автореферат диссертации по строительству, 05.23.16, диссертация на тему:Гидравлическое обоснование эксплуатационныхметодов оценки пропускной способности водослива практического профиля с плоскими затворами

^ Шривастав Ракеш

На правах рукописи

РГБ ОД

2 2 дн:; 2ооз

Гидравлическое обоснование эксплуатационных

методов оценки пропускной способности водослива практического профиля с плоскими затворами

Специальность 05.23. 16 - Гидравлика и инженерная гидрология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2000

Работа выполнена в Московском государственном университете прироодообустройства на кафедре "Комплексное использование водных ресурсов."

Научный руководитель - кандидат технических наук, профессор

БЕГЛЯРОВА Э. С.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

КАВЕШНИКОВ Н.Т.

кандидат технических наук, доцент ГЛАЗОВ А. И.

Ведущая организация - АОЗТ компания "СОВИНТЕРВОД"

Защита диссертации состоится 27 ноября 2000г. в 15ч. на заседании диссертационного совета К 120.16.01 в Московском государственном университете прироодообустройства по адресу: 127550, Москва, ул. Прянишникова, 19, МГУП, ауд. 201.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУП.

Автореферат разослан "¿15" ноября 2000г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

К.Т.Н.

НП3.2М -01,0

ОБШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность : Реализация программы комплексного использования водных ¡сурсов для освоения новых земель в Королевстве Непал и развитие энергетики •пряжена со строительством и эксплуатацией низконапорных и средненапорных щроузлов, включающих в свой состав водосбросные сооружения различной эопускной способности, работающих в основном по схеме истечения из-под ноского затвора на водосливе практического профиля. Важность научно-гхнического решения этих задач в первую очередь зависит от учета стока на адроузлах.

Королевство Непал весьма богато водными ресурсами. На его территорию ыпадает большое количество осадков (до 2600 мм в год), его речная сеть имеет ного непересыхающих рек, текущих с Гималайских гор. Все это способствует юрмированию здесь весьма благоприятных условий для строительства речных идроузлов. В общей сложности по территории Непала протекает более 6 тысяч ек. Наиболее крупными из них являются: Сун-коси, Гандаки, Карнали, Дарсяндги, Махакали и т.д.

Главной проблемой реконструируемых и строящихся гидроузлов является окрушительные летние паводки, формирующиеся в период с июня по сентябрь а счет муссонов. Основой надежного учета воды в створе гидроузла является галичие точных эксплуатационных характеристик турбин и расходных :арактеристик всех водосбросных сооружений.

Многолетний опыт эксплуатации гидротехнических сооружений показывает, гго использование расходных характеристик, полученных только на основании >асчетов по действующим техническим нормам, приводит к погрешности в определении расходов воды из-за невозможности предвидеть и учесть местные условия работы сооружения, такие как сбойность течения, отложение наносов, равномерность пропуска воды по фронту сооружения и т.д. Поэтому, несмотря на достаточную теоретическую разработку принципиальных методов гидравлических расчетов сооружений, практическое использование этих методов для расчета характеристик конкретных эксплуатируемых сооружений затруднено. Сложности, связанные с моделированием разнообразных местных условий на пространственных моделях, сравнительно высокая стоимость таких исследований и ограниченные возможности по объему работ гидравлических лабораторий, делают нецелесообразным выполнение модельных исследований для каждого эксплуатируемого сооружения. В то же время, условия проведения натурных испытаний на эксплуатируемых сооружениях не всегда благоприятны из-за необходимости учитывать особенности режима работы гидроэлектростанций, которые входят в состав гидроузла.

Обеспечение условий надежного пропуска расходов через водосбросные сооружения тесно связано с определением коэффициента расхода, который должен учитывать помимо гидродинамических свойств оголовка, условия, связанные с боковым и вертикальным сжатием, влиянием бычков, пазов, забральных стенок и других конструктивных особенностей водосливной плотины. Таким образом, все это свидетельствует о необходимости проведения дополнительных расчетно-теоретических и экспериментальных исследований

водослива практического профиля для уточнения его пропускной способности в условиях эксплуатации.

При этом представлялось целесообразным охватить экспериментами и теоретическими разработками тог диапазон определяющих параметров, которые уже реализованы на построенных гидроузлах.

Цель и задачи исследований. Целью работы является создание методики позволяющей обоснованно использовать существующие и строящие« водопропускные сооружения гидроузлов, работающих по схеме истечения из-пo^ плоского затвора, в качестве водомерных сооружений.

Достижение поставленной цели было связано с решением следующих задач:

1. Усовершенствование существующей методики расчета определенш гидравлических характеристик потока и пропускной способности водосливе практического профиля при истечении из-под плоского затвора, установленногс на гребне плотины;

2. Установление основных закономерностей формирования кривы? свободной поверхности, распределения давлений и скоростей по толщине поток; водослива практического профиля криволинейного очертания при истечении из под затвора; сопоставление экспериментальных исследований с результатам! расчетов по предложенной математической модели;

3. Экспериментальное обоснование теоретических предпосылок подход, к расчету пропускной способности водослива практического профиля прг истечении из-под плоского затвора;

4. Разработка рекомендаций по обоснованию пропускной способности водопропускных сооружений при эксплуатации гидроузлов на основанш результатов расчетно-теоретических и экспериментальных исследований.

Научная новизна работы. Основными элементами научной новизнь являются:

1. Математическая модель движения потока через водослив при истеченш из-под затвора с учетом реальных очертаний сливной поверхности в условия) отсутствия подтопления;

2. Результаты численного решения задачи расчета пропускное способности водослива практического профиля криволинейного очертания работающего по схеме истечения из-под затвора с учетом изменения кривизнь потока по толщине слоя.;

3. Реализация математической модели в программном комплексе да

ЭВМ;

4. Данные экспериментальной проверки применимости нового подхода ] расчетам сложных течений в пределах оголовка водослива практической профиля и к оценке его пропускной способности в неподтопленном состоянии.

Достоверность полученных результатов. Экспериментальны исследования, результаты которых приведены в диссертации, выполнены тп современным методикам, с использованием прогарированных приборов, средсп измерений и обработки. Правомерность разработанных рекомендаций доказан

а статочным объемом расчетных данных, а также сопоставлением результатов еретических исследований с результатами, полученных на модели.

Практическая ценность работы состоит в том, что результаты исследований предложенные методы расчета позволяют рассчитать пропускную способность эоружения в эксплуатационных условиях.

Апробация работы. Результаты исследований и основные положения иссертации докладывались на научно-технических конференциях Московского эсударственного университета природообустройства в 1999-2000 гг., на еждународной научно-практической конференции Санкт-Петербургского эсударствешюго технического университета (23-30 марта 2000г.), на Международном симпозиуме сельскохозяйственной академии во Вроцлаве (16-17 ая 2000г).

Объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих ыводов, списка использованной литературы, насчитывающего 271 аименования. Работа изложена на 267 страницах машинописного текста, ллюстрирована 88 рисунками, содержит 22 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе отмечено широкое применение водосливов практического рофиля в практике гидротехнического строительства как в России, так и в [епале, в частности, на энергетических средненапорных гидроузлах, анализируются типы и конструкции поверхностных водосбросов ряда идростанций и проблемы определения сбросных расходов.

Несмотря на то, что все водосбросные сооружения гидроэлектростанций меют характеристики пропускной способности, наладиггь надежное определение асхода через mix более сложно, чем через гидротурбины, так как расходная арактеристика может меняться в процессе эксплуатации гидросооружения после емонга или частичных реконструкций его узлов, из-за изменений условий гадхода потока к водосбросу при заилении водохранилища.

Некоторые факторы, влияющие на пропускную способность, выявляются уже юсле строительства сооружения и не могут быть учтены, например, качество ыполненных работ. Кроме того, при проектировании и расчете трудно точно юдобрать коэффициенты местных сопротивлений, шероховатости, влияния ¡окового сжатия, распределения скоростей внутри потока водосброса и т.д. 1оэтому повысить точность определения сбрасываемых расходов возможно [утем экспериментальных исследований на гидросооружениях.

В настоящее время на открытых естественных водотоках применяются |рямые и косвенные способы измерения расхода и количества воды.

Существующие методы тарировки для крупных гидроузлов (вертушечный, ;онтрольного отверстия и пьезометрический) трудоемки, дороги и требуют юльших затрат времени и потерь электроэнергии, что непозволительно для словий Непала.

В заключительной части главы отмечается, что необходимо дальнейшее :овершенствование существующей системы водоучета, разработки и принятие

правильной технической концепции дальнейшего использования существующие и вновь разрабатываемых методов определения пропускной способного водосбросов при истечении из-под плоского затвора.

Во второй главе рассматриваются изложенные в мировой научно технической литературе теоретические и экспериментальные работы п< гидравлическому расчету водосливов практического профиля криволинейноп очертания, работающих по схеме истечения из-под затвора. Отмечается, что ] исследовании работы таких водосбросов были использованы различные теории I гидравлические законы: уравнение движения центра тяжести секундного расхода принципы наибольшего расхода, закон изменения количества движения уравнение Бернулли, закон сохранения энергии, теория пограничного слоя.

На основании проведенного анализа сделан вывод о необходимосп проведения дополнительных теоретических и экспериментальных исследованш в этой области, поскольку повышается роль гидроузлов не только как фактор; регулирующего забор и распределение воды, но и как контролирующего фактора

В третей главе приводятся результаты теоретических исследовани истечения через водослив.

При теоретическом исследовании конкретных задач в механике сплошшл среды необходимо задать систему координат в которой описывается движени жидкости. При записи систем уравнений, позволяющих определит; закономерности течения, требуется вводить гипотезы и предположения позволяющие учитывать особенности рассматриваемой модели. Будем считат течение стационарным, безвихревым, а жидкость идеальной, несжимаемой постоянной плотностью р.

Исходными является система уравнений гидродинамики, записанной естественной системе координат. Координата э выбиралась вдоль линии ток; координата п - перпендикулярно к линии тока (рис.1). В обозначения монографии Милн-Томсона уравнения имеют вид:

(1)

г) £ = + »,<7

дп

Д)

где р=р(5,п) - давление; с]=я(5,п) - модуль скорости |у|; р - плотность жидкого Г2=Г2(з,п) - потенциальная энергия; аг5= Э^б^п) - кривизна линии тока б;

;„= п(б,п) - кривизна нормали к линии тока п; 01=01(3,п) - угол наклона вектора корости.

Как известно, общие решения дифференциальных уравнений движения эдержат произвольные функции и постоянные, которые нужно определять га пециальных условий. Запишем уравнение (1а) в виде

1 <Р 1 дс[ ¿о

-рж+ТЖ^* •- (2)

Отсюда, после интегрирования вдоль линии тока, следует уравнение Р а1

= Р .... (3)

Р 2

Вводились более привычные обозначения: ' = q - скорость;

= п - нормаль к линии тока, отсчитываемая от срединной поверхности; = - -у на поверхности профиля; у = ~на свободной поверхности;

е5=К=Ш, (где К- кривизна лшшй тока, Я-радиус кривизны);

I = -О1 - так как направлена в обратную сторону по сравнению с Милн-Томсоном

рис2).

В расчетной схеме профиль описывается уравнением х=х(г), где :оординаты (х,г) отсчитываются от гребня водослива соответственно оризонтально и вертикально вниз.

Допуская, что нам известно уравнение какой-либо линии тока з=х(г), тогда [меем

ши по теореме о производной обратной функции

о

Рассмотрим

<к

«**=7==Г = —==¥ .... (4)

у+Щв

Для кривизны использовалась известная из математического шализа формула:

йх

Последнее выражение совпадает с производной —-—.

Так как вторая производная функция отрицательна для выпуклой вверх кривой

для согласования с расчетной схемой получено

.... («)

С помощью уравнения (1г) было записано уравнение отсутствия вихря в виде

^ = 0 .... (7)

ду и

Разложим функцию V в ряд Тейлора по у

р'<>■) = ут + + -у-/ + ■ ■■■

Так как | у | < Н/2, а толщина слоя предполагалось величиной малой, был оставлены в разложении первые два члена. Тогда среднее значение

я 2

V= I Vdy IН = К(0).

и 2

С учетом этого уравнение (7) приняло вид: cV _К(0) V с\> ~ Л(0) R

V = -yL+A,... (8)

где VuR - скорость и радиус кривизны на средней линии струи При у=0 имеем V= V следовательно А= V. Подставляя в последнее равенство в (8) скорости, было получено

"-FH) ■■•■ <9)

Уравнение неразрывности (1в) эквивалентно постоянству расхода поперечном сечении струи:

J V{y)dy = VH = 2- ,... (Ю

-/// 2 0 где b - ширшга водослива.

Таким образом, закон распределения скорости в струе имеет вид:

у = ЩХ-У) .... (11

ьн{ R)

В уравнение Бернулли (3) подставим выражение для потенциальной энерги которое получается проекцией произвольной точки течения на вертикал (величины, относящиеся к профилю имеют индекс проф):

(12

n = g

(у + y)COSÖ-

В верхнем бьефе имеем

Р = Ра; V = 0; П = ,... (13

где Ра - атмосферное давление, §-ускорение силы тяжести

Отсюда получено: Р V2 Р 2

= •••■ С4)

Р

Деля на & и подставляя выражение (11) имеем:

Уравнение для определения толщина слоя Н(/) было получено из условия на свободной поверхности струи:

У-4. Р=Ра .

Отсюда из (15) найдено

^-5-Г 1-^Л') +Ни =Н«,+гпроф (16)

2цН2Ь2 2 или Р(Н, ц, К) = Ыъ+г„Гоф,

где Р{Н,ц,К) = 1 -у к) + "М; К = 1 - кривизна; ц = соэ 0.

Из уравнения (16) было получено:

л (

Тогда коэффициент расхода равен:

0 = ЪН^гШ = тьн^н

Г

н~*

В формуле (16) значение Н вычислялось по значениям ц и К на средней линии тока. Обозначим их цм к.

Для расчета последних величин детальнее рассматривалась схема течения (рис.3). Обозначим Опроф- - угол на поверхности профиля; 9СВ. - угол на свободной поверхности струи.

Учитывая, что струя сужается по течению воды, угол на поверхности струи увеличивается по сравнению с углом на профиле на величину 50.

Малые значения изменения толщины струи позволили заменить малый угол производной

Sв&tg 59= - Н/ . ... (17)

Здесь знак минус учитывает сужение струи. Тогда:

<Ш

всв=0проф.+ 5е=ОпрОф.-— .... (18)

сБ

Угол на средней линии тока

ё = = •••• О9)

С помощью (18) и (19) выразились ц и К на средней линии тока.

Так, после разложения выражения для ¡а в ряд Тейлора, имеем:

(а л ■ а 80 1 • л М м

^ = + = .... (20,

Аналогично:

С помощью соотношения (рис..2):

(18=с1г/8ш8 , ... (22

были получены формулы:

М = Ипроф + ^ = К проф. + Ж , ... (23;

~ 1 . „ ан 1 . гп ан ,„..

где * = ^ «п ^ = ^ (24.

'"оф ¿2 <к проф с1:2

_ $твП1Юф с1Н 1 2 йгН .

- (25)

Учитывая малость значений 8ц, 5К и 5Н, функция (16) была разложена в ряд ( точностью до квадратов 5ц2, 5К2, 5Н2:

____¿37 Я7 я?

= .... (26)

Вычислим производные функции (16)

а/'' б2 Г,

~г"«- (27)

дР

= Н ,... . (28)

^ .... . (29)

дК 2%НЬ2 2

Таким образом, был предложен следующий метод расчета свободно! поверхности:

1. Находятся функции цПроф.(2) и Кпроф(7) на расчетном профиле Х(/.);

2. Находится функция Нпрп1,(-)т уравнения первого приближения (16):

-.2 ( Ж ^

2еН'Ь* ^—2) +"= + ■ - (30)

3. Аппроксимируются значения Н, найденные в расчетных точках с помощь» сплайн-функций. Выбор последних обусловлен тем,что сплайны проходят чере все заданные точки и имеют достаточную гладкость, в то время, как выбо] регрессионной модели может привести к значительным погрешностям.

4. Находятся бц(г) и 8К(г) по формулам (24) и (25);

5. Находится 5Н из соотношения

дР ... 3/-" _ (?/•' —5Н + —Л/ +—8К = 0 дН дц дК

6Н =

6Г .. 8Р„А,дР

—Ьи +-6К /- . ...

дц сК ) дН

(31)

6. Подставляя в (31) найденные значения 8ц, 8К и производные (27...29) получаются уточненные значения

Н = Н л +

лроф

(32)

Для определения давлений по толщине слоя воспользуемся уравнением (15):

^ Г \2

Р Ра

= Я

ре к 2я) и В дальнейшем рассматривалось только гобыточное давление. Расход через водослив определялся по известной формуле

(? = (рсаЬ^2[>Нх .... (34)

где б -коэффициент сжатия струи рассчитываемое по теоретической формуле М.И. Гуревичу ; ф -коэффициент скорости; а -открытие затвора; Ь -ширила водосливного фронта.

я

+ у соэ^ . ...

(33)

_ ££

Учитывая ,что Н = было получено

—О')-«,-~г-

№ Н

V

» +Н/

Г^рофГ /2)

'"/"•А 2

, ! ¿11

(35)

Н Н где у меняется от — до — .

2 2

Для приведения к безразмерному виду выражение (35) делилось "на толщину слоя Н.

Для построения эпюры скорости использовалась формула (12). Подставив в неё выражение для расхода и среднего радиуса, было получено

Н

У

(36)

"проф т /2у

В настоящей работе предусмотривалось построение профиля водослива и свободной поверхности течения. Из геометрических условий координаты свободной поверхности связаны с соответствующими координатами профиля следующими соотношениями:

Хсвоб Хпроф

н1

1 +

(1х,

'^проф , (Хсвой Хпроф)

В четвертой главе рассматриваются численные методы решения задачи расчета водослива практического профиля, приводятся результаты сопоставления

опытных данных с теоретическими, и даются рекомендации к расчету гидравлических характеристик водослива.

Решение задачи расчета водослива начинается с задания его профиля. Алгоритм расчета накладывает на кривую профиля минимальные ограничения: выпуклость вверх , монотонность и существование не ниже второй производной . Профиль может задаваться аналитическим выражением или в виде таблицы. В последнем случае требуется аппроксимация зависимости по заданным точкам.

Были рассмотрены различные типы аппроксимации. Расчеты проводились с использованием Microsoft Excel.

Мерой соответствия регрессии исходным данным в Excel принят критерий R2.

Среди полиномов наилучшим оказался полином четвертой степени, хотя в районе гребня водослива погрешность превышает допустимую.

Значительно лучшие результаты получены для степенной аппроксимации

Х=1,5129Z°'56-0,0033 ,... (37)

(рис.4), которая в заданных точках практически совпадает с табличными значениями (R2=l).

Последнее выражение использовалось для получения связи между линейной координатой Z и координатой вдоль профиля водослива S по известной формуле для длины дуги кривой:

£(_-) = } J \ + x\z)2dz.

о

Кроме того рассматривалась сплайн-аппроксимация, которая широко используется в вычислительной практике.

Наибольшее распространение получили кубические сплайны, которые в узловых точках имеют непрерывную вторую производную, а следовательно, непрерывную кривизну. Непрерывность кривизны является необходимым требованием при расчете водослива.

В главе приведены основные расчетные формулы для различных методов представления профиля. В общем виде для полинома типа

Х-Со+С ,Z+C2Z2+.. +Cn/,n- tc.z',- (38)

ы о

справедливы зависимости

= (39)

(40)

az >-2

п

E'c.z'-1

cosfl= ■ - (41)

Kl/V-1

7-1

1+( £ ¡с,г

Как было указано ранее, наилучшей аппроксимацией профиля Офицерова является зависимость вида

Х=а^+Ь ....

Расчетные формулы для получения решения имеют вид:

ЛX ».,

ак 2

Я

Ф+ак

ок(к-\)/

2 2к-2 г

1(1+а2к2г2'~2)'

Между точками Ъ\Л и Z¡ уравнение сплайна имеет вид:

М^+Ь^^+ф-х,.,)2^^.,)3.... Соотношения для производных и геометрических характеристик:

(к

¿7>> ¿2

совв =

= Ь, + 2С1 (л - + Зй?, (2-7,_ 0 , ■ • •

1 +

2С, + 6ЙГ,(--7,-,)

Л

Кригера-

(43)

(44)

(45)

(46)

(47)

(48)

(49)

(50)

(51)

(52)

Сложный вид уравнения (30) не позволяет использовать прямые методы для его решения. Поэтому были использованы приближенные методы решения, в которых многократно повторяется процедура вычислений для каждого шага итерации.

Задача нахождения корней уравнения вида f(x)=0 приближенными методами решалась в два этапа:

- Отделение корней, то есть установление возможно малого отрезка [ a, b ], на котором содержится только один корень.

- Уточнение грубого корня ХО с заданной точностью б одним из итерационных методов, например, методом деления отрезка пополам.

Было рассмотрено выражение

F (Н, [1проф> Кпроф) -Н аГ^проф О,... (53)

как уравнение относительно толщины слоя Н.

Видно, что функция монотонно убывает и имеет на отрезке [0,а] единственный корень. Блок-схема алгоритма приведена на рис. 5.

Программа по расчету водослива написана на языке Borland С++ Builder и предназначена для работы под управлением Windows 95/98, являясь таким образом, Windows - приложением. Программа состоит из шести модулей и пяти форм.

По приведенной методике были выполнены расчеты водослива с подпором для профиля Кригера-Офицерова (рис.6...8). Анализ результатов показывает, чте у гребня водослива на профиле устанавливается вакуум, значение которогс уменьшается вдоль течения и в конце концов давление становится равным атмосферному, что соответствует критерию построения профиля.

Влияние второго приближения сказывается лишь у гребня, что объясняете? относительно небольшими радиусами кривизны и максимальными для потокг толщинами течения. Поправка направлена в сторону увеличения толщины слоя.

Ниже по профилю радиус кривизны струи практически совпадает с радиусол профиля и значение поправки становится пренебрежимо малым.

На всем протяжении профиля скорость в поперечном сечении изменяется п< линейному закону, увеличиваясь вниз по течению. Максимального знамени; скорость достигает на профиле водослива.

Давление в сечении изменяется по квадратичному закону, изменяясь о: вакуума на профиле, переходя в избыточное давление внутри течения и i атмосферное на свободной поверхности.

Расчетный профиль течения соответствует представлениям о его характере.

На профиле водослива вдоль течения давление приближается i атмосферному, а скорость монотонно увеличивается.

Для проверки адекватности теории проводилось сравнение результате] расчетов с натурными исследованиями одной из основных характеристик течени) - профилем свободной поверхности.

Условия натурных экспериментов :

- Верхний бьеф Нсо=9,5м;

- Открытие затвора а =2,5м; 3,75м; 5м;

- Профиль водослива задавался указанием его координат (Zi,Xi), которьи являлись исходными данными дня проведения численных экспериментов.

На рис.9 приводится сравнение теоретического и экспериментальной профиля свободной поверхности при различных открытиях затвора. Из неп видно, что в целом имеет место хорошее согласование теории с экспериментом Лучшие результаты получены для наименьшего открытия затвора а -2,5м, та!

как здесь выполняются практически все допущения течения в тонком слое. С увеличением величины (1 наблюдается тенденция уменьшения расчетной толщины течения по сравнению с наблюдаемой у гребня водослива и ее превышение в устье.

В пятой главе представлены описание экспериментальной установки, методика проведения опытов и точность измерений.

Исследования выполнялись в МГУП 1998... 1999гг. Экспериментальная установка была размещена в прямоугольном лотке с нулевым уклоном дна шириной 290 см и длиной 1060 см и имела три участка: подводящий, отводящий и участок для размещения основной части установки (рис. 10).

Подводящий участок состоял го приемного резервуара размерами 70 х 290 х 147см и части лотка верхнего бьефа,имеющего длину 200 см, ширину 290 см и высоту 75 см. К этому резервуару вода подавалась насосом марки 0800-57 через магистральный трубопровод из подземного бассейна лаборатории.

Регулировашге расходов производилось задвижкой, установленной на магистральном трубопроводе.

Отводящий участок имел длину 600 см, ширину 290 см и высоту 70 см. В конце лотка был расположен треугольный водослив с острым ребром для измерения расходов.

В качестве базовой модели использовалась водосливная плотина Днепровской ГЭС, которая была выполнена из органического стекла. При принятом масштабе модели 1:25 участок водосливного фронта имел длину 30 см (7,5 м для натуры), что составляло 0,511 В, где В - ширина пролета в свету водосливного отверстия (12 м натуры).

Оголовок и водосливная грань модели выполнялись по координатам Кригера -Офицерова для расчетного напора Нн=9,5м (Ял/=38см). Напорная грань была вертикальной. Высота модели со стороны верхнего бьефа равнялась 98,5 см.

Для решения сформулированных задач, согласно методу критериального планировашш экспертента, было выполнено 93 опыта, которые были объединены в три серии.

Первая серия опытов по определению расходов О и коэффициента расхода ш; вторая серия опытов с измерением свободной поверхности потока и давлений в потоке; третья серия опытов по измерению скоростей V и давлений на элементы сооружения.

Измерение этих параметров осуществлялось следующими приборами: треугольным водосливом, шпитценмасштабом, трубкой Пито-Ребока и пьезометрами.

Отмечается, что модельные потоки с принятыми напорами и расходами характеризуются по числу Фруда (Рг=2,0...8,0) и Рейнольдса (Ке=5,8-105... 15,0-105).

Дается оценка ошибок измерений с помощью используемой аппаратуры. Максимальная погрешность всех параметров составила 5%.

В шестой главе даются результаты экспериментальных исследований.

Пропускная способность водослива для различных напоров определялась при следующих значениях открытий затвора: аЛ,=20см, 15см, 10см, 5 см, (ан=5м; 3,75м; 2,5м; 1,25м).

Опытные данные о пропускной способности и коэффициентах расхода водослива при истечении из-под затвора приведены на рис. 11.

Рассматривая рис.11 можно отметить следующее: при истечении из-под затвора коэффициент расхода т зависит как от величины открытия затвора, так и от напора на водосливе. При этом коэффициент расхода при Нпр М=38см (Н11р „=9,5 м) возрастает от т=0,087при а,~Л,25 м до /и=0,324 приа„=5 м.

Результаты подтверждают закономерности изменения коэффициента расхода, полученные ранее исследователями.

Приводимые значения коэффициентов расхода, полученные в лабораторных условиях, являлись контрольными при расчетах пропускной способности аналогичных сооружешш по предлагаемым нами расчетным зависимостям.

Результаты исследований по распределению давлений в потоке и на поверхности водослива при истечении из-под затвора приведены на рис. 12.

Как видно из рисунка 12, где показано изменение давления на оголовке водослива, характер распределения давления одинаков во всем диапазоне изменения напоров и открытия затвора.

Независимо от открытия затвора эпюр давления на сливной грани практически стабильна.

На рис. 13 приведены эпюры давлений по глубине потока на гребне водослива при истечении из-под затвора при его открытии на а„= 5,0м для напора #пр„=9,5м . Рассматривая эти эпюры, можно отметить следующее: при истечении из-под затвора эпюры давления в створе гребня плотины имели нелинейный характер. Изменение кривизны свободной поверхности потока блияло на соотношение между гидростатическим и действительным давлением в потоке.

Для определения связи между расходами водослива и перепадом давлений были использованы опытные данные лабораторных исследований по измерению расходов водослива и пьезометрических давлений.

Наиболее удобной оказалась линейная связь удельных расходов водослива с относительным перепадом между линией полной энергии в верхнем бьефе и пьезометрическим уровнем на гребне водослива.

Гр}

Линейная зависимость Чв~ f

КР8;

открытиях затворов для профилирующего напора.

Для проверки теоретических выводов о распределении скоростей по глубине искривленного потока были проведены специальные опыты.

Скорости измерялись в 8-и сечениях при напоре Нпр „=9,5м.

На рис.14 приведены эпюры абсолютных скоростей U и составляющих скоростей V, нормальных к плоскости отверстия под затвором на гребне водослива.

являлась устойчивой при различных

Значение абсолютной скорости и у нижней кромки затвора получено из уравнения Бернулли, полагая потери энергии равными нулю:

и = №(Н0-а),„. (54)

Эпюры нормальных составляющих скорости получены для контроля точности измерения скоростей. Этот контроль осуществлялся сравнением расхода, (коэффициента расхода т) измеренного по водосливу и по эпюрам скоростей, измеренных трубкой Пито.

Углы наклона струи в створе "О" при истечении из-под затвора зависили лишь от относительного местоположения струи и не зависили от величины открытия затвора.

Нормальные составляющие скорости V были получены путем пересчета абсолютной скорости и по зависимости:

У = и-со$в, ... (55)

где 0 - угол между направлением касательной к линии тока и нормалью к плоскости створа.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Из анализа современного состояния учета стока воды через водосбросы гидроузла следует, что использование существующих методов измерения расходов требует значительных материальных затрат и времени. Кроме того, они не обеспечивают получения надежных данных, необходимых для планирования использования стока вод, проведения водоохранных мероприятий, и оперативного управлешш водными системами. Из многих сотен построенных и находящихся в эксплуатации гидросооружений только очень незначительное их число имеет натурные характеристики пропускной способности.

2.Произведено сопоставление значений коэффициентов расходов, полученных исследователями в результате модельных и натурных испытаний, для свободного истечения из-под плоских затворов на безвакуумных водосливах; показаны их общность и различия.

3. В результате проведенных расчетно-теоретических исследований с использованием гидродинамической теории течения жидкости в тонком слое, предложены зависимости для:

- определения параметров потока и пропускной способности водослива;

- распределения скоростей по толщине потока;

- определения давления по толщине потока;

- определешш избыточного давления на профиле водослива;

- построения свободной поверхности потока в зависимости от координат водослива.

4. Для решения основных уравнений предложены численные методы. Составлена программа для ПЭВМ по расчету водослива, работающая под управлением \VjndQ\vs 95/98 и обладающая удобным интерфейсом пользователя, в том числе графическим.

5. С помощью методов теории математического планирования экспериментов, теории подобия была спроектирована и построена гидравлическая установка, позволяющая сопоставить полученные теоретические зависимости с экспериментом.

6. Достоверность результатов теоретических исследований подтверждена их совпадением с данными соответствующих экспериментов, выполненных на модели. Кроме того, лабораторными исследованиями установлена правильность предположений и допущений при выводе основных расчетных уравнений, которые справедливы для чисел Фруда (Fr =2,0... 8,0) и Рейнольдса ( Re=5,8-105... 15,0-105) и в рассматриваемом диапазоне изменений Q, H, Р/Н и alН.

Содержание диссертации отражено в следующих публикациях автора:

1. Совершенствование методов экспериментального и расчетного определения пропускной способности водосбросных сооружений в эксплуатационных условиях.//Природообустройство и экологические проблемы водного хозяйства и мелиорации: Тезисы докладов НТК. М.:МГУП, 1999, с.96-97 (в соавторстве).

2. Численные методы решения задачи расчета водослива практического профиля при истечении из-под затвора.//Экологические проблемы водного хозяйства и мелиорации: Тезисы докладов НТК. М.:МГУП, 2000, с.74-75 (в соавторстве).

3. Энергосберегающий способ определения пропускной способности поверхностных водосбросов гидроузлов. //Тех< шлогия энергосбережения, строигельство и эксплуатация инженерных систем. Материалы международной НПК. С.-Пб.:СПбГТУ, 2000, с. 30-32 (в соавторстве).

4. Гидродинамические расчеты водослива практического профиля работающего по схеме истечения из-под затвора XV Международная конференция студенческих научно-исследовательских кружков в Вроцлаве, 2000, (в соавторстве).

5. Определение сбросных расходов через водосливы практического профиля, работающих по схеме истечения из-под затвора. //Центр научно-технической информации ЦНТИ "Мелиоводинформ", Вопросы Мелиорации вып. 1-2, М.: 2000, с. 154 -156 (в соавторстве).

6. Определение параметров течения через водослив практического профиля. Инженерно-физический Журнал, Минск, 2000 (в печати).

Рис.2 Схема истечения

через водослива Рис. 3 Соотношение углов наклона вектора скорости

к-0,66

»- 1,5129 Ь- АОСЗЗ

Рис. 4 Степенная аппроксимация

1 Водослив с подпором ' ягап

<£айл расчет Просмотр Выход

о] а] ч| и

Верхний бьеф(м) р—

Открытие затвора(м) |а5

Начальное значение 2 (м) |51

Конечное значение 2 (м) Г"

Число расчетных точек (<100) |21

Метод Задания ПроФцпд | Степень

Файл Профиля

X Сапса |

Рис. 6 Главная форма

■вшяшннннсщ

л

программы

Р Згдары Р иУ V

асоогст ----^^ ю зэ

0.000153^4 10.32

4 £?7е-Сб У \ 10 31

'5 42Во-05 :02

•0 0001583 / 1023

•0 0002823 / X 1029

-0.0Х3663 / N. 10 28

С 0X47:4 / X. Ю.27

-0 000574* \ 10 <6

-0 С0СС784 N. 10 25

•00С07824 ^ !С2<

Э 02 0.4 05 09 1 У

Рис. 7 Профиль течения. Рис. 8 Эпюры давлений и

скоростей

Рис. 5 Блок схема алгоритма

Рис. 9 Сравнение Экспериментальных и расчетных данных

У//////////////////////////777///////////////////////////^^

10600

гд9со

0.00

'////////////Л

70П

тг

71

Рис 10 Схема эксперементальной установки

1. Приемный бак; 2.Рабочая часть лотка; 3. Отводящая часть лотка 4. Сбросная труба 200 мм; 5. Питающая труба.

С 03 I—

г-г

~Т7

•////У///////////////////////////////,

11 Ф7777

Но.М

(натура)

од ал м п а о.5 рг|

Рис.11 Определение коэффициента расхода при истечении из-под затвора

х - Открытие затвора, а = 5 м

о - Открытие затвора, а = 3.75 м

□ - Открытие затвора, а = 2.5 м ~

Напорная грань затвора

Рис. 12 Эпюры давлений на сливной грани водосброса при истечении из-под затвора.

т/а 1,0

0Д42

0,066 0,033 0,0132

Вертикаль 1

т/а

1Л

Вертикаль 3

100 200 300 400 500

0.342

0,ОМ

СМ 0.033 0,0132

Р/рё

100 200 300 400 500

СМ

р/р8

Рис. 13 Эпюры давлений по глубине потока при истечении из-под затвора 5,0 м ; Н„=9.5 м (<з-=20 см; Б>38 см)

- пьезометрическое давление;

-----гидростатическое давление.

т/а 1,0

ад42

0,066 о.озз

0,0132

Вертикаль 1

т/а 1.0

23 50 75 100 125 у у

0,342

0,066

ДМ/С 0.033 0,0132

Вертикаль 3

/

\

25 50 75 100 125

дм/с и, V

Рис. 14 Эпюры скоростей по глубине потока при истечении из-под затвора а*=5,0 м; Нн=9,5 м 20 см ; Нм=38 см)

---II - абсолютная скорость;

.....V - нормальная составляющая скорости.