автореферат диссертации по строительству, 05.23.16, диссертация на тему:Гидравлические сопротивления в руслах с высокой шероховатостью

Г6 од

московски гостдарственнш строшзшыей шшерсятег

5а правам рукописи

аеделшлш лее/1с ащешерахиш

гидразжгшжие сопротивления в егшх с

БЫСОКСЙ ЕЕРОлОЗАТССШ;

Специальность: 05.23.16 -

"Гидравлика и ингеперная гидрология"

Авторе фер а т

диссертации на соискание ученоЗ степени кандидата тсхшгаеохгх наук

ЫОСКВА - 1993 Г.

Работа выполнена б оскобско:.; Государственно;.; строительно;.; университете.

Научный руководитель

Научккй консультант

Официальные оппонент

Ведущее организация

- Доктор технических наук, профессор МЬТИУЛЬ А.Д.

- Доцент, кандидат технических наук , ляш-н.в.ю.

- Доктор технических наук, профессор ПРАЗ.ЩВЕЦ Ю.П.

- Кандидат технических наук, доцент

Девпн Б..М.

- Всероссийский научно- исследовательский институт гидротехники с миллеорацня

Защита состоится

3

1993г. в

' > часов

на заседании диссертационного совета Д.053.11.04, в йэсков-скоы Государственно!: строительно:: унЕверситете по адресу:

¿Ъсква, Спартахосвяая ул. ,Д-2, ЦГСУ, ауд.-'З -3/2 .

\

диссертацией ыокно ознакомиться в библиотеке университета.

Просим Бас принять участие в защите и направить Ваш.отзыв' в двух экзешшфах по адресу: 123337 иосква, Ярославское шоссе, д. 26.ЫГС7, учены2 совет.

Автореферат разослан

1993т.

/2 /22/33

УЧсЕНв иокиехаоь диссертационного совета

Е.Н.АГг гИГ|ДС1Д1Л

ОНЦАЯ ХАРАСТ1К.таЗСА РАБОТЫ

Актуальность темы: Сирийская Арабская Республика (САР) располонена в западней части Азии. НзселенЕе страны к 1992го-ду достигло 13 цгн. человек. Более полоезвп из езх лрэзтаае? в сзлъскоЗ местности. Бода дал такой развивалцеСся страши как САР имеет аззненно-ванное значение, т.к. основнул часть нацво-шигьчого дохода страны обеспечявапт сельское хозяйство, земледелие и лрригяция. Прогресс лращшлепностз, земледелия и других отраслеЗ народного хозяйства непосредственно связан с развз-тием гидроэнергетического в гидромелиоративного строительства.

Для расширения площадн орошаемых земель н получения дешевой электроэнергии в настоящее время рассматривается вопрос о рациональном испо^зозанаи горных рек и строительстве на них разных гидротехнических сооружений, что является важнейшы фактором подъема национальной экономики.

При проектировании и эксплуатации гидротехнических сооружений и. систем водоснабзения существенную роль играет правильная оценка гидравлических сопротивлений, возникающих при двигенаи воде в опдритых руслах.Вопросу с закономерностях гидравлических сспротивлениЗ в открытых руслах посвящены ыного-числззные исследования и работы, результаты которых во многих случаях противоречат друг другу.

Основной причиной противоречие менду прздапженпнш ранга зависимостями, элзенгатаямз гидраялнчссхае сопротивления, являз'гся неправильный подход к методу их расчета, особенно в руслах о высокой шероховатость») дна, когда размера выступов шероховатости совзкеркаш с глубиной потока (искусственная шероховатость на водоската:': йнстротохов, рыбохода, какекнгя наброска л явннем бьефе водосброса гвдротехнзчесЕИХ соорукеплС

3

п т.д.). При этой особое значение приобретает вопрос о выборе плоскости отсчета глубин.

Настоящая диссертационная работа посЕЯцена исследованию гидравлических сопротивлении при дввхении вода в открытых руслах с повышенной шероховатость! дна. Основное внимание при этом уделялось методу нахоадения расчетных глубин и оцеЕке влияния концентрация элементов шероховатости, крупности шерохс ватоств и состояние потока на коэффициент гидравлического трения турбулентных открытых потоков.

Цель работа заключалась в экспериментальном и аналитической исследованиях гидравлических сопротивлений турбулентных штоков в открытых руслах с ребристой шероховатостью различной концентрации при различием состоянии потока, а такяз разработк методики определения нулевой плоскости отсчета глубин при расчетах гидродинамических характеристик шероховатых русел.

Задачи исследования.' Для достижения названной цели были решены следующие задачи:

1. Исследована зависимость местоположения плоскости отсчета глубин от концентрации шероховатости.

2. Исследована зависимость коэффициента гидравлического трения открытых потоков от крупности шероховатости, ее концент рации, а такге от состояния потока.

Научная новизна.

1. Аналитически и 'экспериментально установлено влияние концентрации элементов шероховатости на коэффициент гидравлического трения в руслах с повышенной шероховатостью.

2. Предлагается метод определения нулевой плоскости отсч та глубин, основываясь на распределении ссредненЕЫХ скоростей.

3. Экспериментально подтверждено постоянство параметра Кардана = 0,4 для потоков с ребристой парахозатостью.

4. Экспериментально установлено алшшзе числа Фруда на коэффициент гидравлического трения в руслах с ребрзстой шероховатостью.

Практическая ценность.

1. Предлагаемая методика расчета нулевой плоскости отсчета глубин позволяет правильно рассчитать гидравлическое сопротивление безнапорных равномерных потоков в руслах с повшзнной шероховатостью дна.

2. Лредаагаеше зависимости существенно уточняют гидравлические расчеты русел с усиленной шероховатостью и гидравлических моделеч.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав и заключения, всего 131 страница машинописного текста, в том числе:- 47 графиков и рисунков и 6 таблиц. Библиография содернит 147 наименований.

На защиту вкеопятсч.

1. Результаты экспериментальных исследовзпЕЗ гидравлических сопротивлений безнапорных потоков в руслах с усиленной шероховатости) дна.

2. Методика расчета кулевой плоскости етсчета глубин в руслах с лепленной иероховатостьи различной ианципрацив.

3. Экспериментально выявлзннре заколы сошротввленЕЯ русел с ребристой Егрохо^атостыз днэ.

4. Результаты исследования влияния числа Фруда на_гид-равлнчзское-сопротавчаане турбулентшх открн-твх потоков, з руслах с янсекой относзтедьшй.шграхсиэтостьз.

КРАТКОЕ СОДЕРЕАДЕ РАБОТЫ

Во введении дается обоснование актуальности тега диссертации раскрывается содеркапие предмета исследований в использованных методов исследований. Отмечается научлая новизна и практические приложения Енполнензсй работы.

В первой главе диссертации дается обзор работ, посвященных исследованию равномерного течения вода в руслах с повышенной шероховатостью.

Расчеты равномерного двкаения па практике сводятся к на-ховдеЕип величины коэффициентаО в формуле Шези. Згой дали были лссвядены многие эьлшрическиэ формулы^ Однако, до сдх пор отсутст вует надежная методика определения коэффициента С шш коэффициента гидравлического трения X в формуле Дарсв-ВеДсбаха для каналов с усиленной шероховатостью. Предлагавшиеся эшнрические формулы, как правило, вкевт степенной или логарифмический характер.

Степенные зависимости для шероховатых русел обычно записывает в виде: ^

■¿Г .

где: ¿о; ^ - коэффициенты ; К - крупность шероховатости ; .Я - гидравлический радиус. Формула тепа (I) предлагались Ерэеы, Штриклерсм, Д.К.Батурстом, В.А.Соколовой и др.

Логари&шческий 'закон сопротивления шероховатых русел ыоено записать в общем виде:

- а , ' с»)

где: А и В - коэффициенты.

3 литературе имеется большое количество формул типа (2), рекомендованных разшая: авторами (Келеган, А.П.Зегада и др.).

Предлоненные разныш авторами расчетные зависимости степенного и логарифмического типа относятся, как правило, к ограниченным значениям относительной шероховатости п во многш случаях плохо согласуются друг с другом.

3 ряде новейших исследований (С.А.Егоров, АД.Альтшуль, А.£.Миракгаокер и др.; установлено влияние состояния потока, характеризуемого числом Фруда на гидравлическое сопротивление русел и, в частности русел с повышенной шероховатостью. Б тоге время другие исследователи (А.Д.Зегвда, А.д.Санвтев и др.; не обнаружили зависимости коэффициента гидравлического трения от числа Фруда.

Одной из основных причин противоречии в оценке результатов исследований равномерного турбулентного двигезпя воды в руслах с повышенной шероховатостью является разннЗ подход к определению плоскости отсчета глубин. В работе анализируются различные метода определения плоскости отсчета глубин, которые оказывают существенное влияние на расчетную Еелпчину коэффициентов Шези и Дарен. Отмечается отсутствие в литературе единого мнения о расчетной глубине потока и методе ее определения.

Во второй главе приводится описание экспериментальной установки, излагается методика проведения опытов, оцениваются погрешности определяемых пз опыта величин.

Наиболее вагным и решавдпм аспектом планирования экспериментов является правильный выбор переменных, характеризующих рассматриваемой процесс и их безразмерных комбинаций, определяемых с помощью анализа размерностей.

Коэффициент гидравлического трения для русла с ребристой шероховатостью дна определяется функциональной зависимостью

где: плотность воды, - вязкость вода, £ - уско-

рение силы тяжести, Л - глубина воды, В - ширина канала,

V - скорость течения, Z - высота выступов, t - толщина ни ступа, 1_ - расстояние ыевду элементами шероховатости, I - уклон русла.

С помощью Ш-теоремы зависимость. (3) мозшо представать в виде:

л Р[Ш. V2 . Н . в . 1- г ; ) (4. А - * Ы ' $Н '^'ТГ'ТГ'ТГ' }'

или более приемлемом для нашего исследования виде:

Учитывая что, толщина элемента £ несущественна по сравнении с его высотой Н , а число Фруда связано с уклоксы

До I

- , а также имея в виду, что для русел с

усаленной шероховатостью дна влияние относительной ширины потока незначительно, получаем общую безразмерную зависимость для коэффициента гидравлического трения в виде:

А 4:*-^) •

Экспериментальные исследования, отвечающие коделв (6}

в

проводились на лотке переменного уклона дна гидравлической лаборатории Ш1СИ пи. Б.Б.Куйбышева. Лоток изготавливался пз оргстекла толщиной 10мм и имел следующие размера: ширина -0,285м ; высота - 0,25м ; длина - 5,3м. Дно канала состояло из тщательно состыкованных оргстеклшшых секциВ. Измерение глубин воды в потоке в определение величин уклонов осуществлялось с помощью шести пьезометрических стеклянных трубок, установленных в трех створах. В расчетах использовались среднеарифметические величины, измеренные по пьезсыетргы. Скорость течения измерялась с помощью трубки Пито.

Шероховатость представляла собой оргстеклянные ребра толщиной 5мм , данной 295мл , высотоЗ 54мм и 2£м . Расстояние мевду ребрами менялось от Зйпл с шагом ЗООмм так, чтобы охватить диапазон изменения относительного шага 1-/2 от 0,56 до 10.

При определении дайны начального участка, автор опирался на данные экспериментальных исследований А.д.Санжиева, из • которых следует, что при максимальном расстоянии ыезду элементами шероховатости, днизение вода стабилизируется на расстоянии 190см от вхрда в лоток. Экспериментальные исследования кинематической структуры потоков проводились при трех значениях относительных шагов (!_ /Н = 2,78 , 5,0 и 10,0; при разных уклонах дна. Измерение осредненных скоростей проводилось в двух створах по даше потока. Первый створ находился над гребнем ребра, второй - посередине мезду двумя ребрами (.при шаге Ь /2 = Ю измерение, проводилось в трех створах, третий -на расстоянии от первого ребра;.

Опыт по опрвделешш гидравлического сопротивления русел

проводились в слздупцеи порядке: на первой этапе бкло выбрано

минимальное расстояние ыевду соседними ребрами 1_ = 3,0сы. в

с максимальной высотой ребра 2. = 5,4см . При заданном расходе

вода изменяли уклон дна I и для кавдого уклона измерялись

глубины Н по пьезометрическим трубкам. Опыты охватили диапазон

уклонов I - 0,02525 до 0,1026 ; чисел Рейнольдса от 4 5 е

3x10 до 2,2x10 ; чиоел Фруда от 0,18 до 3,0 и относительных глубин от 0,4 до 6,0. Ребра высотой "2. = 54мм располагались с шагом I- /2. = 0-55, 1.1, 1.67 , 2.2 , 2.87, 3.9 , 5.0 , ребра высотой 2 =.24ьы с шагом 1_/2 = 5.0, 7.5, 10.0

3 третьей главе исследуется кинематическая структура турбулентных плоских потоков при разных расстояниях меяду элементами шероховатости в разных уклонах, с целью определения расчетных значений гидравлических характеристик опшыхого шероховатого потока, таких как расчетная глубина /?0 , динамическая скорость И+ в расчетная шероховатость К.

По данным измерений строились. безразмерные эпюры распределения осредаенннх скоростей, которые показали, что при /¿г = 2,78 происходит стабилизация профиля скоростей.по длине потока. При больших значениях шага шероховатости наблюдалась непрерывная дефорыгцпя скоростной структуры потоков.

В гидравлически шероховатал русле особое значение цриоб-ретает вопрос об определении взаимосвязанных значений и К. Будем исходить из степенного закона распределения осреднен-ных скоростей, правомерность использования которого для открытых русел с повышенной шероховатостью подтверждена ттяттиимп многих исследований: 10

1.25 1Т

и . / У

(7)

Формула (7), представленная в логарифмических координатах, позволила определить значение \ по углу наклона опытной прямой распределения скоростей, который, в свою очередь, незначительно зависит от выбора плоскости отсчета глубин русел с поименной шероховатостью, когда высота выступов шероховатости а, следовательно, и расчетные значения $ над выступом шероховатости, соизмеримы с глубиной потока. Принимая в качестве начальной плоскости отсчета дно канала, были построены графики И /Ц. пах = / к), из которых определялись расчетные значения Д .

Для определения расчетной глубины /г 0 использовалась зависимость

Л '= . (8)

V

Определив расчетную глубину потока из (8) монно перейти к определению соответствующих ей гидравлических параметров, характеризушщгх поток в створе измерения. К числу таких параметров ыокно отнести динамическую скорость

и* = \fJ~kH , "( 9 )

и абсолютную расчетную шероховатость дна

К = Л - Ло

а такге уточненные значения координаты

С 10 )

И

оС = У-К . (II)

11а основании полученных дятгтп- строились пробили осред-ненных скоростей вида И /И* = )] • Резуль-

таты обработки опытных логари$ыпческих профилей показали, что коэффициент* при логарифме незначительно изменяется в диапазоне от 5,3 до 6,0 с отклонением от среднего значения А = 5,72 не более 7%. Это является свидетельствам незначительного отличия параметра Кармана от 0,4. Данный факт нашел татаге подтверждение в работах Дайле-Новака, Дваксона и Конпхана.

В четвертой главе • предлагается методика наховдения нормальной глубины на основании распределения осредненных скоростей при различных концентрациях шероховатости, в которой, помимо чисто геометрических, учитываются такке гидродинамические факторы.

На основании постоянства параметра Кармана автором была разработана методика определения величин А и 3 в логарифмическом законе сопротивления, на основании известных значений А0 и Б0 , рассчитанных от два канала. Б результате был построен график, определяющий местополоаение плоскости отсчета глубин в зависимости от шага 1_ /2 для исследованного типа шероховатости (рис. I).

Сравнение полученных дянтгх с данными, основанными на среднеобъеыном методе определения нормальных глубин было представлено в 1ра$ическои виде (рис.2}. Из храфпса ыовно определить положение плоскости отсчета глубин, исходя из средне-объешого метода с некоторым когффициентсн коррекции, • зависящим от шага 1-/2 12

1.0 0,8

0,6

0,4 0,2

2,0 4,0 6,0 3,0 10,0 12,0 14,0

Рио. 1 . Зависимость »г» (мастоползаешэ плоскости отсчета) от шага 1_ /г. Опытные точки:

- А - полученные из эпюр распределения скоростей;

- е. - полученные по предлагаемому методу.

- • —^ - кривая, соотвегствушая среднеобьемному

способу.

щ= £— 3£

С ^---- д

\ - ^^

" ~— - -

Чг

2,0

1.0

О 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 14,0

Рис. 2 . Зависимость коэффициента коррекции р = КДСр от

пата 1-/2 .

К - /" • /^<50.

( 12 )

Пятая глава посвящена вопросу о влиянии характеристик шероховатости (величина относительной шероховатости и концентрация элементов шероховатости) на гидравлические сопротивления равномерных потоков в открытых шероховатых руслах. Исходный вид функциональной зависимости коэффициента гидравлического трения Л имеет вид:

А ■ф-^-Ь' ) ■ ( 13 )

Опытные данные обрабатывались на основании предлагаемого метода расчета глубин и строились в полулогарифмических 1 Ао

координатах графика Полученные опытные точки

группировались в зависимости от иага /2 в параллельных прямых, имеющих постоянный уклон. Опытные прямые отвечали логарифмическому закону сопротивления:

7Г = 2-0 ' В ' (14}

где В - зависит от относительного.шага 1_/2 . График зависимости коэффициента 3 от шага L /2 (рис.З), подтверадает класифпкацаю регимов течения в шероховатых руслах в зависимости от концентрации элементов шероховатости, предложенную Г.Цорриош.Так, для русел с ребристой шероховатостью, при 1_ /2. 1.0. существует ре ним квазигладкого потока, а при —=|— ^1,0 наблюдается репим интерферренцзонной шероховатости по Г.Моррису, когда при увеличении расстояния

мещ^у элементами шероховатости увеличивается коэффициент гидравлического трення. При L \ S,G наблюдается сетзш пзо-

лзрованном шероховатости, ври котором-ослабляется взаимное влияние элементов шероховатости, т.е. элементы шероховатости начинает действовать как местное сопротивление, а суммарный коэффсцвзят гидравлического трения Л = . + ЛТр уменьшается с увеличением шага L /Z . Таким образом, максимальное значение коэффициента гидравлического трения достигается при значениях шагов L /Z = 5 + 8. Сравнение полученных нзмл результатов с данными других исследователей, обработанных с учетом постоянства "2С подтвергдает правильность предлагаемого метода расчета.

Б шестой главе анализируется зависимость коэффициента гидравлического трения А от чисел Рейнолздса и Фруда

F¡. . Для выявления характера зависимости Л от числа Рей-

нольдса дая кадцого исследуемого шага L при разных

Z

относительных глубинах строилась графика ( А , ) в

логарифмических координатах в предаокении, что число Фруда не влияет на X • Из этих графиков была выявлена зона авто-модельЕостп коэффициента гидравлического трения \ по числу Рейяольдса.

Наличие пиковых значений коэффициента X на графиках С \ , R.e ) монно объяснить влиянием числа Фруда Fr • Из графиков зависимости А от числа Фруда Fr было установлено, что коэффициент гидравлического трения возрастает с увеличением числа Фруда до пикового максимального значения, соответствующего диапазону чисел Фруда 0,5 Fr ^ 0,8, тем

15

л

P,5 2.0 1Л W од!

Á V Л

о \ 0

■ ч

< I \

; X N — __—---0

\

z з 4- Б В 7 6 О

Рио.. 3 . Зависимость коэфсЗпциентЕ В от относительного шага L /z .

L/Z

самый подтверждается вывод, полученный ранее А.Д.Альтшулеи, АЛ.Зуляевстсз.; и ц.Л.ыедзвелпя для друга: епдов шероховатости.

Для исследования закономерности изменения козасощиента X под влиянием числа Фруда был построен график ( , А» ) ■ , л

дая разных шагов L /Z (где Л max - максимальное значение коэффициента гидравлического трешзя, а ^^ - значение X в

квадратичной области сопротивления}. Из графика видно, что отношение Л^аж / Xui 0 возрастанием относительней глубины уменьшается, т.е. в определенном диапазоне ( AqA) влияние числа Фруда становится несущественным и им мокно пренебрегать, причем зтот диапазон иеняется с изменением шага L /Z . Такпм образом для кагщого пагг были получены критические значения ( А о )___ , при котошх можно пренебрегать влиянием

числа Фруда fу и строить график зависимости ( Ао )„_ от L /Z .

В седьмой глазе дается прикер расчета русла с ребристой шероховатостью дна.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

I. На основании распределения осредненных скоростей предлагается методика определения нулевой плоскости отсчета глубин, основаЕкая на постоянстве параметра Кармана Э? =0,40.

2» Для русел с ребристой шероховатостью предлагается график для определения нулевой плоскости отсчета глубин а зависимости от шага L /«Z.

3. Гидравлические сопротивления в руслах с ребристои шероховатостью подчиняются логарвдшческому закону сопротивления с постоянный значением коэффициента при логарздиэ А = 2,С. .

4. Свободный член Б в логарвйлпческоы законе сопротивления зависит от шага ыевду ребрами (концентрации элементов шероховатости). Б диссертации предлагается график для наховдензя значений В в зависимости от шага 1_ •

5. Коэффициент ищравлзгчсского трання X возрастает с увеличением шага меиду ребрега, достигал максимального его значения при шагах 1-/2 = 5,0-3,0 после чего л начинает падать.

6. Экспериментально установлено валичие лвадритичЕоЗ области сопротивления в руслах с ребргстон шерсхсзатостыз два.

7. Коэффициент гидравлического трения возрастает с увеличением числа Фруда и имеет максяыум при значениях

¡у- = 0,5 -г 0,3, с дальнеЗлгем увеличением числа Фруда Д начинает падать.

8. При фиксированном значении концентрации элементов шерохоьатости с увеличением относительной гладкости ослабляется влияние числа Фруда на коэффициент л до исчезновения при определенном значении Лп/К.