исследований требовалось определить расчетные характеристики, как точечные, так и интегральные на площадку х . случайного воздействия, т.е. характе-

ристики, которые используются в существующих методиках оценки устойчивости и прочности плит крепления:

. осредненное по времени давление Р ( X , 2 ); расчетную эпюру давления Рх0,20 ( х> 2 ); амплитуду опрокидывающего момента пульсационной нагрузки Маа ( X, г, ¿,х , ¿2 );

спектральную плотность нагрузки Б ( X, г, , /_г ).

Во второй главе проводится обоснование применяемой в экспериментальных исследованиях методики и техники измерений Параметры водосброса разбивались на две группы: основные Fta ( у t , определяющие принципиальный тип режима течения, и дополнительные, дополнительные параметры, в свою очередь, разбивались на две группы: характеризующие пространственное расширение струи J3, £ и характеризующие конструктивные особенности водосброса. оС , f , в соответствии с таким разделением параметров эксперимент проводился в три этапа.

На первом этапе в условиях плоской задачи при горизонтальном водобое и отсутствии полки была уточнена физическая модель взаимодействия гидродинамических процессов, определяющих поле давления на дно. Изучено влияние основных параметров водосброса на расчетные характеристики силового воздействия на крепление.

На втором этапе в расчетные характеристики были внесены коррективы, связанные с наличием планового расширения потока На третьем этапе оценено влияние конструктивных особенностей на характеристики воздействия: максимальную интенсив-

¿тах

ность пульсации давления О и осредненную длину донного водоворота

для изучения процессов, определяющих динамическое воздействие потока на крепление на экспериментальной установке проводились гидравлические исследования, в ходе которых измерялись: давление на дно, колебания свободной поверхности,

осредненные продольные скорости, направление актуальных скоростей у дна и вибрация границы, где изучалось давление.

Габариты установки были приняты, исходя из обеспечения:

- автомодельности по числу Рейнольдса Яг = УхнЬд.

3 г>

которое на модели составляло (0,8 - 3,2) х 10 ;

- условий плоской задачи по оси лотка;

- соответствия ожидаемого диапазона давлений на дно пределам измерения используемых датчиков давления.

Модель водосброса представляла конфузор длиной 2 м и шириной 1,2 м, высота выходного сечения которого менялась от 4 до 8 см.

Днище лотка, где измерялось давление, представляло собой стальной лист 2 х 1,2 м толщиной 10 мм, который с помощью винтовых опор фиксировался на нужной высоте и с требуемым уклоном.

В диссертации дается описание использованных в экспериментах первичных преобразователей физических величин давления, скорости, уровня воды.

Были определены погрешности статистических оценок изучаемых характеристик динамического воздействия потока. Время анализа реализаций случайного процесса принималось достаточным для обеспечения нормированной среднеквадратичной погрешности оценки стандарта пульсации давления на выше 3%, а оценки корреляционной функции £ не выше 5% при

|г/> 0,2.

Разрешающая способность спектрального анализа составляла 6,25 х 10 Гц, нормированная среднеквадратичная погрешность оценок спектральной плотности не превосходила 7%.

Учет влияния размеров первичных преобразователей при анализе турбулентной пульсации давления показал, что откорректированные значения спектральной плотности для верхней границы частотного диапазона отличаются от получаемых из эксперимента не более, чем на 8%.

В третьей главе на основании экспериментальных данных устанавливаются факторы, определяющие структуру поля давления на дно в условиях плоской задачи, и оценивается влияние основных параметров водосброса на интенсивность и спектральную плотность пульсации давления.

Схема течения в нижнем бьефе'водосброса при донном режиме сопряжения представлена на рис.1. Для этой схемы характерно существенное искривление траектории транзитной струи, вследствие чего распределение давления в области донного водоворота значительно отличается от гидростатического. В результате колебаний струи, обусловленных общей неустойчивостью отрывного течения, области с отличным от гидростатического давлением перемещаются вдоль крепления, формируя структуру поля пульсации давления в зоне отрыва и присоединения струи. Под зоной присоединения понимается участок крепления, в пределах которого возможно изменение направления актуальной придонной скорости, т.е. размер зоны присоединения соответствует размаху изменений длины донного водоворота. За зоной присоединения, где транзитная струя устойчиво движется у дна, структура поля пульсации давления определяется, в основном, сносом вихревых возмущений, возникающих в слое смешения.

Подобная схема течения обусловливает существенную неоднородность поля пульсации давления в продольном направлении, что является отличительной особенностью данного типа режима сопряжения. На рис.2 приводятся функции спектральной плотности пульсации давления, полученные для разных участков крепления при условиях, представленных на рис.1. Как видно, частотный диапазон пульсации давления, определяемый колебаниями струи, лежит значительно ниже частотного диапазона турбулентных пульсаций. Это позволило на основе анализа функций спектральной плотности условно разделить крепление на три участка:

- начальный, включающий область донного водоворота, участок, где структура поля пульсации давления определяется

Рис. 1. схема течения.

Рис. 2. спектральная плотность пульсации давления. с!/Н0• 2,6, ¿0/с1+Ь0 =2,0 ; 12.5; 1-Х=г№< 2-х ->4с/,

Рис. 3. Амплитуда низкочастотной пульсации давления.

/-А+н ; 2 -Ан.

- и -

только низкочастотными колебаниями струи;

- удаленный от донного водоворота участок, где единственной существенной составляющей воздействия является турбулентная;

- переходный участок, где низкочастотная и турбулентная составляющие сопоставимы.

В общем случае для открытого потока на структуру поля давления могут влиять волновые колебания свободной поверхности, однако, как показали исследования, при рассматриваемой схеме течения волновой составляющей можно пренебречь(по сравнению с остальными составляющими динамического воздействия) .

Переходный участок определяется положением донного водоворота. За границы этого участка принимались створы, где доля составляющей в общей дисперсии характеризовалась величиной 10%. При использовании такого критерия ближняя граница удалена от уступа на ~ 1,2 Ь^ , а дальняя ~ 1,8 1~^ .

Не зафиксировано существенного влияния на относительную длину донного водоворота числа Фруда и глубины потока, а зависимость от относительной высоты уступа .аппроксимировалась выражением:

■М- = 4,5 - 0,65 ( 1 )

с/ По

Наибольшая интенсивность низкочастотного воздействия наблюдается в конце донного водоворота, при этом максимальный стандарт 6и низкочастотной пульсации давления в 4 - 5

" 1 таос

раз больше максимального стандарта Оу турбулентной

пульсации давления.

уткиг

Относительная величина 6М не зависит от числа Фруда и глубины потока, а зависимость от относительной высоты уступа

аппроксимировалась выражением:

~ 0.06(1 + -%-)-0.02. (2)

Рассмотрение функций спектральной плотности низкочастотной пульсации давления показало, что колебания струи представляют широкополосный процесс с ведущей частотой ^вед = 0.07 и частотным диапазоном Д^ = 0,25 "У^^о

которые определяются глубиной 10 и средней скоростью в конце участка сопряжения бьефов - ^в' ^п

В диссертации приводятся экспериментальные данные о кинематической структуре потока, необходимые для расчета турбулентной пульсации давления по методике В.М.Лятхера. Показано, что полученные при разных значениях параметров водосброса функции спектральной плотности турбулентной пульсации хорошо соответствуют результатам расчета по этой методике, если принимать расчетную толщину слоя смешения Ьр = 0,11 х и скорость сноса возмущений Усн. = 0,6 Утах , Чпад- максимальная скорость в струе.

В четвертой главе приводятся результаты экспериментального изучения расчетных характеристик динамического воздействия потока в условиях плоской задачи.

В условиях плоской задачи поле давления однородно в поперечном направлении. Поэтому характеристики давления изучались как функции продольной координаты. При определении динамических нагрузок несинфазность пульсации давления в поперечном направлении учитывалась коэффициентом поперечной корреляции 12 (2).

Из опытов получено, что для турбулентной пульсации дав-

ления радиус поперечной корреляции на порядок превосходил радиус продольной корреляции. Это свидетельствует о том, что вихри вытянуты поперек потока и турбулентность можно считать "плоской".

Для низкочастотного воздействия коэффициент поперечной корреляции убывает до значений X(2) = 0,10 - 0.15 на расстоянии А2 » • Это позволяет считать, что при

д2 ? низкочастотные пульсации давления статисти-

чески независимы.

Поскольку распределение давления в зоне донного водоворота существенно отличается от гидростатического, то осред-ненное по времени давление на дно было представлено в виде суммы гидростатического, соответствующего глубине I ( х ), и избыточного над ним:

Экспериментальные данные об изменении глубины потока I = Г ( х ) на участке поверхностного водоворота хорошо соответствуют результатам расчета, проведенного по теоретическим зависимостям М.А.Михалева, полученным для схемы одностороннего расширения.

Наибольшее отклонение осредненного давления от гидростатического наблюдается в конце донного водоворота и зависимость этой величины от относительной высоты уступа была представлена формулой:

( 3 )

_ тах

2 Риз5

В практике проектирования креплений нижнего бьефа расчетная эпюра давления строится обычно следующим образом. Предполагается, что в некоторой точке х0 на поверхности

крепления в иомент времени t0. наблюдалось экстремальное значение пульсации давления Ар ( хв ). В этот же момент времени давление в остальных точках характеризуется величиной условной вероятности

?"(*)-MfpooL ] , (5)

L IP (Xo) *Ap<X0)J ' ( >

где оператор М [ ] означает осреднение по ансамблю. Такое осреднение практически осуществляется многократным повторением опытов при одинаковых условиях.

В настоящее время для поля турбулентной составляющей апробирована упрощенная методика построения эпюры давления, предполагающая локальную однородность поля пульсации давления вдоль потока. Согласно этой методике, величина РХв £х) может быть определена по зависимости

%?(*) =PM+AP(x,T.sp)-zO<.x0) . ( 6 >

где г ( х, х0 ) - коэффициент продольной корреляции; sp -расчетная обеспеченность.

Необходимые для использования (6) данные об обеспеченности амплитуды были получены при анализе выборки амплитуд для реализаций различной длительности Т.

Поле турбулентной составляющей воздействия характеризуется тем, что средняя по ансамблю амплитуда понижения а" и повышенная А* давления отличаются меньше, чем на среднеквадратичную погрешность их оценки, а относительная величина амплитуды Ат(х,Т^т(х) практически не меняется вдоль крепления и может быть представлена только функцией времени наблюдения. Эта функция в исследованном диапазоне f'feej <2-10 аппроксимировалась зависимостью:

Согласно экспериментальным данным обеспеченность превышения амплитудой уровня зс5т составляет Э = 0,9999 при

з

времени наблюдения т'1бед = 10 , а обеспеченности Э = 0,001 соответствует амплитуда Ат «■ б6т

Средняя амплитуда низкочастотной пульсации давления не зависит от времени наблюдения при т- =»- 30 и может быть представлена функцией только координаты х / - рис.3. Как видно, для низкочастотного воздействия характерна существенная асимметрия пульсации давления, когда на ближней к уступу границе зоны присоединения амплитуда повышения давления А Л достигает 10^, а амплитуда понижения А~ = 3 6М .

Исследованиями была подтверждена возможность построения эпюры давления для турбулентного воздействия по упрощенной методике ( б ). для низкочастотной составляющей результаты расчета согласно ( б ) существенно расходятся с экспериментальными данными.

В диссертации предложена методика построения эпюры избыточного давления на дно за водосбросом с уступом. На рис.4 представлены величины наибольшего Р^(х) = Роз5С) + А* (х) и наименьшего Р~5(х) = Рш5(х) - А~(х) избыточного давления, которые позволяют установить зоны крепления, где при колебаниях струи наблюдаются наибольшие отклонения от гидростатического давления. Размер этих зон совпадает с размахом изменений длины донного водоворота и составляет 0,35 . Анализ приведенных на рис.4 данных показывает, что при крайних положениях струи эпюры избыточного давления отличаются весьма незначительно. Здесь можно усмотреть некоторую аналогию с гипотезой "замороженной" турбулентности, широко используемой при изучении пограничного слоя. Но если в турбулентном пограничном слое неизменная "замороженная" картина течения сносится по потоку, то здесь неизменная "замороженная" эпюра давления совершает колебания в пределах зоны около некоторого среднего положения. Таким образом, представленных на рис.4 данных достаточно для построения эпюры избыточного давления при любом поло-

- 1В -

Р'шВ

РИС. 4. экстремальное избыточное давление ' пРи Ч * Что,. 2 -Р%5 при ¿_д= I

'9 ~ '•9'пах

ол

0.16-

Рис. 5.

Характеристики низкочастотного воздействия при плановом расширении потока.

1 - по оси отверстия; 2 - по оси быка.

жении струи (на рис.1 приводится Риз5 (х) при L^ ),

если известна величина максимального избыточного давления

тох +

Ри}5 = max { PUJ5 (х) }, которая в исследованном диапазоне изменения основных параметров водосброса была представлена зависимостью: max

2&as. = o,2U(i + <=L)-0.oa ( » )

J3 Y0 г,о'

На переходном участке амплитуда пульсации давления соответствует сумме амплитуд составляющих и расчетная эпюра может быть построена наложением эпюр, построенных для каждой составляющей.

В диссертации анализируются данные, характеризующие изменение интенсивности удельной пульсационной нагрузки при изменении длины плиты крепления.

Для турбулентной составляющей экспериментальная функция "осреднения" при переходе от спектра пульсации давления к спектру пульсации нагрузки соответствует теоретической, полученной на основании гипотезы "замороженной" турбулентности, если принимать скорость сноса возмущений \сн = 0,6 Утах-

для низкочастотного воздействия функция спектральной плотности нагрузки, нормированная дисперсией, практически не меняется при изменении длины плиты в исследованном диапазоне 4 0,5

Средняя амплитуда опрокидывающего момента турбулентного воздействия, нормированная стандартом пульсационной нагрузки <$р(х,!-х) не зависит существенно от положения и размера плиты и при времени наблюдения Т• у^ >

10 составляет ^Мдг- ~ «^<3.

Средняя амплитуда опрокидывающего момента низкочастотного воздействия зависит от положения плиты и ее размера ^ Нормированная величина амплитуды меняется в диапазоне

_В пятой главе рассматриваются экспериментальные данные о структуре поле давления при плановом расширении потока. Оценивается влияние конструктивных особенностей водосброса на максимальную интенсивность низкочастотного воздействия и длину донного водоворота.

При плановом расширении потока вид нормированных функций спектральной плотности пульсации давления, полученных для участков, расположенных как по оси отверстия, так и по оси быка при х >0,8 остался таким же, как и в условиях плоской задачи, т.е. наличие водоворотных зон за быками не отразилось существенно на спектре динамического воздействия на дно. Это объясняется, вероятно, тем, что при исследованных соотношениях относительной высоты уступа и коэффициента формы струи длина ¿<р водоворота за быками не превышает 0,65 , т.е. расширение транзитных струй на толщину быков происходит до зоны присоединения и вихревые структуры с вертикальной осью не замыкаются на поверхность крепления. Однако в зоне присоединения еще сохраняется некоторая плановая неравномерность осредненных продольных скоростей в транзитной струе, которую можно характеризовать параметром

На рис.5 приводятся данные об осредненной длине донного водоворота и экстремальных характеристиках низкочастотного воздействия, полученные для створов, расположенных по оси отверстия и по оси быка. Как видно, поперечную неоднородность поля давления в зоне присоединения требуется учитывать только при значениях / 1«, ^ больших 0,5. Интенсивность

низкочастотного воздействия при плановом расширении потока уменьшается в 2 - 4 раза по сравнению с условиями плоской задачи и практически не зависит от параметров водосброса. Размер зоны наибольшего избыточного давления при плановом расширении потока составляет Д л 0,55

По данным опытов были определены скорость сноса возмущений и расчетная скорость Ур.р , что позволяет рассчитывать турбулентную пульсацию давления по методике

В.М.Лятхера и при плановом расширении потока.

Исследования показали, что влияния параметров, характеризующих конструктивные особенности водосброса на осреднен-ную длину донного водоворота не коррелированы и могут анализироваться раздельно.

При выполнении концевого участка водосброса наклонным с углом оС = ю° донный режим в нижнем бьефе не наблюдается.

Наличие на выходе из водосброса полки длиной ¿-„/¿£$0,10 не оказывает влияния на осредненную длину донного водоворота и интенсивность пульсации давления. При наличии полки длиной 0,10 < L„ / L^ ¿0,18 осредненная длина донного водоворота увеличивается на величину (L., / -10) L/^

максимальная интенсивность пульсации давления уменьшается и

— j mace

при lw n / Lj = 0,18 составляет 0,95 Он .

При наличии наклонного водобоя величина к,^, отсчитываемая по наклонному участку, уменьшается ~ ю%, а величина ,тах

6Н увеличивается на ~ 10% по сравнению с соответствующими характеристиками для горизонтального водобоя.

а

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В диссертационной работе проведены исследования динамического воздействия потока на крепление русла за напорными водосбросами совмещенных ГЭС. Изучено поле давления на дно, кинематическая структура потока и колебания свободной поверхности и получены закономерности, которыми можно пользоваться в пределах области поверхностного водоворота при донном режиме сопряжения. Основные результаты проведенных исследований заключаются в следующем-.

1. На основании новых экспериментальных данных предложена и обоснована физическая модель взаимодействия гидроди-

намических процессов, определяющих силовое воздействие на крепление.

Поле давления на крепление существенно неоднородно вдоль потока и может быть разделено на три участка.

На начальном, включающем область донного водоворота, поле пульсации давления определяется только низкочастотными колебаниями транзитной струи, связанными с общей неустойчивостью отрывного течения - низкочастотная составляющая воздействия.

На значительном удалении от донного водоворота поле пульсации давления определяется только сносом транзитной струей вихревых образований, возникающих в слое смешения -турбулентная составляющая воздействия.

На переходном участке низкочастотная и турбулентная составляющие сопоставимы, но не взаимодействуют, и общее воздействие определяется их наложением.

Границы переходного участка определяются длиной донного

водоворота , ближняя граница удалена от уступа на~1,гГ , 7 г

а дальняя на ~1,8

2. На основе изучения структуры поля давления на участке плоского отрывного течения установлены новые закономерности, показывающие зависимость характеристик поля давления от параметров водосброса.

Показано, что колебания струи представляют широкополосный случайный процесс, частотный диапазон которого лежит значительно ниже частотного диапазона турбулентных пульсаций и определяется глубиной потока в конце донного водоворота и средней скоростью за участком отрывного течения, ведущая

Максимальная интенсивность низкочастотной пульсации давления в 4 - 5 раз больше максимальной интенсивности турбулентной пульсации давления.

На интенсивность низкочастотного воздействия существенное влияние оказывает относительная высота уступа, незначи-

частота колебаний f

тельное влияние(изменение не более, чем на 10%) - наклон водобоя и длина полки на выходе из водосброса, и несущественное влияние - глубина нижнего бьефа и число Фруда в выходном сечении водосброса. При этом влияния параметров не коррели-рованы.

3. При плановом растекании потока на ширину быков предложенная модель остается верной, если длина водоворотных зон за быками значительно меньше длины донного водоворота. В условиях планового расширения интенсивность низкочастотного воздействия снижается в 2 - 4 раза и не зависит существенно от параметров водосброса.

4. подтверждена возможность расчета турбулентной составляющей воздействия потока по методике В.м.Лятхера при донном режиме за уступом и получены необходимые для такого расчета данные о кинематической структуре потока в нижнем бьефе.

5. предложена новая методика построения расчетной эпюры давления, которая может быть использована для определения характеристик случайного воздействия потока в зонах отрывных течений.

6. впервые для воздействия потока на крепление нижнего бьефа получены экспериментальные данные об обеспеченности амплитуд пульсации давления и амплитуд опрокидывающего момента пульсационной нагрузки, позволяющие при заданной продолжительности паводка выбрать расчетные значения этих характеристик гидродинамического воздействия.

7. разработана инженерная методика расчета, позволяющая в широком диапазоне изменения параметров напорного водосброса определять характеристики воздействи-Х потока, необходимые для оценки устойчивости и прочности плит крепления русла.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Исследование гидродинамического воздействия потока на плиты водобоя совмещенной ГЭС при разных режимах сопряжения // Известия ВНИИГ им.Б.Е.Веденеева, 1982, Т.154, с,73 -79 (соавтор - А.Г.Соловьева).

2. Динамические нагрузки на крепление нижнего бьефа совмещенной ГЭС // Материалы конференций и совещаний по гидротехнике: Повышение надежности энергетических сооружений при динамических воздействиях / ВНИИГ, 1982, с.114

117 (соавтор - А.Г.Соловьева).

3. Исследование гидродинамического воздействия потока на водобой за плотиной с,, уступом при поверхностном режима // Известия ВНИИГ им.Б.Е.Веденеева, 1985, Т.179, с.81 -83 (соавтор - В.М.Иванов).

4. Пульсация давления на крепление русла при поверхностном режиме // материалы конференций и совещаний по гидротехнике / ВНИИГ, 1985,С.299 - 302 (соавтор - В.А.АеЙбовИЧ).

5. Гидродинамическое воздействие потока на элементы крепления нижнего бьефа совмещенной ГЭС при донном восстановленном режиме сопряжения // Известия ВНИИГ им.Б.Е.Веденеева, 1987, Т.200, с.25 - 29 (соавтор - А.Г.Соловьева).

6. Построение расчетного распределения давления на дно русла за водосбросом с уступом // Материалы конференций и совещаний по гидротехнике / ВНИИГ, 1993 (в печати).