автореферат диссертации по строительству, 05.23.16, диссертация на тему:Диссипация избыточной энергии за трубчатыми водосбросами в треугольном и трапецеидальном руслах и ее влияние на определение длины крепления

? Г Б ОД

КАЛХ-ЕРРАС ДОШЛИ

На правах рукописи

ДИССИПАЦИЯ ИЗБЫТОЧНОЙ ЭНЕРГИИ ЗА ТРУБЧАТЫМИ ВОДОСБРОСАМИ В ТРЕУГОЛЬНОМ И ТРАПЕЦЕИДАЛЬНОМ РУСЛАХ И ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЛИНЫ - КРЕПЛЕНИЯ

специальность 05.23.16 - Гидравлика и инженерная гидрология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1996

Вабота выполнена на кафедре "Комплексное использование водных ресурсов" Московского государственного университета природообустройства.

Научный руководитель Официальные оппоненты

Ведущая организация

кандидат технических наук,доцент БЕГЛЯРОВА Э.С.

доктор технических наук, профессор-

КАВЕШИКОВ А.Т.

кандидат технических наук, старший научный сотрудник

ГУРЬЕВ А.П. ИЦ" Союзводпроект"

Зашита диссертации состоится 22 января 1996 года в fcf часов на заседании диссертационного совета К 120.16.01 в Московском государственном университете природообустройства по адресу: I275Ô0, Москва, ул.Прянишникова, 19, МГУП, ауд. 201.

С писсертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. ___

Автореферат разослан О " января 1996 года.

Учений секретарь диссертационного совета к.т.н.

й.М.Евдокимова

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. В практике гидротехнического строительства, интенсивно внедряются трубчатые водосбросы, которые имеют ряд преимуществ: удовлетворение требованиям индустриального строительства; значительная экономичность по сравнению с другими типами сооружений; возможность использования в качестве дорожных переездов без дополнительных устройств-

Дальнейшее совершенствование конструкций водосбросов, снижение стоимости капиталовложений, и уменьшение эксплуатационных расходов даст ощутимую экономию материальных и денежных средств, и поэтому проблема гашения энергии в нижнем бьефе низконапорных трубчатых водосбросных сооружений остается актуальной.

В этой связи представляет интерес изучение диссипации избыточной кинетической энергии потока в нижнем бьефе однотрубчато-го водосброса расположенного на канале треугольного сечения и, как следствие из этого, определение длины крепления. .

Канал такой формы выбран потону, что при коэффициенте заложения откосов не более 2/3, имеет наименьший объем выемки,по сравнению с каналами иного ссчекия при одинаковой их пропускной способности. Это обстоятельство может оказаться определявшим для случая прокладки канала в условиях мелкого и среднего фермерского хозяйства, когда строительство осуществляется машинами с малой производительностью. Кроме того, в условиях Алжирской Народной Демократической Республики, строительство мелиоративных систем приходится осуществлять в тяжелых грунтах, когда по экономическим соображениям желательно сводить к минимуму объем выемки.

Цель_и_задачи исследований^ Цель работы заключается в определении длины участка диссипация избыточной энергии потока в нижнем бьефе однотрубчатого водосброса на канале треугольного сечения без применения гасителей энергии и в назначение длины крепления русла.

Для достижения этой цели было необходимо решить следующие задачи:

- провести экспериментальное изучение режимов сопряжения потоков в нижнем бьефе треугольного и трапецеидального сечения

одноочкового трубчатого водосброса при критическом расположении гидравлического прыжка;

- исследовать кинематическую структуру потока с учетом пульсации скорости в пределах участка диссипации энергии в случаях: при бетонной облицовке канала и при каменной наброске;

- определить изменения величины относительного количества движения вдоль потока и значений коррективов живой силы и количества движения (коэффициенты Кариолиса и Буссинеска);

- провести гидродинамические исследования при различных режимах работы водосброса в условиях безсбойного режима сопряжения потока в нижнем бьефе для определения длины необходимого крепления.

Научная новизна: состоит в определении турбулентных характеристик потока в треугольном русле за трубчатым водосбросом при безсбойном сопряжении бьефов; эффективности гашения анергии бурного потока и его размывающих характеристик.

Основными элементами научной новизны проведенного исследования. выносимыми на публичную защиту, являются:

- графики для определения геометрических параметров прыжка в треугольном русле;

- графики для определения относительных значений донных скоростей;

- результаты распределения осредненных пьезометрических напоров вдоль потока;

- данные об изменении коэффициентов кинетической энергии в различных сечениях отводящего канала треугольного сечения за трубчатым водосбросом;

- рекомендации по назначению основных размеров жесткого крепления.

Практическая_ценность работы состоит в том, что результаты исследований и предложенные методы расчета, позволяют обосновать необходимую длину крепления нижнего бьефа за однопро-летным водосбросом трубадтого типа без применения гасителей.

Апробация работы. Результаты исследований и основные положения диссертации докладывались на научно-технической конференции 'московского государственного университета природообу-стройства в 1994 *г., на заседаниях кафедр Комплексного использования водных ресурсов и Гидравлики. По теме диссертации опу-

бликована одна статья.

Реализация_работы. йатериалы проведенных исследований предполагается внедрить в практику проектирования-мелиоративных гидротехнических сооружений РФ и АВДР.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка используемой литературы, насчитывавшего 222 наименований, из них 24 иностранных. Работа изложена на 120 страницах ьашинописного текста, иллюстрирована 86 рисунками, содержит 2 фотографии и 4 таблицы.

В пе£вой_главе диссертации дано описание состояния уровня развития водного хозяйства в Алжире и перспективы развития водохозяйственного строительства в стране при дальнейшем повышении его эффективности и качества, обеспечении долговечности и надежности создаваемых гидротехнических комплексов и в не последнюю очередь сопрягающих сооружений-

В диссертации рассмотрены различные конструкции устройств нижнего бьефа низко- и средненапорных трубчатых сооружений, подробно проанализированы достоинства и недостатки гасяших устройств, в том числе изложенные в работах: В.И.Алтунина, Е.Н.Белоконева, В.И.Гандученко, А.П.Гурьева, А.Т.Кавешникова, Н.Т-Кавешникова, И.М.Константинова, И.А.Малинаускаса, Б.З.Орлова, Н.Н.Пашкова, Е.К-йбковой, А.А.Римкуса, Н.П.Розанова, А.М.Тугай, О.Н.Черных, М.Л.Черенько и других; проведен анализ современного состояния вопроса о прыжковом сопряжении бьефов в треугольном и трапецеидальном руслах по работам: З.В.Еаро-нина, Л.С-Башкирова, З.С.Бегляровой, М.М.Вызго, И.М.Георгиева, А.М.Грабовского, Е.В.Еременко, А.С.Загребина, Г.Ф.Кулика, Л.А. !&шковича, А.С.Мейерова, Г .К .Николаева, А. И-Рахманова, И-Л.Розовского, И.С.Румянцева, К-И.Сеньпмной, М.М.Скиба^ В-А.Степина, А.В.Тычинского, П.К.Цветкова, М.Д. Чертоусова, Г.Я.Швеца, Д.А. Юсупова и др.

При разработке ряда вопросов, связанных с проектированием и расчетным обоснованием концевых частей трубчатых водопропускных сооружений, из-за сложности гидравлических процессов возникающих при сопряжении бьефов, шогообразие форм пространст- ■ венного гидравлического прьжка и неустойчивости самого яяления, возникло значительное число различных подходов.

Несмотря на широкое применение тиубчатых сооружений, экс-

б

периментальное изучение движения потока в нижнем бьефе, непосредственно за водосбросом, в общем виде до сих пор не выполнено, и хотя исследований проведено много, но все они или связаны с определением пропускной способности сооружения при различных режимах работы, или посвящены решению частных вопросов. Выбор типов гасителей избыточной энергии потока и сравнение их меящу собой носит чисто эмпирический характер.

Действительно, расчет движения потока в трапецеидальном и треугольном тэуслах после выхода из трубы представляет собой пространственную задачу, решение которой теоретически пока что не представляется возможным, однако оценить диссипацию избыточной энергии в русле любой формы можно экспериментальным путем.

Изучению диссипации избыточной энергии потока в нижнем бьефе в трапецеидальной и треугольной формы за трубчатым водосбросным сооружением посвяшена гидравлическая часть диссертации.

В потоке с повышенной турбулентностью давление в каждой точке зависит не только от ее геометрического расположения относительно свободной поверхности, но и от величины турбулентного перемешивания в ней, то есть от величины пульсационных составляющих скорости, которые можно характеризовать локальными коррективами количества движения и живой силы. Достаточно знать значения осредненных во времени коррективов, чтобы правильно оценить диссипацию избыточной энергии потока в каждой точке этого сечения.

В заключительной части главы сформулирована цель исследований и поставлены основные задачи, относящиеся к определению длины участка диссипации избыточной энергии потока за трубчатым водосбросом в треугольном и трапецеидальном руслах.

Вторая_глава посвящена теоретическому описанию гидравлических явлений за трубчатым водосбросом и методике по определению длины участка диссипации энергии.

Как и во всех иных случаях главные требования, предъявляемые к участку гашения избыточной энергии потока при сопряжении бьефов за трубой следующие: высокая степень диссипации энергии; необходимый для этого уровень воды в нижнем бьефе; устойчивый процесс гашения энергии при различных расходах; минимальные местные размывы за креплением; малый объем работ по креплению.

В случае симметричного сечения русла относительно оси уравнение пространственного прыжка в треугольном русле запишется в виде

где h' и fi" - сопряженные глубины прыжка; Q - расход; /7 - заложение откосов русла; £> - плотность воды; ^ -ускорение свободного падения.

После вредения в уравнение (I) значение критической глубины fjcp - ' • а^также учитывая, что для треугольного русла " ' то Уравнение (I), приводится к

'Ъ виду

(2)

п . га* Л А" где = ¿к)! > (" ~~р— ~ относительное расширение

потока.

Окончательно, уравнение гидравлического прыжка в симметричном треугольном русле может быть представлено в следующем

виде

---- (3)

Так как при выходе потока из трубы первая сопряженная глубина прыжка неравна диаметру, то для гидравлических расчетов удобнее оперировать с.числом Фруда, отнесенным к потоку

. г V* Ло*

в трубе, то есть =ТрЦТаГ ' дТГЫ* '

Вслед за Д.И.Куминым (для условий прямоугольного русла) и В.В.Барониным (для условий трапецеидального русла), нами, для пространственного прыжка в треугольном русле, была применима методика позволяющая определить измерения осредненных давлений.

Для вывода уравнения рассмотрим два сечения потока в русле треугольной формы, первое из которых находится в зоне с повышенной турбулентностью,то есть непосредственно за выходом из трубы в зоне расположения прыжка, а второе сечение в зоне, где течение потока имеет медленно изменяющийся характер, и применим к этому отсеку жидкости закон количества движения. Пренебрегая силами трения на границах отсека и считая, что

давление во втором сечении распределяется по гидростатическому закону, можно записать

(4)

где - осредненный по времени и сечению корректив количе-

ства движения (коэффициент Буссинеска), учитывающий в каждом сечении не только неравномерное распределение скоростей, но и пульсациснныз возмущения;Р - осредненное по времени давление в каждой точке рассматриваемого живого сечения; иУ - площадь живого сечения; А - глубина воды в сечении. _

Так как решается пространственная задача, то значение должно учитывать неравномерность распределения скоростей по ширине русла в сечениях I и 2, но поскольку нам оно заранее не известно, то уравнение (4) можно решить с точностью до этого распределения.

Интеграл в левой части уравнения (4) следует заменить его приближенным значением

= , (5)

в котором Ь,, - осредненный по о? пьезометрический напор на каждой промерной вертикали

где П - число промерных вертикалей в створе; - глубина на каждой вертикали, Ур--^—* У - пьезометрический напор в любой точке на промерной вертикали- Зависимость (5) есть не что иное, как объем тела давления (рис. 1).

Уравнение (4) приводится к безразмерной форме для чего вводится обозначения У = т;— , = — и ^— ( Лг - глубина в сечении 2 и /г<р - критическая глубина). Так как в треугольном русле {? =\ПЕ§Г , то приникая Ы.0 =/о$ получаем для первого сечения *

Левая часть этого уравнения - является величиной относительного количества движения потока для треугольного тэупла с точ-

ностьп до значений корректива оС.в, учитьгваюаего распределение скоростей в плане обоих сечений. Относительная величина,

зависит от коэффициента заложения откоса т , так как от*нее зависит . критическая глубина.

Поскольку турбулентность потока при удалении от выходного сечения трубы затухает, то и значение относительного количества движения будет уменьшаться вдоль течения, приближаясь к его величине во втором сечении, равной • Погрешность при замене действительного тела давления при глубине Л на гидростатическую эпюру равна

(а)'

Определяя величину ;?* в нескольких створах за водоподающей трубой, мм тем самым получаем изменение относительного количества движения по длине потока ——

В третьей главе диссертации изложены методика экспериментальных исследований.пространственного прыжка; дано описание экспериментальной установки; средств измерений и техники эксперимента. Приводится описание методики обработки результатов, дана оценка точности проведенных измерений в соответствии с теорией ошибок. Обстоятельно показано, что условия проведения и исходные гидравлические параметры опытов обеспечивали диапазон чисел Рейнольдса (26000...28000), что позволяло отнести исследуемое явление к автомодельной области по критерию Яе и считать единственным определяющим критерием для подобия ос-редненного течения - число Фруда. С целью обоснования диапазона применимости предлагаемых рекомендаций по назначению длины крепления рисбермы, гидравлические исследования были выполнены в диапазоне ^ = 3,0...7,0.

Опираясь на эти условия, опоеделялись по общеизвестным зависимостям, необходимые масштабы моделирования (1:20), а также приемлемые размеры экспериментальной установки, адекватные имеющимся возможностям лабораторной базы. Опыты выполнялись на жесткой модели типового одкотрубчатого сооружения при минимальной длине водовыпускной трубы равной 16 диаметрам. Внутренний диаметр трубы из органического стекла, которому относились все линейные размеры, был равен 8 см, толщина стенок трубы -10 мм. Вход в трубу был.выполнен в виде портального оголовка

без затвора.

Перепад между дном верхового и низового каналов был принят равным 2 и 4 диаметрам и поверочные опыты были проведены при нулевом уклоне трубы водосброса.

Подобие моделирования явлений, характеризующихся наличием водоворотных зон, определяется условием^ ¿с/ет , что при соблюдении геометрического подобия требует выполнения условия Д =г ¿фт для натуры и модели. Поэтому опыты по определению длины участка диссипации энергии за одноочховым водосбросом производились в трех лотках. Отводящий лоток первой модели трапецеидального сечения и второй модели треугольного сечения были изготовлены из органического стекла, что в натурных условиях соответствует выполнению поверхности канала из бетона. Для выяснения влияния шероховатости на интенсивность затухания скоростей, на откосы отводящего лотка треугольного сечения третьей модели, наклеивался гравий с поперечным размером 3...5 мм, что в натурных условиях соответствует выполнению канала из каменной наброски. Каналы в обоих бьефах имеля одинаковую форму: ширина по дну - один диаметр; заложение откосов - 1,5; уклон дна каналов - нулевой (рис. 2).

Для проверки расчетных зависимостей, выяснения картины течения потока на рисберме и определения величин скоростей и давлений при различных конструкциях нижнего бьефа и режимов работы, и определения диапазона работы сооружения, в лаборатории Гидросиловых установок МГЛ1 в 1993-1994 гг. автором был проведен классический эксперимент, состоящий из ПО опытов в диапазоне расходов (6...10) л/с.

В процессе исследований, после стабилизации режима осуществлялось фотографирование и выполнение зарисовок наблюдаемых явлений; измерения основных гидравлических параметров, в заранее выбранных мерных гидростворах, с помощью стандартной аппаратуры. Измерение давления воды производилось по глубине и вдоль потока с помощью трубки Пито по показаниям статического отверстия. Измерение расходов производилось при помощи прямоугольного водослива с тонкой стенкой. Измерений пульсаций скоростей течения осуществлялось с помощью специального измерительного комплекса, включающего: однокомпокентный тензорезистор-ный датчик ТДС, тензостанцию ТА-5, шлейфовый осциллограф

Н117/1. Измерение уровней производилось с помощью шпитценмасш-табов и пьезометров.

В целях подтверждения достоверности получаемых результатов была осуществлена оценка точности проводимых измерений. Предельные относительные ошибки измерений были следующими:' глубин -0,3...0,5£; расходов - 0,8...1,0%; давлений - 0,о...1,0^; скоростей - 0,9...3,9°5; пульсаций - 3,0...5,1^. Таким образом величины находятся а приемлемом диапазоне.

В качестве рабочего режима сопряжения был принят режим затопленного прыжка. В случае трубчатого водосброса удобнее оперировать именно с ¿с/ и степень затопления прыжка определять,

В процессе определения длины участка диссипации энергии за водосбросом мы изменяли расход и степень затопления прыжка, в пределах 1,05...1,25. Но для последнего необходимо прежде всего знать величины сопряженных глубин прыжка в случае истечения из трубы. Поэтому исследования начинались с определения глубин в русле при критическом расположении гидравлического прыжка для каждого пропускаемого расхода, когда прыжок начинается непосредственно V выходного сеченил трубы (рис- 2).

В четвертой .главе представлены основные тзезультаты исследований гидравлических условий работы концевой части трубчатого водосброса.

В начальной части главы подробно описаны гидравлические картины движения потока в отводящем русле треугольного сечения. Надвинутый прыжок в треугольном канале характеризуется значительной птюстранственностью. В пространственном прыжке в треугольном русле можно выделить четыре зоны течения: первая зона - область пристенной струи; вторая - область вальца; третья - область боковых возвратных течений и четвертая - волновая (рис. 3). Результаты измерения осредненных отметок свободной поверхности в поперечных сечениях потока по длине канала показывают, что она характеризуется наличием обратного уклона в продольном направлении и от бортов к центру.

На рис. 4 представлены гтзвфики зависимости безсазмерного отношения в функции от числа Я*- при г-: = 1,5 и

Р * 2с1 для различных режимов сопряжения при различном подтоп-

лении в треугольном и трапецеидальном руслах. На основания экспериментальных данных можно заключить, что относительная глубина нижнего бьефа является функцией ряда переменных: т , Р , •? • Ргс и формы русла.

С уменьшением ^ при = сощ£ относительная глубина ^■/с/ уменьшается как а треугольном, так и в трапецеидальном руслах. Однако видно, что кривые ^(^ , полученные в наших опытах для треугольного русла расположились выше кривых т> Р) для трапецеидального

русла, так как поток в треугольном русле имел меньшую возможность растекания.

Вопрос о длине гидравлического прыжка в треугольном и трапецеидальном руслах, как в любом другом, имеет важное практическое значение, поскольку от длины гидравлического прыжка зависят продольные размеры водобойной части сооружений и размеры рисбермы. На основании обработки данных эксперимента получены кривые /с/ в функции числа Фруда /ле (рис. 5). На основании этих данных можно сделать вывод, что с увеличением параметра кинетичности отношение длины гидравлического прыжка к диаметру водосброса увеличивается. Кроме того, длина прыжка зависит от степени затопления и ширины нижнего бьефа.

Для оценки опытного определения длины гидравлического прыжка в трапецеидальном и треугольном руслах в диссертации было выполнено (в табличной форме) сравнение результатов экспериментов с результатами вычислений по некоторым имеющимся форкулам. Особенно точно отведают опытным данным для трапецеидального русла - рекомендации М.С.Вызго, Н.Г.Николаева, И-С.Румянцева и Д.А.Юсупова; для треугольного русла - зависимости А.С.Мейе-ра и М.М.Скиба.

При проектировании конструкций нижнего бьефа за водовыпускными сооружениями необходимо знание поля скоростей в пределах водобоя и на рисберме.

Рассмотрение кинематической структуры потока позволило нам установить нижеследующее.

Характер распределения скоростей был одинаковый для всех форм русла и режимов работы водовыпуска. Наиболее интенсивное гашение скоростей происходит при подтоплении пространственного прыжка в 1,25, то есть при увеличении глубины воды в канале на

В этом случае значения скоростей уменьшаются е 1,3 раза по срзвнению с потоком при / «■! и длины участка выравнивания сокращается на 35^ Значение- этих скоростей не зависит от ширины потока в плане, и чисэл Фруда в начальном сечении. Число Фруда при выходе из трубы не оказывает существенного влияния на характер изменения скоростей по длине растекания транзитной струи. "

Данные, которые позволили бы найти подход к прогнозу величин придонных скоростей в различных продольных гидростворах, влияющих на величину размыва, представлены в.диссертации в виде графиков > ' Значения монотонно убывают от сечения гг до сечения, где х* 30с1 при всех значениях / и --¡¡Г (рис. 6). , .

Другим примером обработки полученных опытных данных являются кривые представленные на рис. 7. Эти графики позволяют наглядно увидеть как трансформируется пбле скоростей по длине треугольного и трапецеидального кана-лсй в случае различных вариантов подтопления. Здесь, как и в предыдущем случав, ход кривых имеет однотипный характер: при всех значениях Л-е и / кривые монотонно убывают. По мере увеличения глубины в нижнем бьефе во всех экспериментах наблюдалось уменьшение максимальных значений осредаенных скоростей. Дальнейшее подтопление нижнего бьефа нецелесообразно вследствие незначительного влияния на распределение скоростей течения.

Привеценныэ'все эпюры я графики не являются полной характеристикой потока, поэтому на рис. 8 представлены результаты исследований в виде изотах, позволяющие определить динамический нагрузки на плиты концевого участка, так .как дают полную инфоршцию, необходимую для расчета нижнего бьефа. Во всех опытах наблюдалась симметрия распределения скоростей относительно геометрической оси русла. Представленные изотахи еще раз подтвердили, что происходит изменение структуры потока от донного, с явно выраженным центральным ядром течения, к поверхностному. Таким образом,от сечения к сечению происходит изменение эпюр скоростей и в последнем створе изотахи имеют форму, соответствующую распределению скоростей при равномерном режиме.

"Анализ зависимостей изменения относительных значений сред-

них на вертикали скоростей вдоль оси потока в треугольной рисберме с искусственной шероховатостью позволяет отметить, что / ^в интенсивнее уменьшаются по ялике, чем в русле без нее, причем длина затухания сокращается на ISS.

На рис. 9 показано распределение давления нй дно отводящего какала треугольного сечения, как для гладкого русла, так и для шероховатого. Для сравнения в диссертации представлены рисунки с распределением давления на дно отводятего канала трапецеидального сечения.

Для построения эпюры давления Р (я, yj необходимо из вершины каждой кривой Ур -Jfe, У, f) провести под углом 45° прямую линию сверху шиз налево до пересечения ее с плоскостью сравнения (поверхность водобоя).

Как видно из приведенных кривых f) распреде-

ление давлений по вертикали отличается от гидростатического закона в створах, расположенных на расстоянии не более 14...20 диаметров трубы, считая от ее выходного сечения. Это наблюдалось при обоих перепадах в пределах центральной шстк потока.

На расстоянии от 20<^ао 32 d эпюры давлений очень быстро стремятся к гидростатическое закону распределения-

При рассмотрении кривых пьезометрических напоров для русла с искусственной шероховатостью в сечениях 14et и 20 ^ эпюры имеют резко извилистый характер тогда как s сечениях 26г/ и 32cfдовольно плавное очертание.

В точках сопряжения дна с откосом распределение давлений близко к гидростатическому. Давление тем больше отличается от гидростатического на удастке гашения энергии, чем больше критерий бурности, то есть с увеличением растет степень турбулентности потока. Затопление прыжка не способствует выравниванию эпюры давлений, но даже наоборот, возмущения, отклоняющие давление от гидростатического закона, распределяются на больную область потока в центральной части, что связано с более активным растеканием выходяшей из трубы струи.

Наибольшее влияние на изменение величины относительного количества движения вдоль канала оказывает перепад между канала»«, тогда как расход влияет на эту энергетическую характеристику незначительно (pic. 10). При большом перепаде поток в нижнем бьефе обладает большей энергией, но и ее диссипация

вдоль пути происходит белее интенсивно. При перепаде для треугольного русла затухание производимых прииском возцу-щений наступает не ближе 35 критических глубин от выходного сечения, тогда как при перепаде этот участок равен

около - сокращение перепада в два раза уменьшило длину

участка диссипации анергии всего на 10%. Как видно из полученных результатов пропускаемой через трубу расход оказывает незначительное влияние на величину относительного количества движения, в наших условиях увеличение расхода более чем в два раза повышает а каждом створе°Ч// на 10. ..135. Это наблюдается для прыжка при его затоплении $ = , а при затоплении до 1,25 при том же увеличении расхода возрастает все-

го на 5..ЛОЖ, причем больший рост наблюдается в створах 14с1, что вполне естественно.

В работе представлены графики изменения корректива кинетической энергии вдоль отводящего канала, в зависимости от относительной длины сопрягающего сооружения. Полученные опыт./ ным путем с помощью изотах и формулы /игVя

коррективы кинетической энергии убывают вдоль потока быстро. Сравнение величин в зоне створа 14 ^ и в зоне 32 ^показывает, что непосредственно в конце прыжка» 1,4...1,8 и в зоне равномерного движения** " 1,05...1,15.

Сравнение коррективов количества движения, полученных по эпюрам скоростей (рис. II). и значения корректива , определяемого из величин ***/¥* показывает, что при удаления от выходного сечения трубы для ьвлых затоплений больше, чем для значительных затоплений, поскольку при малых _ турбулентные возмущения распространяются на большее расстояние одновременно теряя частоту.

В диссертационной работе представлены опытные точки в координатах Д.И.Кумина, полученные после обработки данных экспериментальных исследований для треугольного русла. Из анализа видно, что основная масса опытных точек лежит между значениями « равными 0,26...0,4.

С увеличением значения ~ У,) до +10 наблюдает-

ся разброс экспериментальных точек и значительное уменьшение значения ыо/У от 0,7 до 0,3. Кривая зависимости - = ~ ? $ приближается к прямой линии при

значениях'д^ (у'^рт +15 до +2э. На основании полученных

данных можно .сделать предположение о существовании двух зон потока с различной турбулентностью на послепшжковом участке. Первая зона располагается на участке (20. ..26) от конца

прьяка. Состояние потока здесь определяется значительной неравномерностью. За этим участком начинается выравнивание скоростей. ,

Для объективной оценки истинности всех приведенных расчетов были подсчитаны удельные энергии для двУх сечений в нача -ле и в конце прыжка,относительно плоскости сравнения, проходящей на уровне дна отводящего канала как для треугольного, так и трапецеидального сечений.

В .диссертации представлены графики и таблицы со ¡значениями удельной энергии и потерь напора.

Для окончательного назначения, длины крепления русла определялось изменение пульсационных характеристик скорости вдоль потока, в зависимости от пропускаемого через водосброс расхода, степени затопления пракка и величины перепада между дном верхового и низового каналов-.

Прежде всего рассматривалось изменение среднеквадратичных значений пульсационной компоненты продольной скорости вдоль потока (рис. 12).

Полученные значения (э^У "в придонном; слое показывают', что уже на расстоянии (15...20) от выходного сечения трубы величина приобретает практически постоянное значение,

не изменявшееся далее вдоль потока; Эта величина увеличивается по мере возрастания бурности потока и равняется приблизительно - 0,075 для величины Л-е * 3 и <ЭГ^и> * 0,09 при Ль * 5.

По мере затопления прыжка в придонной области наблюдается возрастание величины > которая может быть учтена коэффициентом 0,1 (]£ - I) увеличивающем значение при критическом положении прыжка (рис- 13).

Изучение пульсационных составляющих мгновенных скоростей . потока в нижнем бьефе трубчатого водосброса показало, что их среднеквадратичные значения в придонной области приобретают величины не превышающие '^¿¿р * - $ т рассто-

янии не менее 20 ЬКр от выходного сечения трубы. Наибольшая актуальная скорость у дна таким образом может быть принята в

соответствии с распределением Гаусса - 1.3 .

В пятой главе диссертации рассмотрены рекомендации по расчету длины крепления и по проектированию отводящих русел трапецеидального и треугольного сечений за однотрубчатым водосбросом.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

Основные результаты проведенных исследований могут быть сформулированы следующим образом.

1. Длина участка диссипации избыточной кинетической энергии потока, определенная по характеру изменения относительного количества движения вдоль течения, выходящего из трубы длиной не менее 15 диаметров в канале треугольного [Ж = 1,5) или трапецеидального ( = <£ и = 1,5)сечения при условии, что труба работает полным сечением и прьисок находится в критическом положении, то есть начинается непосредственно у низового сечения трубы, равняется (40^*/>) при геометрическом перепаде между дном каналов Р = 2о^и (45...50) Ьгр при

Р ~ 4Л", то есть двойное увеличение перепада увеличивает длину участка диссипации энергии приблизительно на (15.. -20)3!. Это показывает, что большая кинетичность входящего в нижний бьеф потока способствует его более активному перемешиванию, что ведет к быстрому распаду вихрей и активному затуханию пульсаций.

2. Затопление прыжка в руслах обоих форм в пределах & = 1,05...1,25 сокращает длину участка диссипации энергии на (35...40)^ против указанной выше.

3. Длина прыжка в критическом состоянии при напорном равномерном режиме работы трубы составляет нэ менее (6—7) ее диаметров.

4. Среднеквадратичные значения пульсационных составляющих продольной скорости потока в придонной области потока изменялись от <3(и) = О,/4 в К0Кце прыжка до 6(и) = 0,9

на в треугольном русле при /л, -• Влияние

пульсации скорости на размывающую способность потока для этих же условий увеличивает ее не более чем на 21?.

5. Длину крепления русла за трубой для русел обоих форм следует назначать не менээ половины длины участка диссипации энергии при кштическом положении прыжка, то епть (20...25)^,

считая по наибольшему пропускному расходу при работе трубы полным сечением.

6. Перепад между каналами и глубины воды в бьефах следует назначать по условию невозможности образования вихревых шнуров на входе в трубу и сбойного течения на выходе из нее, так как эти явления уменьшают пропускную способность трубы, изменяют режим работы сооружения в целом и способствуют образованию разрушительных дефорьсаций в руслах около перепада.

4

»

¡1р«г

Рис. I. Тело давления в сечении I и распределение давления на промерных вертикалях

Рис. 2. Критическое положение прыжка за трубцэтым водосбросом

Рис- 3. Выделение зон течения в пространственном прыжке треугольного русла

^ ' Ь'/с1 т т-и ; Р* гЫ

3

А^г при /П*15; Р^

Рис. 4. Расчетные графики для определения глубины на рисберме гладкого треугольного и трапецеидального русел от чисел Фруда в сжатом сечении и коэффициентов затопления

Рис. 5. Графики зависимости Л//У длины прькка от чисел Фруда в сжатом сечении, от геометрических параметров русла какала для различных значении коэффициентов затопления

: ч и (•/к

ч<> ___

—1—

Рис. 6. Графики изменения относительных донных скоростей вдоль оси потока для различных чисел »руда в сжатом сечении и коэффициентом аптоппения

"Я".

ОН)

ли-

сп

О./)

Х/Ы

'М

ш ■

х/ы.

Рис. 7. Графики изменения относительных максишльных скоростей вдоль оси потока для различных чисел Фруда и коэффициента затопления

7- 3- #

\>" > г' ' и**"!

/-V

Р

АО

га

ъ

го

А«*

П

Е

г:

л»

IV

£гЕ

X

км

I»

2.

г

г

г:

гея Л» Н'

Л

V « в

к

г

гЗЕ

I

3

/

2

л

*»

л/

№

■ Яг

№

«1 л*

Л! л.'

41V?

и.

г

■с

V?

г <»

% 5"

N •

V • •

А

.. у/Ъи

/_ ММ

Т.

-71"*:

/ ги

/ I»

2

г

п.» /г»

ПО

л»

я*

Й1С. 9. Изменение осредненного давления вдоль потока на его оси и влияние прика на распределение давлений по глубине потоха при гладкой и шероховатой руслах треугольного сечения при Рг = 7,0 и Р" 2а

3.

TS«

o,S-o.k ал

0,3-о. i о

J "

•

. „I...... II

M

US

il*

OA о

P. id: T'/.'t

-1- i

lO / * J о J в г

ь

н

Рис. 10. Графики для определения длины участка диссипации энергии в треугольном русле при^омаррическомпперепаде между каналами

О

г* 90 ге А?

о* 1» т

¿.О /,-М /Л /.«

го 179 /м Об /./о

х/</

12

/л гс гл «

м са О* хо* ¿01

т о* /.9* 1»

7.0 № СП {.Об ш

\ х/сС

Рис. II. Графики изменения коэффициентов Кариолиса < и Буссинеска оС„ вдоль рисбермы треугольного сечения при ? = Zd

«4

це цю

ЦС1

ам во*

• % « лг«г» /•иг«

АА* Р'Ы /»Л

* Л* л * «в т т

С /о хо /о о * + X

/

■__4

л - -р«

!г

О л 0 о -» в

Рис. 12. Графики изменения ^"Уи^ вдоль потока при предельном состоянии прыжка в треуго£ьном7Р£сле2при ^ ^05

Рис. 13. График изменения ^/¿^

от коэффициента затопления при % = 7,0, *М = 20