автореферат диссертации по строительству, 05.23.16, диссертация на тему:Имитационные модели гидравлических переходных режимов при динамическом регулировании водораспределения на оросительных системах

ИВАНЕНКО НУРИЯ ГАДИЕВНА 0,

ИМИТАЦИОННЫЕ МОДЕЛИ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ПЕРЕХОДНЫХ РЕЖИМОВ ПРИ ДИНАМИЧЕСКОМ РЕГУЛИРОВАНИИ ВОДОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ НА ОРОСИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМАХ

Специальность:05.23.16 -"Гидравлика и инженерная гидрология"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новочеркасск-1995

Работа выполнена в Южном научно-исследовательоком институте гидротехники и мелиорации ( ШШГиМ)

Научный руководитель - кандидат технических наук,

с.н.с. В.Н.ЩЕДРИН

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор ПОЛЯКОВ Ю.П. - кандидат технических наук, с.н.с. КОСОЛАПОВ А.Е.

Ведущая организация - Ккгипроводхоз

Защита состоится iggs года в часов

на заседании диссертационного совета К120.76.02 Новочеркасского инженерно-мелиоративного института им. А. К. Кортунова по адресу: 346408,г.Новочеркасск,Ростовская обл., уд.Пушкинская,111.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИМИ.

Отзывы на автореферат просим направлять в двух ■ экземплярах с подписями, заверенными печатями,по адресу 346409, г.Новочеркасск Ростовской области, ул.Пушкинская, 111, диссертационный совет.

Автореферат разослан 19д5 года_

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук,

доцент В.А.Храпковский

- I -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Экосистемный комплексный подход к управлению водными ресурсами требует качественного улучшения работы всех звеньев открытой сети оросительных систем. При проектировании,строительстве,эксплуатации и реконструкции ОС главными проблемами становятся оптимизация водоотборов из естественных водных источников и разработка,внедрение новых высокоэффективных водосберегающих и энергосберегающих технологий. Решение этих проблем непосредственно связано с улучшении оперативного контроля,недоучета и управления технологическими процессами Еодораспределения с динамическим регулированием с целью минимизации непроизводительных сбросов воды на ОС.

При разработке и исследовании технологических процессов во-дораспределения и водоучета на оросительных системах большое значение имеют расчеты переходных гидравлических процессов течения воды в открытых каналах.Характер и интенсивность протекания этих процессов зависит от состава и структуры сети каналов, образующих ОС,особенностей функционирования на каналах регулирующих перегораживающих сооружений и других факторов.

Но точные расчеты переходных гидравлических процессов в большинстве случаев невозможны',. из-за громоздкости или отсутствия аналитических решений дифференциальных уравнений неустановившегося течения воды в открытых каналах.Полевые исследования и измерения этих процессов в натурных условиях трудны и дороги. Кроме того,число возможных вариантов,как правило, во много раз превышает число реально существующих типовых объектов. Поэтому актуальными становятся имитационные исследования переходных гидравлических режимов на математических и физических моделях, позволяющие оценивать количественные характеристики волновых процессов в разветвленной системе открытых каналов ОС,необходимых как для рационального проектирования,так и для эффективной эксплуатации оросительных систем.

Цель и задачи исследований. Целью работы является исследование свойств и особенностей гидравлических переходных процессов в открытых каналах ОС на математических и физических имитационных моделях при динамическом регулировании Еодораспределения.

Задачи и с с л е д о в а к к к: -получить аналитические решения начальных характеристик, позволяющие рассчитывать кривые свободной поверхности в открытых призматических водотоках и время добегания начальных возмущений до контролируемых створов;

-выполнить численные эксперименты гидравлических переходных процессов на имитационной математической модели с исследованием их особенностей при динамическом регулировании водораспределе-ния при различных начальных и граничных условиях;

-разработать новый способ измерения расходов воды в открытых каналах ОС на основе применения полученных аналитических решений дифференциальных уравнений характеристик;

-выполнить экспериментальные исследования на физической модели процессов формирования,развития и затухания различных волн перемещений;

-разработать методику расчета и прогнозирования параметров гидравлических переходных процессов, соответствующих условиям динамического регулирования ТП водораспределения для существующих и проектируемых оросительных систем.

Методы исследований. Имитационные физические эксперименты выполнялись на большой физической модели, оснащенной специальным попусковым механизмом в головной части, с применением современных средств для регистрации и записи характеристик гидравлических переходных процессов.В качестве датчиков скоростей использовались микрсвертушки системы САНИКРИ, а в качестве датчиков уровней - емкостные датчики уровней. В качестве записывающего устройства использовался многоканальный осциллограф о фотографической лентой.

Имитационные численные эксперименты выполнялись на математической модели неустановившегося движения воды в открытых каналах на основе метода характеристик.Выбор задач исследований, постановка начальных и граничных условий осуществлялись с учетом анализа работы реальных оросительных систем и современных требований к их функционированию.

Научная новизна работы заключается в том, что на основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований получены следующие новые результаты:

-получены аналитические решения дифференциальных уравнений начальных характеристик,позволяющие рассчитывать кривые свобод-

ной поверхности в открытых призматических водотоках и время до-бегания начальных возмущений до контролируемых створов;

-разработан новый способ измерения расходов воды в открытых каналах на основе применения аналитических решений дифференциальных уравнений начальных характеристик;

-выполнены исследования гидравлических переходных процессов ка имитационной математической модели с выявлением особенностей их при динамическом регулировании водораспределения;

-выполнены экспериментальные исследования на физической модели процессов формирования,развития и затухания различных волн перемещений;

-разработана методика расчета и прогнозирования параметров гидравлических переходных процессов на имитационной математической модели для Лево-Егорлыкской (действующая ОС) и Южно-Омской (проект) оросительных систем.

Практическая ценность. Выполненные разработки дали возможность:

-повысить точность гидравлических расчетов установившихся и неустановившихся течений в открытых призматических водотоках;

-обосновать методику расчета времени добегания начальных возмущений до контролируемых створов открытых водотоков;

-разработать новые способы определения расходов воды в открытых каналах ОС;

-обосновать методику применения имитационной математической и физической моделей для расчета характеристик переходных гидравлических процессов при динамическом регулировании водораспре деления на ОС;

-показать на примере существующих и проектируемых систем орошения возможность и необходимость применения имитационных математических моделей неустановившегося течения воды для разработки водосберегзющих и энергосберегающих технологий водорас-пределения на ОС.

На защиту выносится комплекс вопросов имитационных исследований на математических и физических моделях .включая полученные зависимости для расчета гидравлических переходных процессов в системе открытых каналов ОС,которые могут служить основой для разработки водосберегающих и энергосберегающих технологий.

Достоверность научных положений диссертации

подтверждается использованием стандартных численных процедур интегрирования,удовлетворительным совпадением результатов расчета по разработанным методикам о результатами экспериментальных исследований, применением при выполнении исследований современной электронной измерительной и вычислительной аппаратуры.

Внедрение результатов исследований. Результаты работы использованы проектными институтами Севкавгипроводхоз.Южгипроводхоз для оптимизации конструктивных, параметров .при разработке технологий водораспределения,согласования режимов работы технологического оборудования на Лево-Егорлыкской и Южно-Омской (конкурсный проект Южгипроводхоз) ОС. Результаты исследований вошли в специальные разделы следующих нормативных и регламентирующих документов,разработанных при непосредственном участии автора: "Инструкция для диспетчерского управления водораспределением на магистральных и межхсзяйствен-ных каналах (на примере ЛЕОС)" (Новочеркасск,1987г.); "Инструкция по расчету параметров неравномерного режима течения воды в открытых каналах" (Новочеркасск,1988г.); "Временное руководство по проектированию и эксплуатации автоматизированных оросительных систем" (часть 1,Новочеркасск,1989г.).

Аппробация работы. Основные положения диссертации докладывались: на X научной конференции по сельскому ; хозяйству (Ташкент,1980г.); на объединенной научно-технической конференции ВАСХНИЛ, СКНЦБШ, НИМИ, ЮжНИИГиМ и Юкгшрсводхоз (секция гидравлики),(Новочеркасск,1988г.); на региональной научно-технической конференции "Экологические вопросы мелиорации Северного Кавказа" (Новочеркасск, НИШ, 1990г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 научных статей и получено авторское свидетельство на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения,пяти глав,списка литературы из 104 наименований и содержит 138 страниц машинописного текста,в том числе ¿8 рисунков и 15 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обосновывается актуальность теш диссертации,цель и научная новизна исследований, практическая

ценность и характеризуются основные положения диссертации.

В первой главе обосновывается актуальность темы исследований, связанной с технологическим усовершенствованием метода динамического регулирования технологическими процессами водораспределения на основе исследования гидравлических переходных процессов на имитационных математических и физических моделях.Подчеркивается необходимость разработки и внедрения на системах водораспределения ОС новых ресурсосберегающих технологий, базирующихся на методе динамического регулирования.Приводится обзор работ по исследованиям переходных гидравлических процессов в открытых призматических руслах,анализируются наиболее перспективные способы и схемы регулирования, предложенные различными отечественными и зарубежными исследователями.

Вопросам технического и технологического совершенствования и повышения эксплуатационных характеристик ОС, исследованию переходных гидравлических процессов в системах водораспределения, моделированию этих процессов посвятили свои труды В.С.Алтунин,

B. А. Большаков, Я. В. Бочкарев, О. Ф. Васильев ,М. С. Грушевский, A.A. Гав-рилов,А.А. Горбунов, А.М.Жарковский,Ю, Г. Иваненко, А. Л. Ильмер, Г.П. Калинин, 0. П. Кисаров, П. И. Коваленко, ¡0. М. Косиченко, В. И. Коржов, Е. Е. Крушель, Л. Д. Кузьмичева, Э. Э. Маковский, М. А. Михалев, В. И. Ольгаренко Ю.П.Поляков, В.А.Рожнов, Б.А.Соколов, P.M.Тюменев,Е.Г.Филиппов,

C.А.Христиансвич, Д.В.Штеренлихт, В.Н.Щедрин и др.

Аналитический обзор показал,что метод динамического регулирования является одним из наиболее эффективных методов,применяемых для минимизации непроизводительных сбросов воды из систем водораспределения.Для реализации метода динамического регулирования на стадии разработки проектов ОС должны проводиться гидравлические имитационные исследования на математических и физических моделях,а также вариантные сравнения режимов эксплуатации водораспределительных каналов,в том числе подпорно-переменных, с целью выбора оптимального варианта эксплуатации их.

Во второй главе рассматриваются гидравлические переходные процессы в системе открытых каналов и обосновываются алгоритмы функциональной математической модели технологических процессов водораспределения на ОС на основе метода характеристик.

В общем случае расчет гидравлического переходного процесса подразделяется на два этапа: 1-й этап Еключзет расчет начальных

характеристик (расчет кривой .свободной поверхности воды з расчетных бьефах .до момента возмущения и времени добегания по ним начального возмущения); 2-й этап включает расчет параметров неустановившегося течения,изменяющихся во времени и пространстве (х,Ь),У=£ (х, I) (х, I) .При этом 2-й этап выполняется,спираясь на результаты расчета 1-го этапа.В качестве граничных условий могут быть использованы законы изменения глубин (или расходов воды) в створах возмущений (Ъ),0=Г(0.Створы возмущений могут располагаться в'начале,внутри или конце расчетного участка. Они могут совпадать со створами сопряжений бъефоз.со створами смены уклонов дна,отборов воды и др.Длины расчетных бъефов должны быть кратными или равновеликими.

Математическая модель ТП всдораспределения разработана на основе численного решения системы дифференциальных уравнении Сен-Векана методом характеристик.Система обыкновенных дифференциальных уравнении характеристик получена в виде:

вбе = ± (1)

в

/ / с , \

С4 - Т мГЗЕ^* ^

" сг>*с*А/ <3 1о

Для призматических русел выполняется условие

¿СО „ (3)

*>

где Н - глубина потока.

Используя (3).соотноление (2) преобразуем к виду

О- 1

<*Х = - ^ у- (4)

где

(¿г - _

со*-с * Я

)

3¿4 -

2 = ~-■ * ^—¿а

¿<? V 2 К

Дифференциальные уравнения характеристик, представленные в в форме (1),(4).удобны для качественного анализа.

Невозмуденнзя часть (4) совпадает при =0 с обыкновенным дифференциальным уравнением неравномерного установившегося течения зоды в открытых призматических водотоках в Еиде:

о1х. =

а -

(¿е -

а-

О

(в)

Псдставляя (1) з (5), найдем

а-

ео^с^/г

¿н

кч

5 методе характеристик начальным условиям соответствуют начальные характеристики. Дифференциальные уравнения (5), (7) являются обыкновенными дифференциальными уравнениям! начальных характеристик.

Начальными характеристиками является аналитические решения дифференциальных уравнений (5),(7).полученные з виде:

+ 0

' Нл,

1

Нт

,0 1.

Лй Нп

(8)

ПлГ ^ 1

г

+ -—I

' нт

(9)

■= 1 (Вт Нт ВпНп\ Б_ ^ (Нт . К и \ +

где + -5—V ; с?/?^ 2 ИВиН^

Полученная система уравнений начальных характеристик ),с учетом особенностей,определяемых формой поперечного сечения русла канала, условиями работы сооружений,сопряжений расчетных Оъефов и др.,служит основой для функциональней математической модели водораспределения при установившемся течении воды в каналах.

Для расчета неустановившегося течения воды в системе открытых каналов ОС применен метод характеристик. Разностная схема, основанная на методе характеристик,позволяет Еыделять момент времени и пространственную координату,когда и где осуществляется трансформация гладкой волны в прерывную,реально выделяя при этом детали,относящиеся к движению волн.

Для численного решения системы дифференциальных уравнений характеристик (1),(6) заменяют конечными разностями,а коэффициенты осреднягат.Входящие (в качестве сомножителей) в дифференциальные уравнения характеристик коэффициенты заранее не известны и поэтому системарешается методом итераций.

По узлам характеристической сетки расписываются сеязи как для начальных характеристик,так и для внутренних точек.

В третьей главе излагаются условия проведения и результаты исследований на имитационной математической модели гидравлических переходных процессов.Исследования проводились с целью выявления и изучения особенностейсоответствующих разним режимам и условиям эксплуатации открытых каналов ГМС, а также изучения особенностей и характера взаимосвязей' между основными параметрами неустановившегося течения для случаев регулируемых краевых условий.

При переходных гидравлических режимах на подъеме и спаде уровней,если процесс изменения уровней соответствует "форсированию глубин" в створе возмущения,одним и.тем же уровням воды в контролируемом створе расчетного бъефа соответствуют разные величина/расходов воды.Эта неоднозначная взаимосвязь расходов и уровней на подъеме и на спаде СЬПН) наблюдается практически всегда, то есть'¡в течение всего периода развития переходного гидравлического процесса,и проявляется- в виде "петли Гистерезиса"

Степень несоответствия зависит от многих факторов, в том числе от стадии развития процесса,интенсивности возмущения,сопротивления русла.

рассмотрены задачи по определению времени формирования .развития и затухания переходных гидравлических процессов и зависимости их от начальных и граничных условий образования.

Выполнена серия численных экспериментов с граничными условиями в виде "форсирования глубин" в створе возмущения. "Форсирование глубин"- это однозначное изменение глубин в створе возмущения по заданному закону Н = ПО с последующи/ регулированием его в этом створе до полной стабилизации процесса. Рассмотрены периоды установления (стабилизации) гидравлических переходных процессов в бъефах с разной длиной, при разных интенсив-ностях возмущений и сопротивлениях русла.

Введены понятия "расходный полуцикл" и "полный расходный цикл". "Расходный полуцикл" соответствует периоду перевода расчетного бъефа от одного расходного режима с установившимся режимом в другой (также с установившимся режимом течения),а "полный расходный цикл" соответствует периоду возврата его з исходное состояние с исходными расходом и глубиной.

- На рис.1 и 2 приведены графики Н=Г(1), 0=Г(1) и У=£Ч1),построенные по результатам расчетов гидравлических переходных процессов при разных интенсивностях попусков в бъефе длиной 750 м. Сравнение проведено по створам и интенсивностям попусков.

Следует отметить,что в периоды развития гидравлических переходных процессов б створах возмущении наблюдаются экстремальные значения скоростей Умакс.(Умин.) и расходов Омакс.(Омин.). Достигаются они, как правило, к концу периодов возмущений: подъема или спада уровней методом "форсирования глубин".

В табл.1 даны результаты сравнения экстремальных значенией расходов (Омакс. и Омин.),наблюдаемых в створах .возмущений при развитии переходных процессов в бъефе длиной Ь=5000м при разных сопротивлениях русла.

Как видим,чем больше сопротивление русла, тем больше % расхождения между экстремальными значениями расходов воды как в сторону'увёАичения (Омакс.),так и в сторону уменьшения (Омин.),

Табл.1

Результаты сравнения экстремальных значений расходов воды при разных сопротивлениях русла

Коэф.I На подъеме уровней ! На спаде уровней

шеро-1_t_

хова-1 Омако. !Qq .расхождения!i расхождения

тости 1 куб. м/с 1 1 куб. м/с I

n I I ! 1

1 2 3 4 5 6 7

0,015 8,52 7,00 22 3,56 5,00 23

0,022 10,63 7,00 52 1,63 5,00 66

и с теми значениями расходов Оуст..которые соответствуют установившимся режимам течения.

•На рис.3 представлены графические зависимости Q=f(H) (построенные по данным расчета гидравлических переходных ре.чимов в Съефах разной длины),которые имеют еид замкнутой петли и форму параллелограмма ("петли Гистерезиса").Малая диагональ ее совпадает с зависимостью Qo=f(Ho) для условий равномерного установившегося режима течения.Правая часть (от малой диагонали) петли Гистерезиса соответствует области подъема уровней, а левая часть ее - области спада уровней.

Как показали исследования, в зависимости от интенсивности возмущения, сопротивления русла канала и других факторов различие в величинах расчетных расходов Q на спаде и подъеме уровней может достигать 100 и более Так как гидравлические переходные процессы' в бъефах регулирования имеют большую продолжительность во времени (до 10 и более часов),в указанных условиях использовать существующие традиционные средства измерения расходов воды нельзя,особенно для коммерческих целей.

Для повышения достоверности и точности Еодоизмерения необходимы -способы, основанные на аналитических решениях уравнений, описывающих движение воды е открыты;'; Есдотоках.

В разделе 3.3 изложены ноЕые способы определения расходов

ЦИКЛЕ« С

Н.м C^vr/c

,РАСХОДНОМ ¡1 шшш,, й 15ЬФк С L s 750 м илшзоал. х--0>

_ ,h= 4СМ<И=4,»с%«Н)

Рис. I.

СТВ-6(СЕРЕДИНА БЬЕФА) ¡./2=7*0/2-375«

ГЛЁ.Ю ЩГ-ЕДПОГ.ЛЕАНИИ) X = В75м

Рис.2

s <

Es

Щ

Ii! S

2 <

m

л

й taL

in

м w

w

î ? ? g S 3 ? s g

li fiiiilî.

11

о

воды в водотоках с призматическим руслом (защищены авторскими свидетельствами), основанные на использовании аналитических решений уравнений начальных характеристик (10),(11),преобразованных в соотношения,удобные для расчета расхода воды.Для создания большего перепада (по сравнением с бытовым) участок канала для водоизмерения выполняется с обратным уиюнсм дна. В первом способе используется тип профиля свободной поверхности Ь',тип движения воды докритический (кривая спада), а во втором способе -С ,тип движения сверхкритический (кривая подпора). Второй способ мсжет применяться также для определения расхода воды на пересеченной местности,за затворами ПС,там,где образуются кривые подпора со сверхкритическими режимами течения воды.Разработана специальная компановка таких уалов водоизмерения,обоснованы их конструктивные размеры и условия сопряжения на границах.

Автором выполнена серия численных экспериментов по разработанной расчетной программе 0РН1 по определению величин расходов воды в каналах с призматическим руслом по новым способам,в результате которых подтвержден вывод о высокой точности их.

В четвертой главе описывается физическая экспериментальная модель,измерительная аппаратура,методика проведения экспериментальных исследований и результаты исследований резко изменяющихся переходных гидравлических процессов.

Исследовались резко изменяющиеся волны перемещения,параметры которых не могут быть определены на математических имитационных моделях.

Экспериментальные исследования проводились в лаборатории ГТС САНЖРИ.

Большая физическая экспериментальная модель с-истоит из одного бъефа канала длиной 43 м, с призматическим прямоугольным 1 руслом шириной 0,25 м, уклоном дна 1=0,0005. Материал - кирпичная кладка с цементной затиркой с шероховатостью п=0,016.

В головной части модель оборудовалась вариатором скоростей подъема и опускания затвора,установленного на боковом отводящем канале.Заданием этому затвору требуемой скорости,а также выбором щитков необходимого размера (из набора съемных щитков,устанавливаемых б пазах под управляемым затвором) осуществлялась перераспределение суммарного расхода воды Ообщ,поступающего из напорного бассейна,на начальный Цнач. и попусковый Опоп. расходы. Такой подход позволил избежать инерционности в поступлении по-

- 15 -

пускового расхЪда в экспериментальный канал.

Начальный расход формирует начальные условия,а расход попуска, изменяемый по линейному закону,и время попуска Тпоп определяют граничные условия.

Время попуска Тпоп (период начального возмущения) определялось .с начала трогания бокового затЕора до полного его закрытия (при Формировании во те попусков) или' открытия (при формировании волн из пива).

Чтобы создать резко изменяющиеся гидравлические переходные процессы с различной интенсивностью их формирования,время попуска Тпоп назначалось от 5 с (быстрый,внезапный режим попуска) до 60 с (медленный режим).При среднем режиме время попуска равнялось 20 с.

Для оценки меняющихся во времени и пространстве параметров неустановившегося течения воды экспериментальная модель'оснащалась измерительной аппаратурой (емкостными датчиками уровней и микровертушками) и преобразующей электронной аппаратурой. Динамика изменения параметров потока (уровней Н и скоростей V) записывалась посредством многоканального осциллографа на фотографическую ленту. Осциллограммы обрабатывались с помощью тариро-еочных графиков»предварительно построенных для каждого датчика.

Емкостные датчики уровней воды устанавливались в контролируемых створах по длине экспериментальной модели на расстояниях 5, 15 и 30 м от головного (нулевого) сечения. В тех же створах и вертикалях для оценки актуальных скоростей неустановившегося потока устанавливались микровертушки системы САНИИРИ (диаметром 6 мм) по 3 штуки на каждой вертикали на расстояниях от дна мо-дели:0,05, 0,20 и 0,34 м.

Перед каждым экспериментом все датчики измерительных устройств приводились к индивидуально фиксированному нуле отсчета с тем,чтобы осциллограммы не выходили за пределы фотографической ленты и нё пересекались друг с другом,то есть каждому из них присваивалась своя "дорожка" с определенным диапазоном.

Проведено 3 серии экспериментов.

В первой серии исследовался простейший тип положительной нисходящей волны.Ставилась задача определения зависимости времени добегания начального возмущения от начальной глубины в канале , величины расхода попуска и сопротивления русла канала. Время добегания фронта волны возмущения фиксировалось хронометром.

На рис.4 приведены графические зависимости времени добега-ния начальных возмущений, от начальных и граничных условии,пост-

персоеХ

роеннные по результатайг/серии. Зависимость времени добегания начального возмущения от расхода попуска Опоп при разных граничных и начальных условиях приведены в табл.2.

Табл.2

Зависимость времени добегания начальных Еозмущений от расхода попуска Опоп

Ннач,см1Опоп,л/с !Тдоб,с 1 Опоп,л/с 1 Тдоб.С ! Отношение 1

! 1 I 1 1 1 !Тдоб при 0поп=10л/с1 1___________________»

I 1 1 !Тдоб при 0поп=40л/с!

1 , 2 1 3 1 ! 4 1 1 ! 5 ! 6 1 1 1

0 10 68,0 40 33,0 2,06 1

5,0 10 42,0 40 29,0 1,45 1

12,0 10 29,0 40 23,0 1,25 !

15,0 10 25,7 40 25,0 1,03 1

Указанное отношение (табл.2) в рассматриваемом диапазоне изменения начальных глубин Ннач от О до 15 см и расходов попуска Опоп от 10 до 40 л/с изменяется от 2,06 до 1,03.

Таким образом,при небольших начальных глубинах в каналах ОС влияние величин попусковых расходов воды значительно и с этим следует считаться. Скорости перемещения волн попусков при этом могут в 2 и более раз превышать расчетные и могут вызвать аварийные ситуации и разрушения в каналах (особенно земляных).

Во второй серии экспериментов исследовались сложные положительные волны попусков с одновременным замером основных параметров неустановившегося течения (уровней воды и скоростей течения) в течение 900 с.'Начальный расход Цнач=10 л/с, а расход попуска Цпоп=15 л/с.Время попуска соответствует: при медленном режиме- 60 с;при среднем- 20 с;при быстром- 5 с. Момент начала попуска соответствует моменту включения измерительной аппарату-

ры.Начальные условия для всех режимов попуска - установившийся режим течения воды при расходе 0нач=0,010 куб.м/с.Граничные условия: расход попуска 0поп=0,015 куб.м/с; время попуска (Тпоп): при медленном режиме- 60 с, при среднем- 20 с, при быстром-5 с. Момент начала попуска соответствует моменту включения измерительной аппаратуры.

На рис.5 приведены графики изменения придонных скоростей потока для створа N1 при медленном, среднем и быстром режимах попуска.

В третьей серии исследовалась отрицательная нисходящая волна (волна излива). В реальных объектах такие волны могут быть при прекращении поступления воды в канал (случай внезапного отключения перекачивающей НС в машинном канале),а также (как аварийный случай) при обрушении водоцержащкх стенок в начальном сечении бъефа.

На рис.6 приведены результаты сравнения изменения придонных скоростей во времени.

Анализируя результаты изложенных серий физических экспериментов можно сделать следующие выводы:

1. Воздействие резко изменяющихся гидравлических переходных режимов течения на скоростное поле и кинематику потока проявляется по-разному для разных типов волн и разных условий образования их.

2. Экстремальные значения скоростей наблюдаются в створах возмущений (в остальных створах меньше) и достигают своих крайних значений к концу периодов возмущений.

3.Скорости в придонных областях неустановившегося потока при всех типах волн перемещений больше. Это следует учитывать при эксплуатации каналов ОС,особенно земляных.Они могут размываться и разрушаться даже при небольших попусках с незначительной интенсивностью.А большие расходы и интенсивности попусков для них недопустимы.

4.Все изменения расходов воды в неустановившихся потоках связаны в основном с изменениями скоростей течения,которые быстро реагируют на воздействие отраженных волн. Уровни воды (глубины) изменяются при этом более плавно,практически незаметно.

5.Численные эксперименты по проверке адекватности физической и математической моделей показали,что последние при расчете резко изменяющихся гидравлических переходных процессов дают за-

«мл

0.7 /

0£ I

0.4

аз 02 0.1

а»

СЛОЖНАЯ ВОЛНА ПОПУСКА

СЕРИЯ 15 ГРАФИКИ ИЗМЕНЕНИЯ ПРИДОННЫХ СКОРОСТЕЙ

, Ц-" ПРИ РАЗНЫХ РЕЖИМАХ ПОПУСКА

V» (Ш =1а7

Ш) 120 да ¿ю з!*! жо ¿¡а 41ю &*) (йхкзео ткГ * - С ™

УЬлкг. _ 0.85

из

I

120 180 »к) 30036042)¿11«)54}>фо660 721Г 0 6(1 120 и!о *1():<00 :<£()/¿огл*

Дм /с

Ум<иг - 1.05 - 5 р.- 112) У„ 040

ю га зо «а 31 ей гидригрлф гшлуш

РЕЖИМ ПОПУСКА

1 - МЕДЛЕННЫЙ —

2 - СРЕДНИЙ -

3 - ВНЕЗАПНЫЙ —

1141 ада ада «и дун »¡и вр ^ ^ С

■Рис.5

о I РИЦАТЕЛЬНАЯ НИСХОДЯЩАЯ GFPHfl Р ВОЛНА ( ВОЛНА излива )

V. кд:

1) СРАВНЕНИЕ ПО СТВОРАМ ( для РАЗНИ* РЕХКМОВ «ЗЛИИЛ )

V. М/С

t.c

МЕДЛЕННЫ1* |»КТИМ

I т • ао< >

CT В M*1 (Lss «) СТВ. N"2 IL =11:«) CTE.N*3(L = 30«)

-t.C

ниженные на 20-30% результаты в части определения экстремальных скоростей неустановившегося потока.

В пятой главе приводятся результаты исследований и практических расчетов параметров динамического регулирования для условий реально действующей ОС (Лево-Егорлыкская) и проекта ОС (Южно-Омская,проект Южгипроводхоз) на имитационной математической модели.

На стадии разработки технического проекта АСУ ТП для 1-й очереди ЛЕОС рассмотрены следующие практические задачи:1) проверка пропускной способности магистрального и межхозяйственного каналов;2)определение времени добегания начальных возмущений по системе водораспределительных каналов; 3)расчет времени добегания расходов до конкретных водопотребителей, зависимость его от условий эксплуатации ПС (в частности,от величины создаваемого ими подпора);4)проверка метода динамического регулирования на головном участке МК переключением агрегатов головной НС на величину "отказного" расхода.

По данным позициям даны рекомендации,которые вошли в "Инструкцию для диспетчерского управления водораспределением на магистральном и межхозяйственном каналах (на примере ЛЕОС)" и в ПРИЛОЖЕНИЯ к ней с расчетными материалами.

Южно-Омская ОС имеет систему открытых магистральных и распределительных каналов с машинной подачей воды с каскадом пода-' ющих и перекачивающих НС с общей протяженностью 94 км;каналы в земляном русле,заложение откосов ш=3.

Анализ выполненных практических расчетных задач показывает, насколько важны для служб эксплуатации такого характера исследования, расчеты и рекомендации по их результатам.

В результате анализа результатов численных экспериментов при различных вариантах эксплуатации технологического оборудования в машинных каналах ЮООС сделаны следующие выводы:

1)имитационные математические модели на основе метода характеристик и разработанный на основе их программный комплекс (ПК) позволили рассчитать важные параметры динамического регулирования ТП водораспределения и оптимизировать конструктивные, гидравлические,технологические решения;

2)величины изменений уровней (снижение,подьем, их интенсивность) различна на разных участках каналов и зависят от конструктивных особенностей их (длина,заложение откосов и уклон дна,

сопротивление русла и др.).производительности подающих и забирающих НС и их агрегатов;

3) наибольшую опасность для целостности каналов представляют случаи полных отключений забирающих НС;

4)чем короче участок канала между подающей и забирающей НС, тем больше опасность быстрого переполнения резервных объемов их в результате полных отключений забирающих НС; в рассмотренных случаях запас времени до момента достижения уровней до бровок каналов исчисляется от 10-15 минут до одного часа (даны рекомендации по увеличению в проекте строительных глубин Нстр);

4)не меньшую опасность представляют в случаях коротких участков между технологическими звеньями включения подающих НС на всю производительность их,а также отключения отборов воды водо-потребителями, расположенными внутри данного участка, если расходы отборов значительные.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1.Разработаны и реализованы в имитационных математических моделях алгоритмы для расчета начальных характеристик неустановившегося движения воды в открытых каналах.

2. На основе алгоритмов начальных характеристик разработаны новые способы определения расходов воды.

3.Уточнена, усовершенствована и реализована на ЭВМ,подтверждена численными экспериментами методика исследований и расчета гидравлических переходных процессов в открытых каналах ОС с учетом различных краевых условий и их особенностей.

4.Исследованы и выявлены особенности гидравлических переходных процессов в условиях динамического регулирования ТП во-дораспределения на ОС.Разработан ряд нормативных документов.

5. Экспериментально доказан и всесторонне исследован гидравлический эффект,заключающийся в том,что при переходных гидравлических режимах течения воды в открытых каналах на подъеме и спаде уровней одним и тем же уровням соответствуют разные расходы воды (так называемый эффект "петли Гистерезиса").

6.Исследованы на физической модели характеристики и особенности резко изменяющихся гидравлических переходных процессов. Исследованы разные типы волн перемещений при разных начальных и граничных условиях.

7. Разработаны практические рекомендации по уточнению неко-

торых конструктивных,гидравлических параметров,технологических решений для действующей ОС (ЛЕОС) и проекта ОС (ЮООС) для минимизации на них непроизводительных сбросов воды и решения задач вода- и энергосбережения.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1.Иваненко Н.Г.Структурные особенности критериев моделирования при постоянных числах Фруда.Доклады республиканской научной конференции.-Ташкент,1973г.

2.Иваненко Ю.Г. .Иваненко Н.Г. Об одном варианте численного решения дифференциальных уравнений характеристик неустановившегося течения воды в открытых призматических руслах. Труды ТИИИМСХ. Вып.78.-Ташкент,1976г.

3.Иваненко Ю.Г., Абдураупов P.P.,Хорст М.Г., Иваненко Н.Г. Применение метода аппроксимирующих функций для численного решения одномерных задач гидравлики открытых русел.Сб.тр.САНИИРИ Вып.152. -Ташкент,1977г.

4.Абдураупов P.P., Иваненко Н.Г. Начальные характеристики переходных процессов в открытых руслах^Материалы X конференции молодых ученых УзССР по сельскому хозяйству. -Ташкент,1980г.

5.Иваненко'Ю.Г. .Щедрин В.Н. .Красовский М.Г., Иваненко Н.Г. Разработать алгоритмы математической модели и программное обеспечение для автоматизированного водораспределения на оросительных системах Северного Кавказа ( на примере ЛЕОС ).Отчет о НИР КМШИГиМ,ХД-5.5. -Новочеркасск, 1986г.

6.Временное руководство по проектированию и эксплуатации автоматизированных оросительных систем /Щедрин В.Н..Иваненко Ю.Г. и др. - Новочеркасск: Изд-во НПО "Югмелиорация", 1989г. Часть 1,рагдел 3.2.-с. 35-41.

7.Инструкция для диспетчерского управления Еодораспределе-нием на магистральных и межхозяйственных каналах ( на примере ЛЕОС).- ЮжНИЙГиМ.»Новочеркасск.1987г.(в составе исполнителей).

8.А.с.1659713 А1 (СССР), МКИ G CI F 1/00. Способ определения расхода воды на открытом водотоке с призматическим руслом/ Ю.Г.Иваненко,В.Н.Щедрин,М.Ю. Красовский,Н.Г.Иваненко и В.И.Кор-жов.- Заявл.14.07.87г., N4307530/10; Опубл.30.06.91, Бюл. N24 - 3 с.

Э.Иваненко Н.Г. Некоторые вопросы физического моделирования гидравлических переходных процессов //Гидротехнические со-

оружения и вопросы эксплуатации ОС. Сб. тр. ЮжНИИГиМ. "Новочеркасск, 1987г.

Ю.Иваненко Н.Г. Воздействие резкоменнющихся переходных процессов на характер изменения скоростного поля во времени на физической модели //Использование ЭВМ в планировании и управлении водохозяйственными системами и процессы эксплуатации ОС. Сб.тр.ЮжНИИГиМ. -Новочеркасск,1988г.

11.Щедрин В.Н..Иваненко Н.Г..Носова Т.Ф. Исследования гидравлических переходных процессов в бъефах магистрального канала JIE0C //Использование ЭВМ в планировании и управлении водохозяйственными системами и процессы эксплуатации ОС. Сб.тр. ЮжНИИГиМ. -Новочеркасск,1988. -С.87-98.

12.Программный комплекс для имитационного моделирования статических и динамических процессов в открытых каналах гидромелиоративных систем / Иваненко Ю.Г., Щедрин В.Н., Коржов

•В.И., Иваненко Н.Г.и др. М.:ЦБНТИ Минводхоза СССР,1988г,4 с.

Подписано в печать 16.05.95 г. Объем 1,2.п.ла Тираж 100.' Загаэ 8» ©?.

Типография Новочеркасскогсг государственного технического ун-та 34642в.' Новочеркасск, ул» Просвещения; И?»