автореферат диссертации по строительству, 05.23.16, диссертация на тему:Гидравлические расчеты концевых частей водопропускных гидротехнических сооружений с циркуляционными камерами

£ЛЗВ!СШ'С!ГКО СШШ2ШГО ХОЗЯЙСТВА ГСССИЙСИОЯ СХДМРЛШШ

гюсхспсшгЯ пигтьашисрлтггшшй шютггут

На щншаз рукшшш

АБДЕССЕТАР КАСЕР

ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ КОНЦЕВЫХ ЧАСТЕЙ . ВОДОПРОПУСКНЫХ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ С Ш1РКУЛЯШ01ШЫМИ 1САМЕРАМИ

Специальность 05-23.16 - Гидравлика н инженерная гидрология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА 1994

Работа в иголке нд на кафедре Комплексного ксподьзовшшл водных ресурсов Ьосковцкого гидромелиоративного института.

Научные руководители :юадлдат техкмчзсюа ндук.доцэн* 3.С.Беглярова; кандидат тэх>шдасю!х наун.старшЯ научный сотрудник А.П.Гурьев.

Социальные оппоненты: доктор Ти»а;чзскхз кг$'к,прс*ес-сор В.А.Е|1воговск)<Л; кандидат технических наук,стар&ий научнъй

сотру аник Л.Г.?>'йкова.

Ьздучал организация - ВОДГиЫ вд.А.Н.Костикова

«

Зац.(т& состоится £1 марта 1994г. > 10 часов «а заседания Специализированного Совета К 120.16.01 по ааащте диссертация на соискание ученой степени кандидате, технических наук в к>сково-коу гидромелиоративном институте по адрвау: I ¿7550, Ьоагва,Ц-550, ул.Г1ртшвникова,А.19,^кН,ауд. Р £01.

С диссертацией мовно ознакомиться в библиотека Ьосково-кого гидромелиоративного института.

Азторефэрат разослан 1994г.

Учений секретарь специализированного совета Ь 120.16.01

к. т.н. .доцэнг С.Е.Кузъшш

Введение.

Актуальность. Реализация программы комплексного использования водных ресурсов и освоения новых земель в Алжирской Ьарод-ной Демократической Республике сопряжена со строительством низконапорных и средненапорных гидроузлов,включающих в свой состав водосбросные сооружения различной пропускной способности.Стоимость последних достигает общей стоимости гидроузла. -

Вместе 0 тем следует отметить,что в Алжире наличие плодородных земель приурочено к речным долинам,сша ке страна довольно гористая и на гидротехнических системах требуется устройство большого количества перепадов со значительными удельными расходами, которые надо сопрягать с широкими каналами { «2...5).

Для безаварийной работы таких сооружений важно иметь рационально запроектированные и выполненные конструкции нижнего бьефа, обеспечивающие благоприятный режим сопряжения потоков,предотвращая при..а том сбойность пространственных течений при маневрировании затворами¡эффективное гашение энергии потока и недопущение опасных местных размывов и,воспринимающие большие нагрузки от потока. Б настоящее время предложен ряд конструктивных решений,обеспечивающих гашение энергии сбросного потока в нижнем бьефе водосбросных сооружений с помощью колодцев призматического и непризматического сечения и с применением различных типов гасителей энергии.

Эффективного гашения энергии потока на сравнительно ( с традиционной схемой) коротком участке можно добиться за счет создания в колодце циркуляционных течений.

Дня условий сопряжения бьефов при расширениях р' *2.,.Б представляет интерес конструкция,предложенная в Ш "Совинтервод" ( авторское свидетельство Й> 1341326).Ь разработанной конструкции используется энергогасящий эффект закрутки потока.Одновременно осуществляется и гашение и расширение.Для адаптации предложенной разработки к условиям сбросных сооружений средне- и низконапорных гидроузлов при расширениях $ >2 необходимо исследование,позволяющее качественно и количественно описать явления,происходящие при сопряжении потоков.

Цель и задачи исследований. Цель работы заключалась в разработке,на основании результатов модельных гидравлических исследований конструкций и методов расчетного обоснования водобойнш колодцев с использованием циркуляционных течений,обеспечивающих гашение, энергии потока при благоприятных кавитационных и динами-

ческих условиях в пределах водобойного колодца и на участке рисбермы.

Для достижения поставленной цели было необходимо решить следущие задачи:

-разработать теоретические основы и методы расчета основных параметров потока в рассматриваемой конструкции;

-провести экспериментальное изучение работы водобойного колодца в условиях пространственной задачи .определить гидравлические характеристики гасителя и обосновать условие его использования;

-выполнить исследования кинематической структуры потока в пределах сооружения;

-провести гидродинамические исследования при различных режимах работы колодца;

-на основании проведенных исследований предложить методы инженерного расчета гидравлических параметров водобойного колодца с циркуляционной камерой.

Научная новизна. В диссертации экспериментально исследован водобойный колодец с циркуляционными течениями.Основными элементами научной новизны проведенного исследования, выносимши на публичную защиту1,являются:

-экспериментальные графики для определения относительных и абсолютных значений осредненных и донных скоростей в ' пределах водобойного колодца и на рисберме;

-результаты экспериментальной оценки эффективности гашения избыточной энергии потока, сбрасьшаеиого-через водопропускные со-орукения с концевым гасителем б виде новой конструкции водобойного колодца ^циркуляционными течениями;

-данные об изменении коэффициентов кинетической энергии потока на участке рисбермы;

-результаты экспериментального изучения закономерностей распределения осредненных характеристик силового воздействии потока в пределах'гасителя.

фактическая ценность работы состоит в том, что ре-оультаты экспериментальных испытаний модели,выполненные конструк-тиниш' ¡азработки и предложенные методы расчета позволяют обосно-IV.71- еоемсйность использования предложенного водобойного колодца для низко- и средненапорных гидроузлов.

Ап;:обацик работы. Результаты исследований и основ-

мые положения диссертации докладьшались на. научно-технической конференции Ьосковского гидромелиоративного института в 1993г., на заседаниях кафедр Комплексного использования водных ресурсов и Гидравлики.По теме диссертации опубликовала одна статья в сборнике научных трудов "Гидропроекта" вып.1Ь9Л

Реализация работу. Ьатериалы проведенных исследований предполагается внедрить в практику проектирования мелиоративных гидротехнических < сооружений РФ и АНДР.1 .

Объем ьаботц..Диссертация состоит из введения, глав,выводов,списка используемой литературы,насчитывающего наименований,из них 23 иностранных и 5 приложений.Работа изло-аена на 158 страницах машинописного текста.илльутрирована Ü4 рисунками, содержит 12 фотографий и б таблиц,

В пеьзой главе диссертации дано описание состояния уровня развития национальной гидроэнергетики,мелиорации и других отраслей водного хозяйства.

Совокупность климатических особенностей способствовала формированию в Алжире гидрографической сети,характеризуемой резкой неравномерностью стока с весьма большими всплесками паводков,превосходящих нормальное значение стока в 100 и даже 1000 раз.

В стране уделяется большое внимание созданию ис-куственных водохранилищ и развитию водохозяйственного строительства при дальнейшем повышении его эффективности и качества,обеспечении долговечности и надежности создаваемых гидромелиоративных и гидротехнических комплексов и не в последнюю очередь сопрягающих сооружений.

Во второй главе диссертации рассмотрены различные конструкции устройств' нижнего бьефа низко- и средненапорньк гидротехнических сооружений,подробно проанализированы достоинства и недостатки гасящих устройств,в том числе изложенные в работах Н.П.Розанова,Н,Т.Кавешникова,В. И. Крупнова,B.C.Чеханатского и др.; проведен анализ современного состояния вопроса о прыжковом сопряжении бьефов в непризматическом русле по работам Ь). 3. Абрамова,В. Воронина, Э. С. Бегляровой.Н.Н.Беляшевского.Ф. Г.Гунь-ко, 3?. И. Игнатенко ,Е. Л. Замарина, И. Е. Козырь ,Д. И. Ьумина,к А. каале-ва,Ф.И.Пикалова,А.П.Рахманова,1й.1а.Скибы1Г1.К.Дветкова,И.А. Шерен-кова и др.

Сложность гидравлических процессов,возникающих

- л -

в пространственном гидравлическом прыжке,пульсирующий и неустойчивый характер самого явления,создают большие трудности для исследователей как при разработке общей теории,так и при экспериментальном изучении механизма гидравлического прыжка и причин рассеивания энергии.

Ь настоящее время прослеживается тенденция к применению способов гашения энергии в нижнем бьефе низко- и средне-напорных водосбросных сооружений с помощью водобойного колодца с использованием закрученных потоков и циркуляционных течений. Эта идея наша отражение в конструктивных решениях В/0"Союзвод-проект" (Ы. Ш.карголин и др.),ЫГШ (Н.Г.Зубкова и др.) ,00 "Союз-интервод" (А.П.Гурьев,Г.З.Зленсон и др.).

Применительно к высоконапорным водосбросным сооружениям эта идея нашла отражение в работах В.В.Волшаника.Р.С. Гальперина,Б.А.Животовского,Г. И. Кривченко,И.Е.Михайлова,Н.Н.Ро-зановой,М.Э.Факторовича,Г.А.Чепайкина и др.

Наличие циркуляционных течений в пределах водобойного колодца позволяет погасить избыточную энергию потока на более коротком участке по сравнению с традиционными решениями и обеспечить значительное'плановое растекание потока без дополнительных противосбойных элементов.

И заключительной части главы сформулирована цель исследований и поставлены основные задачи,относящиеся к обоснованию возможности и целесообразности использования водобойных колодцев с циркуляционной камерой в практике гидротехнического строительства.

Третья глава посвящена разработке конструкции водобойного колодца с циркуляционной камерой и теоретическому описанию гидравлических явлений в ней.

Предлагаемый вариант водобоя с гасителем показан на рис.1. Устройство состоит из водобойного колОдца I,расположенного мезду подводящим водоводом 4 с вертикальными стенками 5 и ' отводящим водоводом 6. Водобойный колодец I снабжен вертикальны-, ми боковыми стенками 2,параллельными продольной оси 9 устройства, порогомЗ,ограниченными стенками 7 и торцевыми вертикальными стенками 10',установленными между боковыми стенками 2 колодца и боковыми стенками 5 подводящего водовода.Внутренние грани 8 ограничительных стенок 7 совпадают с внутренними гранями стенок 5; В пороге 3 выполнены две,симметричные относительно продольной оси 9,

циркуляционные к&мери (ниши) 11 с ребром 1с,имеющие в плане фор-*,ty полукруга с выпуклостьи, обращенной в сторону отводящего водовода 6.

Гашение энергии,входящего в колодец потока, начинается уже в зоне примыкания быстротока к колодцу,где формируется валец с горизонтальной осью вращения,аналог, чшй вальцу в обычном призматическом водобойном колодце с наклонным дном.

/1эльше .поток движется с расширением в вертикальной плоскости вдоль направляющих стенок к циркуляционным камерам в пороге,где разделяется на две части.

Циркуляционной камерой каждая половина потока разворачивается на 180 и направляется в сто, oiy торцевых стенок колодца.При движении в циркуляционной камере за счет развития центробежных сил происходит трансформация скоростного ннно|а потока в гидродинамическое давление с резким падением скорости и расширением потока в плане и в вертикальной плоскости.При движении потока после циркуляционной камеры осуществляется дальнейшее пространственное расширение потока с уменьшением его кинетической энергии.При этом формируется пространственный поток,направленный к торцевой стенке водобойного колодца,на которой происходит растекание потока как в вертикальной плоскости,так и в горизонтальной по направлению к продольной боковой стенке и к входному сечению колодца,

сщесь формируется вторичное течение в сторону выходного сечения колодца и образуются две i ^цоворотные зоны по бокам указанного возвратного течения.

Наличие таких палений в коло,аде делает неправомерным использование для расчета гидравлических параметров прьика известных теоретических и экспериментальных зависимостей.Это потребовало разработки теоретических основ расчета водобойных колодцев предлагаемой конструкции.

При выводе расчетных зависимостей рассматривалось движение потока воды с поворотом в горизонтальной плоскости в камере.открытой со стороны входа в него потока,При этом'полагалось, что высота камеры равна глубине потока во входном сечении, поворот потока осуществляется на 180 , a cow вход выполняется безударным,то есть касательная плоскость к криволинейной стенке канала совпадает с осевой вертикальной плоскостью потока.Принятая схема потока в горизонтальном разрезе показана на рис.2.1фед-

полагается решение поставленной задачи методом фрагментов.

При выводе у равнений, определяющие характеристики потока ( b,V, -ft ) в промежуточных сечениях между входнш сечением ( fu, ) и выходным сечением ( bniis «61««, Vtes, fitac ) камеры,скорости на вертикали приняты постояннши,потери енергии на трение не учитываются.

Рассмотрено нормальное к линиям тока (без учета сходимости линии тока) промел^ точное сечение потока I-I.

Полная удельная энергия жидкости в элементарной струйке не, висото Z от плоскости сравнения ( дна какзри) равна полной удельной энергии потока на входе в камеру:

7 * —— + - а I ♦ ^ • ( I )

1 J>& ht Л В

Давление P/j>g складывается из гидростатической

составляющей

( A -z ) и составляющей центробежного давления -Hf.

Если принять, следу я В. Б. Смыслову изменение irpii— виз1ш линий тока по линейному.закону от 22 Р» —j.— на внутренней поверхности потоке до 52« • на вертикальной стонкс гажорц. Шмшое давление центробежных сил на внешней границе криволинейного потоке шириной Ь от внутренней поверхности в плоскости кривизны рашо:

Подставив (2) с (1),получии:

Продифференцируя выражение (3) по X и после преобразований,определим закон изменения этой скорости U. :

Ц» * i & у1 • <4>

С- -{■ Т7ГГЬУ

Распределение расхода Q по ширине потока в ка-ибре,используя уравнение неразрывности потока и с учетом зависимости (4), и К*В определяется из выражения:

Q-va/exp-if(5)

Интеграл,входяций в формулу (5) в едементориьк ■^акциях не берется и решается численным способом.

Lojcho считать,что на внутренней поверхности потоки энергия всех струек равна энергии потока на входе в камеру ■i. tbCoiu кафиры Atai. .В этом случае величина Vk »coast

по длина потока в камере и равна удельному расходу на входе, а интеграл,входящий з (5) рааен во всех лсивьос сечениях потока ширине потока 5» на входе,а именно:

Дчя получения системы уравнений,связывающих неизвестные величины: радиус внутренней поверхности потока г и его я.'ирииу 6 ,при известном значении радиуса закругления камера # , мозно воспользоваться зависимостью (2)»подставив з лее значения мэстной скорости и ио (4).Тогда,п^и к« 8 давление на вертикальной стенке камеры определится из:

, , - ( 7 )

С физической точки зрения камеры работает аналогично хомцу активной турбины.Конструктивное отличие состоит ь том,ч". и э камера входящая струя т-,еет две дополнительные ограничивающие поверхности в виде пола и потолка.

Кривизна 32*£ внутренней поверхности потока меняется следующим образом.Шток на подходе к камере в плане имеет ядоснопараллельное движение с кривизной боковой поверхности равной нулю.После входа в камеру под действием кривизны стенки каморы струя начинает искривляться,достигая максимального значения,поело которого по мере приближения к выходному сечению струя распрямляется и ез кривизна снова приближается к нули.Такой характер изменения кривизны описывается уравнением:

с • ( а )

1

К

И качества независимой переменной X э (0) принят угол позорота радиуса - вектора кривизны Г относительно плоскости входного сечения.С учетом вышесказанного обозначим через угол поворота сечения, при котором кривизна шеет максимум. Этому условию соответствует равенство ну л» первой лроиээодноЯ (8).

Откуда :

Приняв,что максимальная кривизна тэх внутренней боковой поверхности потока в камере колеблется около значения Z в

сечении под углом ¥/>т*х '0,25Т относительно входного сечения с учетом (9) вместо уравнения (8),получим:

Яг» &*Р Цл. «*>} ( 10 )

Таким образов,в уравнении (10) имеется два коэффициента: К. и оС ,для определения которых необходимо иметь два граничных условия.В качестве первого условия было принято Аг я 2 при \Р »0,25 ,что дает первое уравнение системы.Второе уравнение получено из условия,что кривая,описывающая в плане боковую поверхность потока в камере монотонна в пределах О < < ЭГ >Чт0 тоже от О ^ 4Ы 1 .вследствие чего ее полная проекция на входное сечение камеры имеет величину ( 2Я- 6. - Вт»* ).

С учетом (10) и после преобразований бьша получена система двух уравнений:

Г 0,25 . -

к е*

( II )

>¿»-.¿(¿4-84(11)

Подставляя из (II) значение К. в (12),прологари$ыи-[овав полученное уравнение и после упрощений,получим:

оС« - ом

131

Уравнение (13) решается методом последовательных приближений для фиксированных значений В та* • "

Приняв линейное изменение ширины промежуточных сечен»?? потока от В, до Атак «получаем:

В- - (14)

Для определения значения относительной ширины пото ка Вгозз * на выходе из камеры необходимо преобразовать

зависимость (6),вццелив выражение интеграла У и учитывал (13) и (14);

(15 5

Используя зависимости (13) и (14) запишем оконча-

голыша эырязэмш для расчета скоростей и центробемюго давления знутри потока м на криволинейную стенку камеры соответственно из (2),М) и (7):

it • V«p (~[í » 0.Ы& ?(Ьгг* - У)] (а-X) ( 1б)

^[i-expff 17 ,

2ш [j.^p/.fj^íS^^-ijJf^f^ >Лсг]|' ( 13 ) р § 2 ? [ I, * J.

_ Ровив методам шдбора урашкшиэ (16) окюсигт-

по ,по загпс^оста (16) моги о построить ашоры скоростзЯ г.о

аарщз рото:«,по зазиоямоста (17) onajiy ■ uo!iTpc<5a:r¡!oro даи.?ьн!1Л,а по зависимости (10) опюру дапдкгля на крз о л и j: с : ty jü стенку каморм.

'Ьимсмака н-зтодг.:и под&тка еттзрр^л з эазиви-нсета (lb) для оначзннЯ ücr 0Q,ö ; 0,667 я 0,571 пум скаггазшях 5¡rn-r э 1,1 i 1,2 ;l,3 j 1,4 ¡I,b ¡i,ö ><яя -'"ДП.ого 2>г?л-::!::л Пая я для гагдого из огя сс»;зешЯ йа я ¿е» дад вяга fttstt яра аиэкгшгх X 0,4 $0,8 i 0,8 я 1,6.

lía рис. 9 . пргеэдгао э кжэзжгэ пргг-эуа грэф'-Ч50КС0 ИЗОфлгЗЖЯ ^i'^/jf^'K'^ ДЗЯ 5.—* »1,2 И 3 Я з

1,5 S» э сз-зшш '/» ,

р-угзга гхсрозззЯ я давла-

глЛ з аедебейгого ггелодег» капасаиа та алго-

ртагсзваа гс«» я2гЛзаз" а ргагззегака ::а пзреетгэлм'см 1 Mä-

? /:>тлт.

: дассэртш аздезана кэтодаха

зкопзрйзятаг^аа зсдодокздЯ лросзргистаекного npiaota; даю овземга» эйвпврсазиазьяоЗ уотзяоэам и йоделей ффцгляцшвпк ita-иер с различили радиусами кривизны и хонфигурздзЛ с учетом тох-пологлн их зозеедения;средств мездрений а гегшикя- эгсспэрякзнта. Пригодятся описание '«згтодияа обработки результатов на 0Б,\1,дшш оценка точности проседааяа изгдерсмиЯ з соответствии о теорией озйбоя.Обстоятельно показано,что условия проведения и исходные гидравли'зеехко параметры опытоз^ойеспечитли диапазон чисел Рзй-нольдса 0,'Ш х 10^. ,.1,26 10° ,что позволяло отнести исследуемое явление к аотсуоделънсЯ области по критерии Яг и считать единственным определяицим ярите; кем- - число Фруда - для подобия

осредненного течения.Опираясь на эти условия бьши определены по общеизвестным зависимостям необходимые масштабы моделирования,а также приемлемые размеры экспериментальной установки,адекватные имеющимся возможностям лабораторной базы.Модельная установка представляла собой замкнутую зодооборотную систему,в голове которой был установлен напорный бак,в котором размещен слив,предупреждающий переполнение напорного бака, и регулятор> расхода в модели. Из водоприемника через камеру затворов по быстротоку ( С6* ■ 236 см, б* = 20 см, I = 0,2 ) с вертикальными стенками,вода поступала в водобойный колодец,начальной шириной 20 см и конечной-100 см.К водобойному колодцу примыкал отводящий канал с коэффициентом заложения откосов т » 0 и с нулевым уклоном дна ( » 100 см, ■ 500 см), в конце которого был установлен регулятор уровня воды.Из модели вода поступает через успокоительные решетки к мерному прямоугольному водосливу.

При масштабе моделирования 1:40 параметры изучаемой модели соответствовали водосбросному сооружению с перепадом 6...24 м.Расходы на модели изменялись в пределах от 5 до 15 л/с, чему при указанном масштабе; моделирования соответствовали расходы от 9 до 50 м3/с.

Дяя проверки расчетных зависимостей.выяснения картины течения потока в колодце и определения величин скоростей и давлений при различных конструкциях нижнего бьефа и режимов работы, выбора оптимального варианта водобойного колодца с циркуляционной камерой и определения диапазона работы сооружения в лаборатории Гидросиловых установок М7МИ в 1992 - 1993 гг. автором был • проведен классический ( полный факторный ) эксперимент,состоящий из 48 опытов в диапазоне чисел Фруда 7 ... 22.

*В процессе исследований,после стабилизации режима осуществлялось:фотографирование и выполнение зарисовок наблюдаемых явлений; измерения основных гидравлических параметров с помощью стандартной аппаратуры.В целях подтверждения достоверности получаемых результатов' бьиа осуществлена оценка точности проводимых измерений.Величины находятся в приемлемом диапазоне.

В пятой главе представлены основные результаты исследований гидравлических условий работы концевой части водосбросного сооружения,оборудованного гасителем в виде водобойного колодца с циркуляционной камерой.

В начальной части главы подробно описаны гидравлические картины движения потока в предлагаемой конструкции водо-

- л -

бойного колодца.

В разрезе по оси потока свободная поверхность прыжка дает кривую линию,плавно сопрягающуюся с плоской свободной поверхностью спокойного потока.В тексте главы приводится безразмерный график в виде ^¡'/(^д.) .Результаты исследований помогли определить геометрические пмраметры подпертого гидравлического прыжка ( , ¿пр ) и сопоставить с расчетными.

При проектировании в нижнем бьефе гасительных устройств,воспринимающих удар поступательного потока,необходимо знание поля скоростей в пределах водобоя и на рисберме.

Как видно из рисунка 3 четко прослеживается наличие на плановой эпюре (на всем протяжении потока в пределах водобойного колодца) неравномерное распределение местных скоростей с наличием нескольких локальных экстремумов: по 3 местных кнкси-ыума. Плановое распределение скоростей по ширине визуально выглядит в виде параболы.На рисберме и в нижнем бьефе эпюры скоростей выравниваются,движение потока носит практически равномерно распределенный характер.

Существует ряд аппроксимирующих формул,более или менее точно описывающих безразмерный профиль распределения скоростей по ширине русла в зоне интенсивного турбулентного перемешивания. Наибольшее распространение получила формула Коцарта и Шварца, выведенная для классической пристенной струи:

V

а - нч

-0,937- 0.»УО . ( 19 )

На рисунке 4 нанесена кривая,построенная по зависимости (19).Как видно,экспериментальные точки для чисел Фруда 15, 17,22 достаточно хорошо ложатся на универсальную кривую.

При исследованиях кинематической структуры потока в нижнем бьефе нами был рассмотрен вопрос о влиянии глубин в отводящем русле на гидравлические условия.

Подтопление нижнего бьефа приводит к существеному снижению средних на вертикали скоростей потока,вследствие .общего уменьшения средних по сечению скоростей потока.При этом тенденции уменьшения средних скоростей по длине водобойного колодца и отводящего водовода сохраняются,однако длина затухания средних по вертикали скоростей увеличивается.Наиболее медленное выравнивание скоростей происходит при подтоплении пространственного прыжка в 2 раза. /^льнеПшее подтопление практически не меняет гидравлики нижнего

бьефа,но требует уЕедкчскиз размеров водобойного г.а.чодцо.,ч?о кон» структкЕно нецелесообразно. •

По дыини распределения осреджлЗйк скоростей по вертикалям и по ширине потоке поетроста эпйры рйспредояишя удельных расходов как га ширине водобо&юго колодца,еак га шкрккэ ль. Робота водобойного колодца рассматривалась коя составься ч&еи, работы ккек£го бьефа!воледстЕг.а чзго осгюахй:: кр=:тзр;:ел его работы бшо состояние потока на у час г кг к водобой-иоку колодцу.

1!зуч£лксь приа#!ш&шк» сксаг водобойного кодед-цй.рабоТЕЕцсго без к с со сторож бьа^г.:Ейрь:«

ект рксборег" с пркподаяпгг д?гок в зсе:з яргагззгги: к кшвддо и ее.» риевд, когда, онатка дип рксбсрса совпадав!1 с о-кпткой дай, отве&к-цзго канакь.

Из, ркеуккз 5 р?.01усдсгг»;:;:с удежыг-х

расходог. по Ея;рк?:о кокггрукщж к кх «рещгфрсара пэ оопря*

гещего соорузкжя к 1:с игжшж у^еткс пра про^-екг рас-

ходе 10 л/е./а1£лкз кп$арх,»15'-жгпркЕс.дек;эй на сгс-ь: ркзушх^югьэ-яяет откегка ехсд^се.

. Врк рбеекотрак-зг рс^^сгкзЕг ^ееговре ш ¿-дкгх: четко проаалриг-аэгея «решзкгиаг еодоСой-

кого какда,г,8& киггаве ьо&ьрс«гй ьзек сшшг кайей-

делась сагагркя роспрейслелйя'удашйгг рггчл&од.!» риьСср"

кы ( млг. варшада1вкогда огегх-к& рчсСйркз ег&дод&гт. 6 дне смолящего до аде) прокегодк* разв^соагаагкс. еперц удееызг расходов и токег с сшаотркщак раепреледзккок уд&шшх ресж^ов • по виркио отеодщсго какгла к ы&кевдуиоц по оо^.От ссчеккя к ез-чешгэ диспропорция 'неаду мйксикукоа и кодоадиж удедьньк раскодоь сш'^лстся.В конце рисбермы и с ишки бьефа происходит ствбкяизй-цгш удслыше расходов к ег^ра, уделгыай расходов ваге? форку,соог-иетатаущую распрсдоде1В5а удвеш» р&езоддов ш горше шиит при

-¿СИа^ОрИЗИ рсЖЙЮ ДВКЙ£ШШи .

На рксуккск 6... 7 покаеашг кзэгсхк е сочакк гадростворов,р&ешяо2ье12шк к& рисберуз двух' в&рк&яов': с пр?» шдаглгм дцоц в зоиз ее прюаашта: к колодцу и с огаош}! доа. ю. [.одлщего кйпгхдй.ЦрнЕСдещай кеокш: рис.С пэ&тозесь*^

па.^- ршаду кстсчспкя потока кз колода,а к& рис.? - кглцкгоаго;^ ¡зо:;у. ' ' ". " . . '

Швтояцие иссдодовшшя подтасрдклй,ч*о предк^ей^я

ког;огрукция водобойного колодца формирует благоприятный поток в

бьефе при взподтошдазюа сопряжении. При глубина 0,8 1/щ (гд-j licj - капор на пороге) практически картина движения воды в колодцз но изгонялась. При болькой степени подтопления ( 2 Moi ) колодца со CTOpoiai insHoro бьефа водовороткш зону из колодца ввода в отеодя^к?. какая к фарц'лрус? в ней тсчеккс с двумя ядрами,как Bso вадно кз рвз.0.

Зти ядра течении несколько ухудшит каисматшсу потока в шежа бье$з»котор1й,тса нз кгнео.во всех случаях киеот бх^гопрглпзг?. пэкржноспаД рвска.

Д'акея конструкция Еодобойкого колодца приводит к резкой ito!":-r;rpiii!tî:i удолы^ расходов по оси,которая в 2 ¡«за прсгосходкт сродчго з!гл,пс!згг.5го дает козффщчснт относительной КСр'Г.ГГаГСрГГЗСГИ Hq, Г " 1,1?.

Одкако при ото».: £ор"жрустск чзтко вкрезсгиний по-Езрхкэсккй рсгкц течзкал в отсодтцсм канале,что являемся наиболее cp»i*i'.?;cin;î ус.лоп".сл доетзхкя поди о руслах с размываемом лох-ом.

ИрккякяЕЭ p'.'.cCcprj дл!-;;оГ: 0,7 к с пркподкятыа по» езркпс отеод^го русла па 0,06 в использовалось дчя вдбп-ТЕЩ21 удейыая ргсходов ка выгоде кз водобойного колодца к условиям рейот-ц conpnrss^ero сооруезлил и канадс.Р.:о.6 дает представление о пакболез кзблсропркятаоц распределен;«; удзльиых ресходов при палата рпзберца е приподнять?« дг.аы,которая способствует подтоплению колодца со сторо!ш гаашзго бьефа.

Порог в колодцо работает как водослив.В зависи-коейгот гдубшш в inîsasK бьефе и расходе, в водобойной колодце он iîqs3t работать как содослпв пр&гякчсского про^члл или водоелкв с гкроюм порога;. В зехг'.си^ости от прекгпеиия отметки в отоодга;ем келгле иод сорягсП рригьв порога,«! работает как подтопленный или как гаводгопяскай.

Jï случен работа в роагкз нсподтоплекного водослива и кгрввквегркаге раепредеякйд дозлыпя ресходоп будет происходить ко только п-52-5уп?яегькэб дркЕеякг? потока б кт":ал,но к перето-тв» расходов пэ д*»«!з порога os у«»тков, где уделыяя значения расходов и^Солъпг.с Е.яатавю к участкам,где они имеют наимень-исо s!ffitîsrai3,To есть будет происходить вцр&пшгвакие распределения удвлыак расколов.

' . В сяуцг.а рвботк в рогззя подтопленного водослива

воэкиеезт возвратгогз точенкя нз отводящего шйлй в колодец на

- lit -

участках с меньшими удельными расходами и неравномерность поступления расходов формирует течения с ядрами.

Таким образом,колодец необходимо располагать на таких отметках.чтобы максимальное превышение уровней нижнего бьефа порога не было больше критической глубины при расчетном расходе.Для создания благоприятных гидравлических условий в начале отводящего водовода рекомендуется выполнять сопряжение гребня порога колодца с дном канала в виде наклонного участка с уклонами не круче 1/4...1/5. Такое сопряжение обеспечивает безотрывное расширение струи в вертикальной плоскости и максимально быстрое формирование эпюры скоростей ( и расходов) в потоке,соответственное равномерному режиму в канале.

Кроме того,возможен случай,когда данный колодец может оказаться шире отводящего русла.В этом случае сопрягающий участок должен выполняться в виде сужающего канала.При этом поток будет ускоряться,что приведет к затуханию пульсации скоростей.

Заключительная часть исследований сопряженшив^во-добойном колодце была посвящена исследованию работы циркуляционной камеры.В реферируемой работе приводятся результаты по распределению давлений и скоростей по всему объему камеры. В экспериментах исследовалась камера с R. = 15 см ( =0,667),при ширине потока на входе 10 см,то есть с геометрическими размерами,принятыми на

основании предварительных гидравлических исследований.

Давление потока на криволинейную стенку камеры изучалось с помощью пьезометров,установленных от входного сечения до выходного через 45^. В створах 0 ,90 и 180 было установлено по 3 пьезометра по высоте стенки на расстоянии 0,2 ;0,5 и 0,6 в створах 45 и 135^ по одному пьезометру.Распределение давлений и скоростей потока изучалось для трех расходов модели: 10; 6,0 и 3,6 л/с.

Результаты измерения полных давлений по высоте стенки приведены для створов 0^,90® и 180° на рис.8 для Q «10 ; 6,0 и 3,6 л/с соответственно.

На тех же графиках пунктирной линией показано гидростатическое распределение давления по высоте стенки.

Прежде всего обращает на себя внимание практически прямолинейное-(и пределах точности измерения) распределение давления и naj -uuit'.'jbiiCL- гидростатическому во всех створах и во всем диапазоне кеелидоьаннцх расходов.

Згот результат позволяет сделать вывод о правомерности гцминтого п|и теоретических расчетах допущениях о том,что во-

гнутая поверхность транзитного потока в камере может быть принята в виде цилиндрической поверхности с вертикальной образующей.

Можно также отметить ,что рг!зность между полным давлением и гидростатическим увеличивается от входа к середине камеры,откуда к выходу снова уменьшается,Эта разница равна величине центробежного давления потока на боковою поверхность камеры,максимальная Ееличина которого в сечении 90 близка к скоростному напору потока на входе,то есть =(0,95.. .0,98) ^ .Такой харак-

тер изменения давления соответствует форме вогнутой поверхности по-тока:на входе и выходе ее кривизна незначительна,а центробежное давление связано с кривизной линий тока,прилегающих к криволинейной стенке камеры.В центральной части камеры поток искривляется с максимальной величиной и,соответственно,центробежное давление максимальное.

На рисунке 9 показано распределение давления на развертку боковой поверхности камеры в виде относительного пьезометрического уровня р в долях от высоты камеры ,то есть Р ^р/р^бц-^ При этом величина Р определялась как сумма центробежного давления, подсчитанного по теоретической зависимости (17) и глубины в колодце А кол. •

На рисунке 10 нанесены данные замеров давления в экспериментах.Анализ этих графиков показывает следующее.Характер изменения давления,подсчитанный по (18) соответствует реальному характеру. Однако, на периферийных участках стенки,расположенных вблизи входа и выхода в камеру,давление,подсчитанное по теоретическим зависимостям, превосходит замеренное.Это можно объяснить тем,что на этих участках изменение кривизны линий тока от внутренней поверхности к поверхности боковой стенки камеры происходит медленнее,чем по линейному закону из-за инерционности упругих свойств струи.

В центральной части камеры значение давления по замерам и теоретическим расчетам дает хорошее совпадение,что подтверждает правильность принятых теоретических предпосылок для основной части потока в камере.

Распределение давления на боковую поверхность камеры необходимо знать для определения сдвигающих усилий на порог и расчета его прочности и устойчивости при воздействии гидродинамических нагрузок.Эти нагрузки определяются осевой составляющей давления,которая на периферийных участках близка к нулю,так что расхождение давления в этих зонах между теоретическими л экспериментальными значениями давления не имеет практического значения,тем боло» ито

теоретическое значение давления идет в запас.

lía рисунка II приведены опары осевых соетазляхсри полного давления на бокозую поверхность камеры,которцз позеод.гл>г определить горизонтальные нагрузки на порог.

В диссертации прэдетаалгиы таблица со алачегшлм вэлиадш центробежного даллешя.рлссчатгазия по оагиекассти (17).

Эти экеры цеягробазного давлаш возвела? рассчитать нагрузки на веренршмз и заяревктарогак» ого нсиструщ^в.

Скоростная cypyxsypa шма в. xsxops изучалась о поморю нули: 1дри га с кой урехтотачнсЯ tpyíto ib; so диамотрса 6 iüs ляхи радиальных створах,':зр«э 45® {napias! га lMíi¿l егаори разгорались под угаси 10® х входисму сечекга с iузяью рм«ц-;:а!я сисросг~ ной трубил полностью Süyípíi к я;; ори ка вегх гзргигшгО.

Ы каядса стгорэ агш->рзн;:э сзорозздЯ есущзегалллсс! на трех вертикалях на расстояш! 0,2;0,h я 0,0 Я сг цш1-?раяьнзЛ оси,а на надда»! Е-грглгьаян asi;opa прсаээодагквь а трах so-oksx по высоте н-д paceñoглти 0,2;0,о и 0,8 exorj

о рзэульгагах з£г.»рвэ «зсростай врадсгатса-ш в вида оовр серадумжае скоростей.!) дг-зевргаг^а дяя ssax хэ створоз н расходов шдсяакаш славшая орз^га €£opccz?3 на вэрта-калях по зависимости (16).

&ШМЗ ПОДуЩКНс:! ECZZSUSZSV удезхзтзе-

рительноз совладение раечейша и егстр&гозгс&шгз ги&кязЭ еао-

ростей (8,. ДОО,хо?я и здеха&ко ífoss« худаз^.сга по дгзлггз.™« «#). '

Это* факт нсзао cíi-ücjíass геи>чгт« г^з» кзедэ ио-ретических зависююогей принята ир^утолъкал гззра еис-рсётвЗ Ь> тока на входе а хакеру как по рорээса;аая,533.я со Езркзкалп^а ле отсутствие сцугаой водогоройюЛ зега во гг^угр^саЗ ойлшгз spaa-зитного потока.

Фактически,в рсаульгат-з вогдайеггял'еопр<кгзгв:зл на транзитный поток от входа в водобойный кешздзц до кгазрн»а икав воздействие э&топгашя 1рааза«аоЗ. cspya ка есодо в хкаацу его-ростное поле деформируется, ч-го достаточно esk&eio СЕагизаазжа г:а скоростной структуре потока внутри sañspj.

I^jHapotíssfios давление лилла-гсл .го-гачкгей :пгезграл>-ной.хак ото видно из (Г?).Ьрс«о того,аодовороп^л 3«ш зо ur/ipc;;-ней области транзитного потека создай г некоторое азбыючног над п:д! с статикой давление, что частично коьшеисирует де^ркаца» скорое г*

ного поля потока на входе.

Сопоставительный анализ этих материалов также подтверждает принципиальную правильно;1.хь принятых предпосылок в теоретических выводах.

Кроме того,выполнение камеры с вогнутой со счч< роны потока боковой поверхностью вызывает резкое повышение даьлени" на боковой поверхности камеры при одновременном снижении скорости до 0,6 » 0,5 среднего значения или уменьшение до 0,35 + 0,25 ско ростного напора.

Оба эти фактора резко снижают возможную навить-ционную опасность на поверхности камеры.

В шестой главе диссертации рассмотрены рекомен дации по расчету крепления переходного участка канала,примыкающего к водобойному колодцу.Наибольший интерес представляют полученные нами данные о коэффициенте кинематической энергии потока (Кориплп са)Л1з анализа графиков,представленных на рис.12 видно,что п[ и гнт чениях от 0,05 до 0,4 в потоке4наблюдают пульсации мпп^й

X г ( т \

частоты,при значениях > 0,4 кривые } монотонно

сходятся к горизонтальной линии с 1,0 и при г./Кгр~ ''г'" тически равно единице.

Таким образом в колодце и на коротком участка рисбермы наблюдается затухание интенсивной турбулентности.вырожд» ние ее в так сказать "нормальную" турбулентность открытых рпшюм^р ных потоков.Приводится последовательность расчета креплрнип кпмнви участка канала,примыкающего к рисберме (рис.13).

Основные результаты и выводы

Основные результаты проведенных исследований кратко могут быть сформулированы следующим образом,

1.На основании проведенных ними эксперим^нталь ных исследований подтверждено,что предложенная конструкция водобойного колодца с циркуляционной камерой устраиваемого п комнппнч частях низко- и средненапорных водопропускных сооружений,яплпетпя перспективной конструкцией,эффективно решающей трплипипины" чпдпчп сопряжения.-.бьефов при степени расширения потока В г- 2 и п рп^мч-тривяемом диапааоие изменения сбросных расходов.

Этот гаситель имеет простую и чаа'жнуи и'11ст|чр циг и может использоваться эффрктипмо в ре г и'"пят, гд° не отличаются особой суровостью и ррт опасности пбл»п'-ч»м!1'п "ши,. имх порр(пгцострй,ряа1шодрйстр>г*цих с потерпи.

2 ЛЬ основании уравнения Бэрнулли и уравнения неразрывности получены основные расчетные зависимости (16,17,18) для определения параметров потока.Развитая теория и лр^длоданниэ на ее основании расчетные методы позволяют произвести гмдравличзс-кий расчэт подобных водобойных колодцзв,основанных на использовании эффекта циркуляционных течений.

3. Экспериментальные исслэдования,сопоставлений результатов расчетов и опытных дшшых по распределению давлений и скоростной структуры транзитного погона в каазро закрутки,выподнэн-ные для чисел &руда Ргс в 7... 22 в начале пракка и степени рас го-хаиил потока ^ » 5 подтвердили правильность лрэдлолозэнай о работа водобойного колодца и о допущениях дяя таорэютасзек расчэтоэ характеристик потока внутри шшзрн.

4ЛЬлучона величины оореднанного гидродинамического давления на олеиента конструкции водобойного колодца,позволяющие оценить действующие нагрузки.Разность иазду полива давлением и гидростатическим равна величине цзнтробсаного давления потока на боковую поверхность камеры,максимальная величина которого в сечении 90® близка скоростному напору на входе.Анализ характеристик осродненного гидродинамического давления в отдельных точках крепления нижнего бьефа показал,что наличие подобных течений в зодобоЯнсы колодце и значительное расширение потока в плана,обуславливаемо пространственный характер сопряжения,но ухудтает работу сооружения с точки зрения гидродинамических нагрузок.Степзнь совпадения теоретических рассчитанных значений скоростей и давлений с соответствующими значениями экспериментальных данных позволяет рекоыоадо-вать использование предлагаемых расчетных зависимостей Ц8),(19) для определения гидродинамических нагрузок на камеру с достаточной для практики точностью.

5.В зона свободного смешения штока профиль скорости подчиняется универсальной зависимости (19).Установлена аффинность профилей относительных продольных скоростей в поперечно сечениях пространственного пршка.

6,Исследования влияния,рааиаров и конструктивных решений рисбермы {рис.13),лримыкааяцей к водобойному колода на характер растекания потока в отводящем канале и ого скоростную структуру песг.олпли оценить распределение удельных расходов по яиринз и длине гасящего тракта и отводящего участка в зависимости от значения Гг. и режимов наполнения нижнего бьефа.Установлено,что в рам-

кох оговоренных диапазонов изменения сбросных расходов,эпюра удельных расходов на расстоянии от начального сечения канала приобретает вид близкий к огЕзркз гшааноизиенпицегося потока в открытой русле, когда откатка диа : . рисберии совпадает о отметкой дна отводящего канала и при изподтопленной сопряжении ( А/я * с<3 Ч-л ).

Было установлено,что при наличии подтопления происходит форкмровеииэ в отзодщеь'. канале течений с двумя водоворотни-ца зснагги.

Осноендо положения диссертации опубликованы б следу-гг.зй работе: /;йдсосзт£р Насер "Работа водобойной стеши; с разделением потока в плоив на напорной грани".-М, ¡Труда Гидропроекта.-Оып. 158,1893 (в пзчз.те).

Л-А

Расчетная схема

ж ж . *

рко.З. П«новне»пири , ДЛЯ ООДОбОЛнОГЧ о приподнятым

«»пври распределения озредвенкых скоростей в гидростворах ЮбоЛного колодца о циркуляционной камерой и о рисбэрмЛ . ;днятим дном в зоне примЬкания к колодцу, при О • л/с(г^ВЦ.

к

4 /

■»■ч

!•- К.' <5-

ъ?-

ъ

1 и га и *§ Ы а ы и «и о вг в ч н а/ вг гв и /.* г в ц г? Л

______| ________________ __________________ : . .. . й I

Рио.Ч. , График зависимости для пры«а в «одобоЯион кололи« о ниргулиш пмч'-.ч

камерой ■ '

а&ЬШЬ.

е.В£е

<е6е

6.6С*

'ис.5. . Гаепределмио удельны* расходов по пиреич и по ашр«. «"лп^'и^го колсдца и []«<-.(?<; рми, при <Р - /Пл/с '22/

3(iB£r)

i

i fxc.6. Эпвра распродг»еп«* сжоросте» ( «зотахи ) I в югаех бьефе в стэсрв JT,gn для расйерми с .пркподввтык днои в зоне et прюш taния t ] ыиодцу пра, . fL^j *S~r

S-E '

'. fií.T. Эпвра распределена eropacreS С «seta« ) » вигам Скефв в cnope^.g *и рвсОвриа с отяетио* дна отведявг» шпала >врк

го tu

-.of

Рко.8. Распределен!!! давления по encore пмэоы

"Р* Frit BS : . . ; -----i Алоостатичвсго» ^ —-¡лаияве экспаринеита.

Г.:-— fr/гг

г Ч • IS

"Ï

s

/*■ Í5+-

ÏSSC.9,

Распрэделениз дален!'» на развертку öoKOeoll поверхности под-«■читенное по теоратвчгской гаококноотн ( ТВ )

рив.10. .Гаеврюмаяиг д*влениа на гвзеертку йгмэся поверхности па эколориквител и-« ..дашшн при a.) F,t -гг ; о) F)t = ¿} ; a.) ■»/Í.

L

j—I • Эпчра осевых свстаплвозкх лвРг.енм l'A ''cprnuo

поверхность кгигры "f<í : <)'J К)

\ \ ч V \ 1 — —

Ч

Зои* водоворот» и шиоа частоту пульоация

, I I

Ьо,

а . Графики по определение гадрмдичвоми проотр&натввином

пры*ив и пооли него при Гг,И 'г

о.)

к- К

г„4.ХЗ Ыдоииг сонрамн/л рашорямогося цодобейного колодца с 1ырвд-~ дяцим:а»«-и наперши с отводима шшлвы.-