автореферат диссертации по строительству, 05.23.16, диссертация на тему:Методы гидравлического расчета водопроводящих трактов и сооружений открытых оросительных систем при бурном режиме течения

р г МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ Г| О ийщроИЕЛИОРАТИВНЫИ ИНСТИТУТ

- .-IIP Ш':

На правах рукописи

ВАГАПОВ РАВИЛЬ ИСЛАМОВИЧ

УДК 627. 13:6S7. 14:626, 82

11ЕТОДН ГИДРАВЛИЧЕСКОГО РАСЧЕТА ВОДОПРОВОДЯЩИХ ТРАКТОВ И СООРУЖЕНИИ ОТКРЫТЫХ ОРОСИТЕЛЬНЫХ СП СТЕН ПРИ БУРНОЙ РЕПИНЕ ТЕЧЕНИЯ

Специальности:

05. S3. 16 - Птраалга<а и инженерная гидрология 05. 23, 07 - Пиротехническое и мелиоративное

строительство

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискаше ученой степени локтора технических наук

Кхш - 19(34

Работа выполнена в Казахском научно-исследовательском институте водного хозяйства

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

доктор технических наук, профессор

доктор технических наук, профессор

Л. И. Высоцкий С. А. Кузьмин Д. В. Штеренлихт

Ведущая организация - ИЦ Союзводпроекг

Защита диссертации состоится " 1994 г.

в /Г^ часов на заседании Специализированного совета Д 120.16. 01 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора технических наук при Московском гидромелиоративном институте по адресу: 127550, г. Москва, ул. Прянишникова, 19.

Просим Ваш отзыв, заверенный печатью, направить в 2-х экз. по адресу: 127550, г. Москва, ул. Прянишникова, 19, НГМИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГМИ.

Автореферат разослан "«¿Г» ил^иыл^ 1994 г.

Ученый секретарь Специализированного Совета, канд. техн. наук, профессор

Л. В. Яковлева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В республиках эдней Азии, Казахстане, Закавказье,на юге Россия и Украины э большую остроту приобретают проблемы экономии водных ресурсов устранения негативных экологических - последствий, вызванных стенсилнш.! развитием мелиорации в этих регионах.Одним из главных правлений в их решении является сокращение фильтрационных и /па непроизводительных потерь на орошаема землях,что связано к с широким использованием противофяльтрационных покрытий в крытих каналах оросительных систем, так и автоматизацией цоучета и водораспрэделения.

Опыт строительства и эксплуатации открытых оросительных стен в горных и предгорных районах (с бурным режимом движения) крил ряд нерешенных проблем проектирования и инженерных расчетов налов и сооружений.Среди них - это,прежде всего.обеспечение ус-йчивости движения потоков. Волнообразование в каналах катящиеся волны"), кроме дополнительных динамических нагрузок на лицовку л сооружения, полностью нарушат работу средств доизмерения, автоматики и водораспределения, что особенно остро разилось на современном этапе развития оросительшх систем.

С проблемой устойчивости бурного потока столкнулись еще в 60-х дах при проектировании водосбросных сооружений высоконапорных отин. Теоретические основы ее решения получили развитие в ботзх В.В.Ведерникова,Н.А.Каргвелцивили.Т.Т.Войнич-Сяноженшадго, М.Лятхврз.Р.Иауэлла, Р.Дреслера, К.Кваса и других. Однако тзоре-чоскко решения в рамках линейной теории вола малой амплитуда ют существенное рзсхокдение с экспериментом в сторону "усиления* ятерия устойчивости (числа Фрудз), что было выявлено 8 экспери-ита лышх исследованиях Н.И. Арсениивили,Е.П.Федорова,М.Р.Разумов-эй, С.Молтуори, А.О.Гембаряна, Р.И.Вагапова, В.А.Соколова, 1.Лаврова и др. Поэтому поиск дальнейших теоретических пений был проложен в работах Т.Г.ВсШшч-Стюженцкого.Н.И.Селт, 3.Коваленко и др.

Несмотря на достаточно большое внимание многих ученых к данной ;б:!о:.ю ряд вопросов до сих пор остались открытыми.Нв раскрыта ■ла физическая картина возбуждения волновых колебаний в

равномерном бурном потоке» нет достаточно обоснован!! зависимостей по определению параметров волнового потока, ела развиты метода расчета противоволновых мероприятий.

Пересеченность рельефа в горных и предгорных районах : позволяет назначать трассу каналов-быстротоков прямолинейно: возникает необходимость в устройстве виражей и повороте сужающихся и расширяющихся переходов, сопрягающих переходов вододелительными сооружениями, дюкерами и акведуками. Деформац бурного штока на этих сооружениях вызывает образован "остановившихся" волн, косых прыжков, что нередко являет причиной снижения пропускной способности.

Разработка методов управления бурными потоками была так связана с началом строительства водосбросных сооружений высок напорных плотин.Теоретические основы двухмерного бурного пото были даны еще в 40-х годах Н.Т.Мелещенко, С.Н.Нумеровым, Г.И.Сух мелом, Н.Е.Кондратьевым, А.Иппеном, Х.Раузе, Р.Хиллом и др.

Дальнейшее развитие методы расчета и управления бурными поток ми получили в работэх Ф.И.Франкля, И.А.Шеренкова, В.Т.Вщев А.А.Турсунова, В.В.Холодкова, Л.И.Высоцкого, Н.Н.Береда, В.Ю.Юди и др. В большинстве случаев разработанные метода расчета нах дились . в рамках двухмерной идеализации и обеспечивали надежн результаты для широких плоских бурных потоков np:i умеренной кинетичности ( 4 < Fro < 30 ) и незначительной кривизна лин тока в плане.

Трехмерная модель бурного потока была рассмотрена в работ А.А.Турсунова, что позволило ему существенно расширить облас применимости двухмерной теории плоских бурных потоков.

Метода управления трехмерным бурным штоком разработа Л.И.Высоцким, Н.Н.Бвредой, В.Ю.Юдиным. Однако при этом возника необходимость в конструировании сложных очертаний поверхнос русла, что ограничивает их использование только для крупных вод сбросных сооружений при экономической оправданности усложнен конструкции.

На оросительных системах пропускная способность сетев сооружений не превышает 50...100 мэ/с, а водовыпускных сооружен - 5...10 ktVc, поэтому конструкция их должна быть простой, к правило с плоским дном. В этих условиях возникает необходимое в решении обратных задач по выбору граничных стенок канала.

Большие скорости вызывают определенные затруднения и п

оленин потока. Эта проблема решалась по двум направлениям: ертикалъного деления с помощью донных камер и галерей^ (Н.Ф.Дане-ия , К.И.Арсенишвили, Ш.С. Бобохидзе, Н.Н.Шведова, Р.И.Вагапов, .З.Беркалиев, С.С.Сатаркулов и др.) и планового деления Ь.И.Франкль, Я.В.Бочкарев,Р.И.Вагапов, Д.А.Баялимов,Л.И.Высоцкий, .Т.Суюнчалиев и др.).

Каждая из указанных методов имеет определенные преимущества и едостатки. Автором работы совместно с Е.З.Борколиевым, Д.А.Бая-имовнм решены конструктивные задачи проектирования одораспроделительных сооружения, теоретические основы которых случили разработку в последующа работах автора.

В связ!} с вшсеизложенянм большое научное и практическое значено имеют уточнение существуодих и разработка новых методов расчэ-а устойчивости бурта потоков, конструирование простых сетевых ооруженкй (виражей, поворотов, сопрягающих сооружений, вододэ-итэлей и др.), позволяющих создавать более совершеннее и надежные росителыше системы.

Цель работы:

-изучение явления самовозбуждения низкочастотных колебаний на вободной поверхности бурного потока и их воздействия на вдравлические сопротивления,уточнение критерия неустойчивости, заработка инженерных методов расчета противоволновых мероприятий;

- разработка методов расчета и управления бурным потоком в »налах с плоским дном, методов конструирования сетевых сооружений пя открытых оросительных систем с бурным режимом движения.

Научная новизна работы состоит в том, что в ной >лученн следующие результаты:

1) раскрыт механизм зарождения низкочастотных пульсационшх элебаний на свободной поверхности бурного потока, заключающийся в ■зонзнспом возбуждении колебаний на поверхности потока грбулентшмл возмущениями придонного слоя и последующая 1момодуляция от разных источников возмущения с выделением низких ютот;

2) установлено вмятв колебаний свободной поверхности на :дравлические сопротивления, заключающееся в формировании в |верхлостном слое спутного волнового течения с направлением, ¡висящим от кинетичности потока;

3) уточнен критерий неустойчивости бурного течения с учетом кономерностей гидравлических сопротивлений и частотных

характеристик начальных возмущений, позволяющий определять хранив перехода готока в неустойчивый резазм течения и начала,, аэрацш потока;

4 установлены зависимости по определению предельных параметров волнового потока;

5) установлена предельная крутизна Фронта волны, решена численным методом двухмерная задача сопряжения бурного потока сс спокойным потоком прыжком-волной с учетом гидравлически: сопротивлений;

6) получены обобщенные уравнения характеристик обеих семейст] при взаимодействии простых волн, разработан метод "подвижны: полюсов" для решения двухмерных задач течения плоского бурноп потока в каналах с криволинейными стенками;

7) разработан численный метод расчета устойчивого движешь бурного потока на вираках с плоским дном с учетом гидравлически: сопротивлений;

8) разработаны принципиальные основы конструировали: сопрягающих и водораспределительных сооружений методом "сшивания1 простых течений по граничным разделительным характеристикам разработаны конкретные конструкции сетевых сооружений, в том числ-защищенные авторскими свидетельствами.

Практическая ценность работа заключается ; том, что полученные зависимости и методы расчета по определега: параметров волнового и бурного потока значительно дополняют ; расширяют применяемые в настоящее время нормативные документы л проектированию каналов и сооружений с бурным режимом движения.

Автором разработаны три методических указания по расчету водо проводящих трактов и сооружений для оросительных систем горно предгорной зоны,которые утверадены НТО ММВХ КазССР(1979-1980г).

Методы расчета доведены до стадии инженерного применения разработан пакет прикладных программ по расчету каналов и сооруке ней с бурным режимом течения на ПЭВМ типа IBM PC/AT.

Разработанные методы расчета инженерных противоволнош мероприятий и предложенные конструкции сопрягающих соорунени позволяют повысить надежность расчета, снизить капитальные затрат на 10...15«. ' •

Реализация работы. Основные результаты диссер тационной работы были внедрены в проектную практик институтаюГКазгипроводхоз", "Казкжгипроводхоз", "Союзгипрорис

при проектировании каналов и сооружений в Алматинской области-Магистралышй Тургенский, Талгарский; в Талды-Курганской области-"Акмолинский", "Кировский"; в Жамбылской области - "Новый-Чон", Правобероишй Аспаринский, Левоберенный обводной Таласский; Окно-Казахстанской - "Дзхабаглы-Су", "Кент-Балтыбрек", "Кировский".

Апробация работы. Результаты исследований и основные положения диссертации докладывались на Всесоюзной конференции "Проблема гидравлической устойчивости" (Тбилиси, 1975г.). Всесоюзном совещении по гидравлике высоконапорных водосбросных сооружений: (Тбилиси,1976г.), Всесоюзной конференции "Автоматизация гидромелиоративных систем" (Фрунзе, 1981г.), XX конгрессе МАГИ (Москва,1983г.), II Всесоюзной научно-технической конференции "Динамика и термина рек, водохранилищ и эструариев" (Москва, 1984г.), научно-техническом Совете ШВХ КазССР (Алма-Ата, Г985г.), техническом Совете по типовому проектированию "Союз-зодпроекта" (Москва,1989г.), Всесоюзном совещании "Средства зодоучвта и автоматизации водоизмерения" (Фрунзе, 1989г.).

По теме диссертации опубликовано 32 статьи (из них в соавторство 6), получено 2 авторских свидетельства, издано 3 методических указания, написано 5 научных отчетов по заданиям отраслевых проблем ШВХ СССР и ШВХ КазССР, разработано 4 трикладнне программы.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, восьми глав и выводов. Рвбота изложена на 241 стр. машинописного текста и зключзет 74 рисунка,список использованной литературы из 251 наиме-ювания, 17 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Первая глава посвящена обобщению опыта проектирования и эксплуатации оросительных систем и сооружений в горно-[редгорной зоне, анализу особенностей гидравлического резкима в :аналах и водопроводящих трактах сооружений при бурном режиме ■ечения.

Продольный профиль территорий, прилагающих к горным хребтам йиого Казахстана и Киргизии в полосе 30...50 км можно :арактэр;тзовать уполакивагсщими кривыми с уклонами в верхней зоне МО...0,15 и в нижней зоне 0,003...0,005.

Анализ технических параметров распределительных сетей и етевых сооружений, проведенный автором по проектам оросительных

систем горно-предгорной зоны Казахстана и Киргизии (1,0 млн.га), показал, что 88% открытой сета имеют уклоны дна больше критически? (рис.1). В то кв время уклоны большинства каналов (97% по оОщэ( протяженности) не превышают 0,05. Удельная протяженность каналов на 1000га орошаемой площади составляет 45,1 км, в том числе каналь с расходами более 10 мЗ/с - 1,9 км.

Состав сетевых сооружений на открытой разводящей сеп определяется главным образом топографическими условиями у назначением каналов. Пересеченность местности определяет необходимость изменения направления трассы и продольного профиля.Поэтому в состав сетевых сооружений входит значительное количество сопрягающих сооружений: сужающихся и расширяющихся переходов, поворотов и виражей. При продольной трассировке канэлог вдоль горных хребтов возникает необходимость в устройстве дюкерных и трубчатых переходов, акведуков.

Обычно магистральные каналы проектируют без изменения строительной глубины,а при изменениях уклона трассы пропускнук: способность регулируют изменением ширины канала с устройством линейных сужающихся и расширяющихся переходов на участках излома уклона. Наибольшее распространение в ирригационном строительства получили каналы прямоугольного сечения из Г-образных блоков и лотковые каналы при расходах менее 1...2 м3/с.

Повороты наиболее часто встречаются в головной части магистральных каналов при трассировании их по одному из склоное ущелья. Угол поворота в большинстве случаев не превшквет 20...30°. При контурном трассировании каналов возникает необходимость е устройстве поворотов на 45...90°. Фактическое среднестатистическое распределение поворотов и других сопрягающих сооружений, ггриведено на рис.2.

Наиболее распространенными сетевыми сооружениями на распределительной сети являются водовыпуски и вододелители. Общее количество их на 1000 га составляет 163,2 ит, из них пропускной способностью до 0,5 к3/о - 152,7 , от 0,5 до 2 м,э/с - 8,4 , более 2 м3/с - 2,1 шт.

Опыт эксплуатации оросительных систем в горно-предгорной зоне показал, что на каналах-быстротоках' - трапецеидального и прямоугольного сечения при небольших наполнениях 0,1...0,3 м,

Рис Л .Распределение магистральных п хозяйствешшх каналов по уклону в горной и предгорной зоне.

Ж 0,02-02

0.5-10

О'

<о

йб

оо 01 Л^оий есг п

ДД5Д.ДЯ «"/с

2.0-50 ¡0-10 Ю~20 20-50 ¡0400

Рис.2.Распределэшга сетевых сооружений оросительных систем горно-предгорной зоны по пропускной способности (ит.на 1000га). 1- водораспределительные сооружения; 2-сапрягакхцио соорукештя.

наблюдается неустойчивость равномерного режима движения, переход его в волновой. Волновой ре»™ движения приводит как к снижению пропускной способности каналов , так и к динамическому воздействию на облицовку, нарушению работа водораспредолителышх сооружений и средств гидроавтоматики (каналы "Аламедой", Талгарский,"Новый Чон", "Ак-Сай" и др.).

При устойчивом бурном течении потока чаще всего неудовлетворительный решм наблюдается в околокритической зоне 1<Рго<л,0, что прежде всего связано с образованием прямых волн и переходом потока на сопрягающих сооружениях в спокойный резким с образованием подпора.

В первые года строительства оросительных систем в предгорной зоне для перевода потока на участке вододеления в спокойный режим широко использовались обычные шлюзы-регуляторы.В последующие годы стали применяться донные водовыпуски. В практике мелиоративного строительства используются типовые проекты Грузгипроводхоза, Казгипроводхоза, Казкжгшхроводхоза, Киргизгипроводхоза.

Анализ опыта проектирования, строительства и эксплуатации оросительных систем в горно-предгорной зоне показал, что, несмотря на значительные успехи в области управления бурными и сверхбурными потоками при гидроэнергетическом строительстве, в практике проектирования ирригационных объектов допускаются серьезные просчеты. Прежде всего это связано с определенным отставанием в разработке нормативно-методических документов, отсутствием методов гидравлического расчета и проектирования с учетом конкретных иквеверных задач, возникающих при создании открытых оросительных систем в горной п предгорной зоне.

Во второй главе дан анализ основных направлений теоретических исследований сверхкритического течения жидкости в каналах и водопроводящих трактах сооружений.

Неустойчивость равномерного течения в каналах-быстротоках и образование "катящихся" волн было обнаружено еще в конце прошлого века Г.Моу (1848). В последующие годы это явление наблюдали П.Форхгейзер (1904), Т.Ркмелэн (1913), Корнит (1914), Баудшп (1928). Детальные исследования этого явления были начаты в нашей стране К.И.Арсенишвшш (1931), П.Е.Челидзе (1934)Е.П.Федоровым (1938),а с началом строительства крупных гидроэнергетических узлов п оросительных систем в предгорной зоне были продолжены К.И.Арсешшвили (1951), Е.П.Федоровым (1954), М.Р.Разумовской

(1957), А.О.Гамбаряном (1959),Р.И.Вагаповым(1963),В.А.Соколовым (1969),Н.П.Лавровым (1981).

Проблема неустойчивости и образования "катящихся" волн привлекла и продолжает привлекать внимание многих ученых в нашей стране и за рубежом. В теоретических подходах в решения этой проблемы можно выделить три принципиальных направления.

J] в р в о о направление основано на анализе одномерных телинейных уравнений неустановившегося движения, исходя из условий сравнения скорости распространения начального возмущения W и £азовой скорости распространения гребня волны.Условие устойчивости эпределяется соотношением

а-с< ¡7 < ш-с, (I)

где ¡т- скорость распространения возмущения; и- скорость потока; с- скорость распространения фазы волны относительно движущего потока со скоростью и и для длинных волн c=/gh.

Впервые условие (I) было сформулировано Бусспнеском, пяльнейяее развитие получило в работах В.8.Ведерникова (1944), ГСи.Стоккера (1957), Дж.Унзема (1977).

Второе направление основано на анализе линеаризированних сравнений неустановившегося движения в рамках классической теории ■^устойчивости дифференциальных уравнений. Оно было сформулировано з работах- Н.А.Картвелишвили (1957), Т.Г.Войяич-Сянояепцкого (1965). Уточнение решений с учетом закономерностей гидравлических сопротивлений выполнено В.В.Коваленко (1976).

Третье направление основано но гипотезе В.М.Лятхера (1968) о "резонансном" возбуждении колебаний на свободной юверхности бурного потока турбулентными возмущениями придонного слоя. В последующем поставленную задачу он решает с учетом влияния ^однородности поля скоростей. Критические значения числа Фруда ю этому критерии лежат в пределах 2,25...4, и можно считать, что îtot критерий определяет только условие зарождения начальных юзмущений и их частотные характеристики.

Природа же зарождения "катящихся" волн в каналах-быстротоках ю сих пор не раскрыто полностью,а теоретические решения вопроса о гх происхождении дают противоречивые результаты. Большинство ^следователей (Н.Л.Коргвелишвили, И. Кваса, Т.Исихара и др.) ¡читают, что возникнемте "катящихся" волн носит чисто случайный, :тахостическкй характер. В то же время В.М.Лятхер и Л.Н. Сре-

тенский, для случая возмущения свободной поверхности вихрем, погруженным в яидкостъ, указывают на существование _собственных колебаний в потоке.

Для решения ряда инженерных задач при проектировании сооружений с бурным режимом движения определенный интерес представляют остановившиеся волны, прежде всего их предельные параметры и предел их существования.

Теоретическим и экспериментальным исследованиям остановившихся волн при сопряжении бурного потока со спокойным значительное внимание уделили В.В.Смыслов, К.Н.Сунцов, С.А.Кузьмин, А.А.Тур-сунов, А.И.Модзалевский, В.Г.Вереземскяй, А.П.Василенко и др.

Большинство исследователей исходят из дифференциального уравнения свободной поверхности штока для быстроизменявдегося движения в форме О.Серре. Решения приводят к уравнению уединенной волна.

Применительно к бурным потокам двухмерная теория в ее современном виде получила развитие в работах Н.Т.Ыелещенко, Г.И.Сухомела, С.Н.Нумерова, Ф.И.Франкля, А.Иппена, Р.Кнаппа, И.А.Шеренкова , Б.Г.Емцева, А.А.Турсунова и др. В основу двухмерной теории принят метод характеристик, который дает обобщающее решение в плоскости годографа скоростей, и функция сверхкритического течения связывает параметры потока с углом изменения направления движения.

Н.Т.Мелещенко, С.Н.Нумеровым, Ф.И.Франклем, Б.Т.Емцевым были получены методы решения двухмерной задачи с учетом сил трения и алгоритмы численного решения конкретных задач. Область применения двухмерной теории ограничена прежде всего принятыми допущениями и при значительной кривизне струй может дать существенные расхождения. Поэтому для оценки области применимости методов, основанных на этой теории, необходимо решить вопрос о предельной . крутизне свободной поверхности потока.

Третья глава посвящена анализу существующие методов расчета и управления бурными и сверхбурными потоками на открытых водосбросах.

По действующим рекомендациям по проектированию открытых водосбросов ( ВНШГ, 1976), расчет на устойчивость движения в быстротоках выполняется по критерию Т.Г.Войнич-Сянокенцкого.

Для определения предельных параметров волнового потока обычно используются зависимости А.О.Гамбаряна, получение на основании

кспериментальных данных, которые также нуждаются в теоретического босновянки.

Инженерные методы предупреждения волнообразования были редлояенн К.И.Арсекшвили, Е.П.Федоровым, М.Р.Разумовской, .А.Картвелиптили, О.Монтуори, А.О.Гамбаряном, Р.И.Вагэповым, В.Л. околовым и др. ПротивоволноЕые мероприятия сводятся к следующим пособам: подбор форга сечений русла (треугольные, узкие рямоугольные, параболические, синусоидальные); повышение не-авномерности поля скоростей (прорези по дну, составные сечения); овшение шероховатости русла; устройство волнорезов и гасителей.

В практшсо ирригационного строительства используется главным бразом первый способ (канал "Туш"-узкое трапецеидальное сечепие, Сводной БЧК - разделительные стенки в прямоугольном сечении ).

Для управления бурными потоками на сопрягающих сооружениях росительных систем в настоящее время используются линейные укающиеся и расширяющиеся переходы, повороты по дугам круга.

Конструкции сужающихся и расширящихся переходов с плоским ном и метода их расчета в рамих двухмерной идеализации были даны работах А.йппена, Д.Даусона, Х.Рауза, У.Матрута, В.Г.Еерез-мского, Б.Т.Емцева, В.В.Холодкова и др. В трехмерной реализации етоды расчета разработаны А.А.Турсуновым.

Дальнейшие уточнения методов расчета осуществляются с учетом ил трения с использованием метода характеристик, и решения задач роводятся численными методами.

Для управления бурннм потоком па виражах и поворотах были редложены конструкции; с плоским дном и резким изломом стенки Б.Т.Емцев), по линиям тока центрированных волн (А.А.Турсунов).

Повороты по дугам круга с плоским дном являются наиболее зспрастранетшми сооружения?® на открытой оросительной сети. На эких поворотах при бурном режиме.течения образуются косые волны, лорне при малых радиусах могут перейти в прямые волны с глубиной

и в последующем - в спокойный реким течения с образованием эдпорэ, т.е. может наблюдаться эффект "запирания".

Детальные исследования течения бурного потока на поворотах по ГГ8М круга были проведены Р.Кнаппом, А.Иппеном. В.Т.Чоу был эедложон метод расчета косых волн, в котором допускается, что оба змействэ характеристик гребня и подошвы волны укладываются в один ?ктор дуги поворота, а высоты волн рзЕШ по длине. В реальности зблюдзется смещение точек пересечения этих характеристик с

граничными стенками и нарастание амплитуда волн.

Гладкую поверхность удается достичь на виражах по, дугам круга с поперечным профилированием дна (Р.Кнапп, Н.Е.Кондратьев, А.О.Гамбарян, А.Д.Гиргидов, Б.Т.йщев, Л.И.Высоцкий).Однако такие виражи имеют ограниченное применение из-за нарушения расчетного режима при изменениях расходов и с .поясности практического осуществления.

Л.И.Высоцким, Н.Н.Еередой, Б.».Юдиным были разработаны методы расчета непризматических участков бурного потока в цилиндрической системе координат с учетом трехмерности потока.Для конструирования сооружений в этом случае задавались очертаниями линий токов. Процедура вычислений выполнялась путем деления потока на ряд полос по линиям тока.

Таким образом, в настоящее время при расчете конструкций, управляющих бурными потоками, используются два метода:традиционный метод характеристик, дополненный уравнениями быстроизменяющегося течения по линиям токе и метод трехмерного описания по цилиндрическим координатам с заданием вида уравнений линий тока. Каадый метод имеет определенные преимущества и недостатки.

Метод характеристик является наиболее разработанным для решения широкого круга задач,особенно в газовой динамике сверхзвукового течения газа. Определенным сдерживающим фактором является отличие течения жидкости и газа в скачках, когда при пересечении характеристик в тяжелой жидкости сказывается кривизна струй.

В настоящее время наличие персональных ЭВМ позволяет широко использовать численные методы расчета, однако до сих пор нет конкретных программ и алгоритмов для счета.

Другой сдерживающей причиной является недостаточная Изученность точности решения численными методами, когда рассеивание точек сетки может вызвать серьезные искажения.

Диапазон возможных решений вторым методом сужается необходимостью выбора очертаний линий тока, обладающих определенными свойствами и позволяющих решать задачу в параметрической Форме, а также соответствующими ограничениями на первые и вторые их производные.

В четвертой главе представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований автора по изучению неустойчивости и волнообразованию в бурных потоках.

Но свободной поверхности бурного потока возникают пульсационные колебания, вызванные турбулентными возмущениями в придошюм слое. Теоретическая модель воздействия турбулентных возмущений на свободную поверхность в рамках линейной теории, предложенная В.М.Лятхером, приводит к заключению о резонансном возбуждении колебаний на определенной частоте. Линейная теория дает только качественную оценку, в количественном отношении она допускаег возможность роста амплитуды ня частоте резонанса до бесконечно больших величин, что объясняется пренебрежением нелятейгеаш членами в уравнении, роль которых в околорезонансной зоне велика.

Автором были проведены эксперименты в лотке прямоугольного сечения Ь=0,215м при уклонах дна 0,С5, 0,075, 0,100, 0,148 и в натуре на 12 объектах с записью колебаний свободной поверхности на осцилограмму. Обработка экспериментальных данных в форме ?(Ше,гг) позволила получить следующую зависимость для средней амплитуда пулъсациошшх колебаний:

Ло -На 11а.Ио1о , (2)

о

где Аа - средняя в!дшштуда пульсационных колебаний; ид -динашческая скорость; Яа- гидравлический радиус; (о- уклон дна;

ускорение силы тяжести; ка- коэффгщиент, учитывающий роль сил поверхностного натяжения и зависящий от числа Г?е; У?е=тй2/а-число Вебера; о- поверхностное натяжение.

Частотные характеристики пульсациошшх колебаний можно выразить следующей эмпирической зависимостью:

хсПо = 0.75 , (3)

где жо = гК/Ъа - волновое число колебаний; 1а- осредаешшй линейный размер пульсационных колебаний; Рг = иаг/$\а - число Фруда.

В теоретических решениях большинство авторов предполагают следующие начальные и граничные условия: х = о , п = /о а)-, t = О , и =ТЪо , т.е. начальные возмущения воздействуют только на входе в быстроток. В реальных же условиях турбулентные возмущения могут воздействовать по всей длине канала.

Кроме того, обычно рассматривают только возмущения, распространяющиеся по положительной характеристике С*-и0+(о\\0)0'5, в то время как они могут распространяться и по отрицательной

характеристике С~- и0- С^;0,5. При и0>(£П0)°■ 5эти колебания также сносятся вниз, однако они могут взаимодействовать с возмущениями, возникшими от никеложащих источников и распространяющимися по положительной характеристике. Поэтому нами предложена следующая модель воздействия турбулентных возмущений на свободную поверхность (рис.3).

На дав канала через определенный интервал Б , раышй линейнопу масштабу турбулентности, возникают источники возмущений, которые вызывают колебания свободной поверхности на резонансной частоте. Эти колебания, распространяясь по полонителышм и отрицательным характеристикам, взаимодействуют и вызывают самомодуляцию первоначальных пульсационных колебаний.

Частота модуляции при взаимодействии колебаний, вызванных возмущениями в точках и Б2(рис.З), могут быть вычислены по точкам пересечения характеристик

- К*1*

о

где Ъ0 - линейный размер турбулентных возмущений; Тт - частота 1-ой модуляции; с0 - фазовая скорость распространения пульсационных колебаний на свободной поверхности.

Амплитуда глубины модуляции при Ареопаг будет равна А1 ш>л =А0.

Теория нелинейных волн предсказывает, что в потоке при модуляции следует ожидать расщепление колебаний на две частоты: и>о - несущую частоту и шп. - частоту модуляции, причем, высокочастотные колебания затухают быстрее, пропорционально квадрату частоты.

Предложенная автором модель позволила разработать программу расчета частот модуляции свободной поверхности бурного потока на .ЭВМ.Как видно из рисунка 4,эта модель дает удовлетворительную сходимость с эспериментальными данными и объясняет возникновение колебаний "ультранизких" частот при неустойчивости потока.

Теоретические исследования В.В.Ведерникова, Н.А.Картвелишвили, Т.Г.Войнич-Сяноженцкого. и др. показали,что на критерий устойчивости штока существенное влияние оказывает закономерность гидравлических сопротивлений.

Исследования . О.М.Айвазяна и X.К.Махмудова, В.С.Боровкова, Е.И.Масс, В.А.Соколова, В.Ф.Талмвзы и Г.В.Романвнко,Ю.Т.Титова, автора и др. показывают, что при бурном режиме течения закономерность гидравлических сопротивлений отличается от принятой

?ис•3. Расчетная схема модуляции колебаний свободной поверхности гатока при взаимодействии возмущений по характеристикам: и+с, и-а.

^0.4. Сравнение расчетных волновых чисел бурного потока

с экспериментальными денными:

1- А.0.Гамбаряна,2- Е.П.Федорова,3- автора вксп.лоток, 4- автора,(натура).

по классической теории Прандтля-Кармана в квадратичной области. Прежде всего это отличие проявляется в профиле скоростей. Как отмечает большинство исследователей, в бурном потоке наблюдается заглубление максимума скорости на (0,2-0,5)Н от поверхности. По результатам натурных измерений автора влияние числа Фруда на гидравлические сопротивления проявляется в области 0,5< Рг0 < 4 в сторону их повышения на 10..Л5% против расчетных по существующим рекомендациям. По данным В.С.Боровкова, при бурном режиме течения и Тг >4..,10 наблюдается снижение гидравлических сопротивлений по сравнению с течением жидкости в трубе в зоне выраженной шероховатости.

По нашему мнению, отклонение гидравлических сопротивлений в открытом потоке в околокритической зоне Тг > 0,5 вызвано наличием пульсационных колебаний на свободной поверхности, когда часть кинетической энергии осредненного потока передается волновым колебаниям. Известно, что волновые колебания свободной поверхности вызывают спутное течение, Дж. Уизем показал, что в рамках линейной дисперсионной теории индуцируемое волновым потоком осредненное течение для любой возмущающей функции q(x) определяется соотношением

^ 2

* пг бг ' (5)

о о

где и'- среднее течение по сечению,сопутствующее волновому потоку;^ = д| - групповая скорость волнового потока; Бэ = [^-р]Е-погок импульса энергии волн; Б = Р8А1/2 - плотность энергии волнового движения; А{ - амплитуда волн; со - фазовая скорость;® -волновое число возмущений.

Как видно из (5),спутное течение, индуцирумое волновым движением, моает быть направлено против основного течения при (?0< с0,что способствует увеличению гидравлических сопротивлений.

Используя линейное приближение Стокса для определения распределения скорости течения по глубине потока, индицируемого волновыми пульсационными колебаниями, нами предложена следующая зависимость для определения профиля скорости:

- = А1пу * В1 + В , (6)

и*

рофиля скоростей в нижнем слое; Bi= B(zoho)zch(2xoho¡j)/ahs(xoho)-яен, учитывающий осредленное во времени волновое - течение, ^званное пульсвционными колебаниями у поверхности; D ээффициент, зависящий от относительной шероховатости; го -элновое число колебаний поверхности ; у - относительная глубина .

Обработка экспериментальных данных О.Н.Айвазяна и .Н.Махмудова, Е.И.Масс, В.А.Соколова, В.Ф.Талмазы, Г.В.Романенко, зтора по (6) по программе EUREKA the Solver.Version 1.0 на ПЭВМ Г/АТ позволила получить значения коэффициента В для {спериментальных профилей с ошибкой, не превышающей 1,6%.При зсчете волновых чисел средняя частота пульсационных колебаний эинята равной 12,5гц согласно экспериментальным данным автора, зраметр В при Fro< 4 тлеет отрицательные, а при Fro >4- пологи-)льные значения.

Определив среднюю скорость по сечет® по (6), получили следую-то зависимость для гидравлических сопротивлений в области виражной шероховатости для бурного потока:

_L_ i.74 < , (7)

/Xd /б

te Kd - коэффициент гидравлических сопротивлений, приведенный к >убе диаметром 4Ra; Rg- гидравлический радиус? Ьа - эквивалента шероховатость облицовки; Be = B(8oha)cth(xaho).

Величина Be,по результатам обработки экспериментальных данных, )инимает значения от -0,6 при Pro * 2 до 0,2 при Fro > 4. Эквивалентная шероховатость fca для' бетонных поверхностей ¡налов, по результатам натурных измерений,равна 0,2...3,0 мм в шсимости от качества и состояния облицовки.

Зависимость (7) хорошо согласуется с данными А.П.Зегвда в олокритической зоне 0,5<Fro<2 и с данными В.С.Боровкова при 1У>о>4.

При расчете устойчивости нами предлагается принимать значение =0 (нейтральные волны), и тогда зависимость (7) переходит в вестную формулу Никурадзе.

Получена зависимости для гидравлического показателя русла

х — 2\i = 3 Шпе/Тл - [ 1 t 41пе/ы }г, (8)

в г = вШ- - параметр, учитывающий форму русла.

Для определения скорости распространения возмущения в канал прямоугольного сечения при начальных условиях t=0, h=hQlpo=cori3 из уравнения неразрывности получена зависимость в виде

- I "о '

где х- гидравлический показатель русла.

Проведен дисперсионный анализ линеаризированных уравнений не установившегося движения путем представления волновых колебани поверхности в комплексной форме

h " Ао ехр t[f&} - От;] = ¿о ехр (1ка - wx)exppx , (9

где к » 2к?г0/10- безразмерное волновое число;П -w ftp - комплексная частота в масатабе безразмерного времени х =t/g/ha.

Подстановка производных по (9) в общее уравнение движения : разделение на действительную и мнимую части позволило получит; следующие дисперсионные уравнения:

для временного кнкримента амплитуды

к ' н с

р - (о J^ZSJL - io JiUL , (io

| - ал с - ал.

где сд/fe- фазовая скорость волн; для дисперсии волнового числа

/

№ „ to /ГЦ - g JO* ♦ g - 3* J

(И

- - 15- (С - шл; / (С- 2ос\- 1 + о\г)

где с - вазовая скорость волн; (о - уклон дна; к *(Рго)0'5; а - корректив количества движения.

Как видно из (10), нейтральные волны существуют при условии

(1 - £ « 0 , т.е. при с в ц х.

Для малых длинных возмущений ЬоЛю>20 фазовая скорость равна

с «= и * /¡¡1\о шш о а^ к + 1 ,

где с^ - отношение поверхностной скорости к средней по сечению и для широкого прямугольного русла а^ 1

Из (10) следует, что волны положительной характеристик затухают в том случае, если фазовая скорость больше скоросз распространения возмущения,т.е.

с = а^ X + 1 > ц X

или f

Pr < - . (12)

° fn -<\

Результаты расчетов частотных характеристик по (II) показывают,, что дисперсионные кривые atfu> = f(Fr,Xd) имеют две асимптотики, которыз ограничены линиями Fro = Frkr, Fro» (.рис.5).

При JVo < JlrAr колебания любых частот затухают, т.е. при этом обеспечивается устойчивое движение.

При Fro > Ргр любые колебания свободной поверхности растут,и так как при этом гребки волн будут обруиаться, данное условие определяет начало аэрации потока.

Промежуточное условие Frkr < Fro < Frp, является условием существования "катящихся" боли (рис.6).

Сравнение результатов 195 натурных наблюдений с существующими критериями показывает (рис.7), что уравнение (10) дает наибольшее приближение к фактическим наблюденным режимам.

Анализ критерия (12) для различных форм поперечных сечений показал, что наибольшей устойчивостью обладают потоки в руслах обрат-носину соидальной формы, затем - с треугольными и узкими прямоугол-ными сечениями.

Использование повышенной шероховатости ограничено условием (Возникновения аэрации потока (рис.6), что в свою очередь может привести к увеличению его расчетной глубины.

В пятой главе приведены исследования автора, посвященные установивиемуся течению бурного потока в руслах прямоугольного сечения. '

Исследование течения бурного потока в трехмерной постановке представляет чрезвычайно трудную задачу, которая разрешима численными методами только при определенных ограничениях, например, при известных уравнениях линий токов (решение Л.И.Высоцкого). В дальнейшем нами были рассмотрены двухмерные уравнения, описывающие' движения в вертикальной и раздельно в горизонтальной плоскости.

Для выяснения основных свойств установившегося быстро-изменяющегося течения потока в призматическом прямоугольном русле рассмотрены уравнения движения идеальной жидкости в одномерной идеализации при допущении uz= их- | •

Для случая сопряжения бурного потока со 'спокойным получено

Ш.О 1.0

СИ

0.0У

аооз

1 31 3 с» | а 8 о 3 о 04 СЭ а

д ч << •< <

/ /

А /у //

—^ — Ьо/Ло=Ю

'■•'У -- Оо/По»20

¿^ / ГГо

ш

Ж

50

т т

РИС.б. Предельные значения аЛэ » ^(Тго,Ы.ЬоЛ\о) для колебаний свободной поверхности,образующих "катящие" волны

«00

50

\ \\

\ \ \ Чч

\ Ч -V N Облаоть аерации ■ потока

V* \ ч ч Ч. \

Я ' 'А

\г>....... \ •

N X ^ N V \ ........ ^Гцг --- V

и

Ц0-1 аю 005 1}0* 009 006 0,0? Ц08 Ц09 Рио.6. Графики зависимости в Лч> от кл ,Ьо/По

0.5 .

аг

01

0.05

002

0.04

0.5

о.г

0.1

0.03

0.02

0.01

*ис.7. Сравнение наблюденных регшмов движения в каналах-

оыстротоках с теоретическими критериями устойчивости

(светлые точки-равномврянй режим,зачерненные-волновой)

1- данные автора;2- Е.П.Федорова; 3- В.Ф.Талмазы; 1В,1К-по Т.Г.Войшп-Сяноженикому,Н.А.Картвелкшвили при г/2 по степенной зависимости;

2В,2К-по Т.Г.Войнкч-Сяноженцкому.Н А.Картввлишвили при г/2 по логарифмической зависимости; ЗА - по зависимомости (12).

2Й/К,=700

Зй/К »-то

/1. ~л / .........^ У —

// х - Л о

д & у./ .//' к / ! / / г -•' О У"4 о . д Л* •4

I / /\ЗА_ А А А о -1 Л -2 Рге

1 1 / 1 г л

3 4 5

<0

20

30 40 50

г

дифференциальное уравнение в виде:

Ггг

з

Ш)2 * С?- т)2 - т] ( 2В - т)() ^ ] , (13)

где Б ■ 1 +Вгг/2; т) = ЪА\г; ч]) = 7м/Пг; Лг-сопрякенная глубина при спокойном режиме.

Общее решение уравнения (13) приводится к шду

Ч - Ч' - Ьтш2)2 > м

где и - | р = /гпКтг-Е)^2 ; к2 . \ ( ? * ];

ели,спи - функции Якоби.

Реиение по (14) при к»Ю приводит к уравнению уединенной волны, при других значениях - к колебаниям близких к периодическим с постоянной амплитудой и длиной волны

- ^ /Цг • <«>

где К * Р(Ь,полный эллиптический интеграл первого рода.

Решение уравнения (13) при Рго>1,5 двэт завышенные результаты по сравнении с экспериментами, что мояно объяснить грубой идеализацией и не учетом условий обрушения гребня волны.

Для дальнейшего уточнения Сыстроизменявдегося течения применен численный метод расчета сопряжения бурного потока со спокойным с учетом кривизны линий токов в первом приближении и сил трения.

Используя известный способ разложения функции в ряд Тейлора, функции их и иг представили в виде многочлена ш * А + Вг * С гг.

Из уравнения неразрывности и при граничных условиях г=1,и.^ н 2=0 ив=>0 получены аппроксимирующие зависимости

В* - Ъа * ; '

15* » Ш» гг ^ ,

где т) = Ь/Ьо', в » х/1\о", ъ - у/7\;йК,йл - поверхностная и придонная

скорости, нормированные по

Изменение удельной энергии учитывается в интегральной форме по всему сечению

m ~ lo n 7g * Xh T n f\3)

Из уравнения энергии для поверхностях струек >лучили:

rr-lr* f-J-^g . (16)

11 Üh¿ rt'UhT ^

гсгоритм численного расчета (16) основан на последовательном принижении с использованием в каждом цикле счета решения одномерной реализации при определении tj'' ,r\',wi,vh. Для обеспечения устойчи-эсти счета приняли Дх < а в области гребня и впадины волны <т]*> > tit/Ах,тле Д( заданная точность расчета т).

Результаты численного решения сопряжения бурного потока со покойным приведены на рис.8.

Для определения крутизны волны были проведены расчеты при азличных Рга с вводом условия gf = О на поверхности. Предельная рутизна поверхности по результатам расчетов равна 1,12...1,30 ри изменениях соотношения 2R/Jrb от 50 до 500. Расчетные значения ислв Фру да, соотввтсвутдв условию обрушения гребня волны, были оответственно равны 2,81 и 2,70,а высота волн 2,23...2,34 (рис.9), to экспериментам автора обрушение гребня наблюдается при крутизне ),58...0.60 (рис.Ю) и числах Фруда 2,3...2,4. Переход сопряжения ¡совершенный прыжок происходит при FrQ* 4,6.. .5,2.

В шестой главе приводятся метода расчета и сонструирования сужающихся и расширяющихся переходов, поворотов по шниям токов центрированных волн и дугам круга.

Л.И.Седовым теоретически было доказано, что изоэнтропическое движение совершенного газа можно свести к обобщенному течения 1рандтля-Майера с произвольной линией тока,а произвольно заданное хвижение газа можно сочетать с течением Прандтля-Майера вдоль лю-Зой характеристики для заданного течения. Пользуясь газогвдравли-юокой аналогией, приведенное выше положение распространим на двухмерную модель потенциального течения идеальной жидкости.

Допустим,нам известна линия тока бурного потока ABC (рис.Н). Найдем уравнения линии токов в полярных координатах:

бг dip

гДф = Aríga или — » — „ (17)

tga

где a = arcsin 1/УFr- угол, образованный характеристикой с вектором скорости.

2,0

1.5 1.0

Ц5 О 10 1.5 1.4 Ц5 О

и

1.0 Ц5

О <.5

1.0 Ц5 О (.5

Ю Ц5 0 (.5 1,0 Ц5 0

0 10 20 30

Рис.8.Свободная поверхность бурного потока в околокритической зоне по расчету на ПЭВМ по программе "бт-иаье.ваз".

УЧ »4 """ _ Л "-/• ч^7 ч . V. "Л 1 ' ■ ■ у V г

- Рго=2,00;ке=500 \ - 1,797 --- по одномерной идеализации „ •иГ

"М ■ 1гт ',56

1го=2,00;Ьа=50 % = 1.802 X Пс

УЧ -И

Рго=1,50;ка=500 Чв - 1,429 X По

у\ Чг-Ш

■ ¡1*0=1,50;Ье=50 Т1в » 1,435 X По

л

- Рго=1,20;кв=500 •т}в = 1,200 X По

- Ч2=из

- Рго=1,20;ка=50 Т)в = 1,200 X По

2.0

».5

<.0

5,0 3^0 ДО <50

Рис.9. Глубина потока в гребне прыжка-волна.

по одномерной идеализации;2- по уравнению совершенного прыжка; по расчету на ЭВМ;4 - по зависимости А.А.Турсунова. сперименталыше данные:5-автора без обрушения;6- автора о общением;?- А.Г.Ваош1внког8-Б.А.БаЮ1втева;9 - Бреоа-Буссинеска.

0.8

0.6

а*

аг

<.о го до ьо &о

!.Ю. Максимальная крутизна свободной поверхности в прыжке-волнэ

1 - по одномерной идеализации; 2 - по расчету на ЭВМ; 3 - по эксперименту: 4- без обрушена греСня;5-о сбру-шением;6-начало обрушения гребня по експериыенту.

у*' « X ■ у

/Лг, ПО, « 0 ^ "V' |-Одруич ' />ас«е1 ше па

•Ьо ^ у ----а ----з -----4 О .3 в -в л. -Г V -8 О -Я

V у/ // дъ..

Чгпой // ® ---а о"- Д о - 8

г'/'Г < О \ в О4 V л

я Г и © ч N •«Ч -0 ___

1

/ ль.

Выразив угол а через ср, и принимая во внимание известное уравнение для потенциального движения бурного потока

£ = * [ /Гarotg (STtg а ) - а ] + С1,

получим ,

соэ ф.

Г, = Г -, (18)

1 0 соз3 Ф1

где ф =(ф + фоу/з~; фо = (/Т- í; | - f(cu);

f(a) = /Гarctg(/lf tga) - a; <f = %/2 - /(а) + /Сад.

Выражение (18) является уравнением линий тока центрированной волны с полюсом Аналогично можно найти новый полюс SBC для отрезка линии тока ВС с начальным радиусом вектором ро, описывающим линию тока ВС из полюса Sgc. Таким образом любую линию тока потенциального двухмерного потока мокно выразить последовательностью центрированных волн с полюсами Sj,S2...Sn.

Для решения конкретных звдач необходимо знать уравнения характеристик.

Предпожжим, что линия тока ABC (рис.II) является граничной стенкой» а в точке 0 возникает центрированная волна разряжения. Рассмотрим внутреннюю область течения. Из точки А распространяется возмущение по характеристике АВ, которая криволинейна, тар как проходит по волне разряжения. При малом угле Дер отрезок характеристики АВ можно принять прямолинейным . Определил приращение радиуса вектора

A R d R

= ctg2a или - ctg2a dp .

R Д ф R

Учитывая, что tga = — ctg , получим

/з /з 02 R.J.

R = —- = -AJL. , (19)

А J t

где J =(3in Ф{)1/£ (соз ф()3/г - первая вспомогательная функция , Уравнение (19) является уравнением разделительной характеристики при пересечении одноименных волн ( повышение с повышением, понижение с погашением). Аналогично получим уравнение при пересечении разноименных волн:

fit - Ji - Яв, J/JB • (20

Для "сшивания" двух течений по характеристикам ЛВГ и BjB приравняем-величины расходов по ним

UI -в соа1/гф - Ü?

W ¿ Г n+2etnai|>J<J|> - C2firA-V{O) V <21>

С033/2 ф,

где 7,«-гтз—— - вторая вспомогательная функция.

1 ein1'*

В случае отражения волны разряжения

«вш =~Сэ ÍT¿, -7¿ )(0l, • <22>

В ff? D С0ЭТ/2ф"

«в,в = ÍJhV9tna aL"' - ci f (U2 в1п ф"}

VB- '-bi^O^ . <23>

где г * соз9/2ф"а(п1/гф'' - третья вспомогательная функция; ф'' - приведенный угол относительно полюса 02. Постоянные интегрирования находятся из условия .».равенства расходов между линиями тока ABC и А,В,С,.

В случае отражения волны сжатия

(fx- fв) (fX-fB) ...

Приведенные соотношения позволяй определить координаты

полюсов О,Оj относительно расчетной точки В.

Для волны сжатия предельный допускаемый радиус граничной линии

тока может быть определен из условия недопущения обрушения гребня

волны h„

rmtn ж (Fro . ' (25)

Предложенный выше метод подвижных полюсов в дальнейшем используется для расчета плоских каналов различных очертаний.

В практике ирригационного строительства сужающиеся и расширяющиеся переходы выполняются обычно с линейно сходящимися или расходящимися стенками.Сужающиеся переходы на оросительной сети встречаются в основном в двух случаях: при сопряжении широких водозаборных сооружений и отстойников с узким быстротечным каналом и изменении уклона трассы канала, при этом относительное сужение ширины составляет соответственно не менее 3 и не более 1,5...2.

Рис.12. Зависимости допускаемого и предельного относительного сужения Сурного потоке от Fro.

В первом случае сопряжение косыми прыжками, как праиило, не сдается и осуществляется прямым прыжком с образованием подпора на сужении. При уклоне отводящего канала (о > Ihr в горловине сужения останавливается критическая глубина hkr.

Чтобы не допустить распространение подпора вверх по течению , энергия потока за прыжком Е" должна быть больше Ehr. При Е"< ihr подпор распространится на расстояние

I = ^р.оуя." Ео' (26)

i - I суж тр

'до Е" ,Ekr - удельная энергия потока соответственно за прыжком и j створе горловины сужения;(суж - уклон дна сужения; {тр - средний гклон трения.

Для определений допускаемого относительного сужения получена

¡ависимость

3 /з Fr1/*

«су* - ^ < 7-5-ГТзТг .

К * ^ ♦ 2 Г(оу!К - 1тр)

где Его - число Фруда в подводящем канале; Вауя.Во -»ответственно ширина в горловине сужения и на входе.

Сравнение (27) с экспериментальными данными при относительных ¡умениях в пределах 0,33...О,85 приведено на рис.12.

Плавное сопряжете двух равномерных прямолинейных бурных готоков с параметрами Ь1,Л1,Рг1 и Ъг,Иг, Рг2 можно осуществить ¡заимодействием волн повышения и понижения из симметрично неположенных полюсов (рис.13 а,б).

В расширяющемся переходе (рис.13а) "активными" стенками АВ и 11В1 вызывают центрированные волны разряжения из полюсов и юторые,пересекаясь,образуют сложную область течения дВСЪ'. За этой »бластыо возникают центрированные волны, полюса которых смещены в •очки Б^Б^. Местоположение этих полюсов можно найти, проведя характеристики первого семейства из точек В и С. Выполнив участки ¡Я и в'К по линиям тока центрированных-волн й, и обеспечим ¡езударное течение при условии

еАБ = евк или ев = 5 М«**) -где ^АВ,аБК,еп - угол поворота вектора скорости на соответ-¡твующих участках в точке В.

Расчетные,значения радиусов определяют из (19) и (20) .по условию равенства расходов на характеристиках Ш и ВС

~ 'W 3.

= я-^---. (28)

S2 р t ~ V 3„

2 2

В сложной области течения DBCB'характеристики обоих семейств криволинейны.Однако для расчета в первом приближении характеристики одного семейства принимаются прямолинейными, например, со стороны полюса S(. По направлениям скоростей и параметрам потока на характеристике DB (точки JT( ) и направлению движения потока на оси (точки М1) определяют радиусы R( и соответствующие координаты полюсов Sf. Параметры потока в точках М( определяются по функциям

f(am) = №ыГП ± sNl .

где f(a) - функция двухмерного бурного потока ; а - угол изменения направления вектора скорости на характеристике..

Расчет сужающегося перехода ведут аналогичным путем. При этом радиус кривизны линии тока не должен превышать допускаемый по (25).

Уклон дна сопряжения на участке перехода от створа D до С принимается по среднему уклону трения.

Экспериментальная проварка предложенной конструкции на моделях показывает удовлетворительную сходимость.При изменениях расхода (0,5-1,3) Орасч. отклонения глубин не превышают 10...15%.

Уравнение характеристик с учетом уклона дна можно получить по зависимости •

/Fr -1 (incos v - 0,5 X) ds ---az--^-ds , (29^

* h /fT л

где ds - угол изменения направления движения; К - коэффициент гидравлических сопротивлений; Z - отметка поверхности потока.

Уравнение (29) положено в основу численных методов расчета плоских бурных потоков методом характеристик и последовательных приближений.

Используя известное решение е =f(a) для идеальной жидкости, можно получить аналитическое решение для движения потока по дугам круга при допущении:

! 1 1 1 1

1 1 1 1 а.,*._ £

(72

^

оА о

0,4м; вг'О.Я«-, *

В ь

о——йг оси *— па етеике Г"........... 1 —4н-

* а—....о" -„Л— / » ! и............ 1 л...............

о г 4 б з т Иг

Рис.13.Расчетная схема сопрягавших переходов,

а) расширяющийся; б) сужающийся.

В = сазе - 0.5\) =

с вйд8

R Й1

В = сазе - 0.5\) = const, А = pg = const

€ = Fiat; - iYaoj , (30)

где F(ai) = f(atj ? (Л - BJlnFrt ? .

Зависимость (30) позволяет существенно увеличить шаг иттерацк при численном счете.

Решение в виде (30) показывает, что с увеличением уклона да угол растекания бурного потока снижается, и наоборот, для усиленн растекания необходимо, чтобы уклон дна tQ был меньше уклон трения что позволяет в первом приближении определят

необходимый уклон поверхности дна при заданном необходимом угл растекания потока в различных водопроводящих трактах сооружений.

Разработан алгоритм и программа численного расчета течени бурного потока на повороте по дугам круга с учетом гидравлически сопротивлений по (29) методом характеристик, отличительна особенность алгоритма заключается в том, что поток разбивается н ряд полос по дугам круга. Устанавливаются начальные точки по и пересечению с характеристиками. Методом пересечения характерней! определяются координаты новых точек и параметры потока в них Устанавливаются текущие расчетные точки .параметры потока в точка пересечения характеристик и расчетных полос через • Д R. Предложенная методика предотвращает вырождение расчетной сетк характеристики, наблюдаемой при обычном методе счета, которо; заключается в растягивании сетки в зоне повышения числа Фруда и .сужении ее в зоне приближения числа Фруда к I.

На рис. 14 приводится сравнение экспериментальных даннн: Р.Кнаппа и автора с расчетными по программе WIRAJ3.BAS.

В седьмой главе приведены метода расчета j конструирования водораспределительных сооружений.

Возможость управления бурным потоком в плане при боковог водозаборе теоретически впервые обосновал Ф.И.Франкль.

Для определения расхода в боковой отвод рассмотрим to4kj излома 0 (рис.15) как полюс центрированной волны разряжения. ( помощью уравнения (18) можно описать граничную линию тока част; потока, . поступающего в боковой отвод. Учитывая, что вдол! характеристики нормальная скорость к ней равна /gfb и вдолг характеристики h=const, для расхода в боковой отвод имеем

а)

ч

г VI

/

г

О 10 20 30 40 50 60

<0 20 30 40 50 60"

О ТО 20 30 40 50 60

Рисл4.Глубины вдоль стенок на повороте по дугам окружности.

1 и 1'глубина вдоль вогнутой и выпуклой стенок по эксперименту;

2 и 2'глубины вдоль вогнутой и выпуклой стенок по расчету.

а) опыты Р.Княппа: д=Г5бл/с, На=193 тт. Ьо=б47ти,

!Ы1п=7 .б2<п, 05,9=45°;

б) ОПНТН яптора: 0=35.бл/о,Ьо=70 т>п, Ьа =213тт,

1Ы1п=5.2™. 1о=0. 05, 0= ¿5°;

в) опыты автора: 13=22. 9л/о,ьо=4Г тъ.Ьо = 215-тт,

1Ы1п=5.2т, 1о=0.05, 0 = 45°.

2

0

-36г г .3 .-з/а -

где и = _£ = [ - соа ф ; Ь „ - ширина окна водозабора.

г, 1 Гг + 2 > оК

~1 о

Как видно- из рис.15а,при размещении точки вододеления В ш линии тока ВС расход в отвод <2=сопзЪ и изменяется только ширине фронта водозабора.

При размещении точки вододеления на начальной характеристике ДВ (выдвинутый боковой водозабор) обеспечивается вододеление потока пропорционально соотношению Ь,/Ь0.

Конструктивные решения пропорциональных вододелителвГ приводятся на рис.15 б,в,показывающих что при достаточно! юшетичности возникает возможность подъема уровня воды в отводе ш поверхность при заглубленной трассировке канала.

Экспериментальные исследования,выполненные Д.А.Баялимовым под руководством автора, подтвердили работоспособность сооружений пс схемам 15а,б и правомерность зависимости (31) для расчет? пропускной способности сооружений.

Боковые водозаборы по предлагаемым конструктивным схемам был;' построены на 3-х каналах в Талды-Курганской области.

Для распределительной сети предложены конструкции донны* водовыпусков пропускной способностью 0,5...2,0 м3/с. Разработан; конструкция донного водовыпуска-стабилизатора, обеспечивающего стабилизацию забираемого расхода.

Для забора воды из каналов с бурным режимом движения I ГрузНШГиМ, ВНИИГиМ, КазНИИВХ, ВНЖКАМС разработаны конструкции донных водовыпусков, представляющих собой квадратную доннук галерею с боковым трубчатым отводом. Автором работы совместно с Е.З.Беркалиевым были проведены экспериментальные исследования пс увеличении их пропускной способности и улучшению гидравлического режима обтекания в старшем канале (рис.16а,б,в). Установлено, ч$й основной причиной низкой пропускной способности донных водовыпусков является винтовое движение в камере. Устранение винтового движения устройством разделительной стенки позволило повысить пропускную способность существующих сооружений в 2...2,5 раза.

Пропускная способность донных водовыпусков может быть определена по известной зависимости

Яэт = ^ "тр^ 2 в % . (32)

где итр- площадь сечения отводящей трубы; г - расчетный перепад, без учета скоростных напоров; ц = /С?го,а/й) -коэффициент расхода,

по ток* от ОИИКИ

5)

I п

А-А

ис.15. Конструктивные схемы Соковых водозаборов для

вододеления бурного потока.

)- боковой водозабор;О)- пропорциональный вододелитель о снижением уровня в отводе;в)~ пропорциональный вододе-итель с повышением уровня вода в отводе; 1 - лишта тока аздела расхода; 2 - фронт волны понижения; 3 - Фронт волны повышений'.

ЬюЛб. Конструктивные схемы дошшх водовыпусков для каналов

с бурным режимом движения.

а) водовыпуск-стабилизатор расхода; б) водовипуск с разделительной стенкой;в)двухтрубчатый водовштуск; 1- подводящий конал; г- приямок;3- трубчатый отвод;4- зэтвор;5- разделительная стенкг

ля водорнпусков с разделительной стенкой ц = 0.61.

Выявлено, что при определенных условиях, 1,5 и Ов/Оа <

,4, винтовое движение в приямке обеспечивает стабилизацию расхода эдовыпуска независимо от расхода в старшем канале. В дальнейшем то позволило разработать конструкции донных водовыпусков-табилизаторов расходов для каналов с различными поперечными эчениями.

В восьмой главе приводятся технические решения и зхнико-экономические показатели по конкретнш объектам, в роектировании которых непосредственное участие принял автор. По заработанным выше методам были запроектированы и построены знала, сопрягающие сооружения, плановые вододелители, донные эдовыпуски на магистральном канале "Акмолинский" в алды-Курганской (1979) и канале Правобережный Ассинский в «амбулской области (1989).

Совместно с проектным институтом Казюжпшроводхоз разработан товой проект "Водораспределительные сооружения на открытой росительной сети горно-предгорной зоны", который одобрен для ^пользования при проектировании (протокол N 789 от 10 февраля-Э89г. В/О Союзводпроект).

ВЫВОДЫ

I. Облицованные каналы являются основным звеном открытых оро-жтелышх систем в горной и предгорной зоне, где более 80% из них зботают в бурном режиме. Максимальная пропускная способность згистральных каналов не превышает 50...100м3/с, а уклоны дна гдельннх участков 0,1. На оросительных системах преобладают ка-элы пропускной способностью 5...10 м/с и ниже, наиболее распрост-зненными сооружениями являются сужающиеся переходы и повороты.

Водораспределительные сооружения размещаются в основном на зспределительной сети и пропускная способность их составляет ,5...2,5 м3/с, общее количество- около 165 шт на 1000 га, из них эдовыпуски до 0,5 м3/с-153 шт.

I. Бурный и сверхбурный режимы течения в каналах вызывают тределенные затруднения при их проектировании и эксплуатации, зление неустойчивости и волнообразования приводит к нарушению эрмалытой работы средств водоучета и водорэспределения, средств ядроавтоматики, в отдельных случаях - к разрушению сборной Злицовки.

Отсутствие нормативно-методических документов по расчету проектированию сопрягающих и сетевых сооружений оросительш систем при' бурном режиме нередко являлось причиной' сюгаени пропускной способности проектируемых объектов.

3. Спектральный анализ экспериментальных данных запкс пульсационных колебаний свободной поверхности потока подтверди "резонансную" природу их возникновения под воздействие турбулентных возмущений придонного слоя в узком частотном спектре Амплитуда этих колебаний зависит от динамической скорости потока.

4. Раскрыта физическая картина возникновения ультранизкочастотна колебаний на свободной поверхности бурного потока.При воздействи многочисленных источников возкдазштй в придонном слое потока н поверхности возникаю? колебания на частоте резонанса /+ и /которые, распространяясь по положительной ио * 0хо0-5 отрицательной ио - ¿¡го0'5 характеристикам, вызывают свмомодуляци на частоте / - Нелинейные эффекты приводят к подавлзгаго боле высоких частот и выделению частоты модудящш.Эффект самомодуляци наблюдается на последующих разностях частот первой модуляции.

5. Установлено, что колебания свободной поверхности открытог бурного потока создают спутиое течегаге и способствуют поеыеэнл гидравлических сопротивлений при распространении гозмущений с скоростью меньше фазовой (¡7 < с) и их снижению при 17 > с н 6.. .8%. Это явление подтверждается эспериментальными даннда большинства исследователей и раскрывает причину расховдэни зависимостей по определению гидравлических сопротивлений, получен них при спокойном и бурном режимах.

6.Получены критериальные условия неустойчивости равномерно! рвякма двикения и перехода его в волновой (,Рг > а так» условия начала аэрации потока (Рго> Ргр)■ » •7. Исследуя рзспространение начальных возмущений в невозыущзннс среде, автор получил зависимость скорости распространения воз мущэнкя V от форш русла. В волновом сверхбурном потоке фазовг скорость кз может превысить скорость распространения возмущений, противном случае волна полностью обрушится.Поэтому "катящие" волк достигают предельной высоты при с = У1. Получены зависимост предельной высоты волн в каналах с различной формой поперечног

СеЧ9НИЯ,В ШИРОКОМ ПРЯМОУГОЛЬНОМ рУСЛв ^лред-О.76'1;,,,-

8. Разработана математическая модель двухмерного потока пр сопряжении бурного потока со спокойным при образовавши прызкка-во^

и с учетом гидравлических сопротивлений. Разработаны алгоритм и рограмма численного расчета указанной модели на ЭВМ. .Получены ре дольше значения крутизны фронта волга, при которых наступает брушение ее гребня.

9. Разработан метод "подвижных полюсов", позволяющий получать равнения характеристик первого и второго семейства при взаимодей-твии двухмершх плоских . волн, что дало возможность автору ешать обратные задачи по конструированию криволинейных водо-роводящих трактов методом "сшивания" на характеристиках известных ростах течений бурного потока. На основе этого метода рвз-эботанн конструкции безударных осесимметричных расширяющихся и ужаюшхея переходов,плавных поворотов "сшиванием" центрированных элн разряжения и сжатия.

3. Разработаны методика установления допускаемых параметров госких сопрягающих переходов и виражей в первом приближении и вгоритмы численного их расчета с учетом сил сопротивления по. этке характеристик, обеспечивающим устойчивый счет на ЭВМ вплоть з --» КО.

о

Г. Разработаны основы конструирования и расчета плановых водо--элителей бурного потока с использованием двухмерной теории фного потока. Разработаны конструкции боковых водозаборов и зопорционэльных водо делите лей. Проведена их экспериментальная хзверкз.На пропорциональный вододелитель получено а.с.647399.

Проведены исследования и разработаны конструкции вертикально деления бурного потока, выявлена стабилизирующая роль винто-)Г0 движения в квадратном донном приямке с боковым отвода, разработаны конструктивные решения по его устранению (а.с. ¡2994). На основе выполненных исследований разработан типовой юект водовыпусков-стабилизаторов расхода, который утвержден НТО ) Союзводлроект (протокол N 789 от 10 февраля 1989г.) (.Предлагаемые методы расчета и конструирования апробированы при юектировании ряда объектов в Казахстане.Экономический эффект по ¡ъектэм, в разработке которых принимал непосредственное участие тор, составил около I млн.руб. в ценах 1990г.

Список опубликованных работ

1. Вагапов Р.И. 00 устойчивости равномерного движения потока каналах с большими уклонами дна // Вопросы гидротехники и м<

лиорации / ГрузНИИГиМ.-Тбилиси,1966.- С.23-25.

2. Вагапов Р.И. К расчету каналов-быстротоков с учетом волнообрг зования в них // СО.докладов по гидротехнике / ВНШГ.-Л. ,196* С.51-59.

3. Вагапов Р.И. Результаты исследований волнового движения в кг налах-быстротоках // Вопросы гидротехники и гидравлики.-Кив! Урожай,1969.- С.52-60.

4. Вагапов Р.И. Методика исследований волнового движения в каналг -быстротоках // Тр.КазШЙВХ.-Алма-Ата:Кайнар, 1970,т.V.-С.387-39:

5. Вагапов Р.И. Экспериментальные исследования волнового движет на каналах-быстротоках // Тр.КазНШВХ.-Алма-Ата:Кайнар,1970,т.У. С.402-413.

6. Вагапов Р.И. Исследование движения сверхбурного потока в каш лах-быстротоках: Автореферат дис...канд.тех.наук.- Ташкент,1Э70. 24 с.

7..Вагапов Р.И. К расчету бетонированных каналов с большими уклс наш дна .// Гидротехника и . гидравлика: Тр.КазНЖВХ.-М., 1971 Т.VI.- Вып.2.- С.79-99.

8. Вагапов P.M.,Беркалиев Е.З. Результаты исследований пропускнс способности донных. шлюзов-регуляторов на каналах с большими yj лонек! и скоростями // Гидротехника и гидравлика: Тр.КазНИИВЗ -Ы.,1971,т.VI.-Вып.2.- С.100-108.

9. Вагапоз Р.И..Беркалиев Е.З. Натурные исследования пропускнс способности шлюзов-регуляторов с вихревой камерой // Вестни сельскохозяйственной науки.- Алма-Ата,1972.- N 6. С.73-83.

10.Вагапов Р.И. Зарождение и рост волн в каналах-быстротоках / Проектирование и строительство гидротехнических сооружений в оросительных системах юга Казахстана:Гр.ШШСХ.-Ташкент, 1973. Вып.41.- С.26-31.

11.Вагапов Р.И. Разработка противоволнового профиля поперечног

ечения для каналов-быстротоков // Научные исследования по ги-ротехнико за 1972 г./ ВНШГ.- Л.: Энергия, 1973.- С.361.

2.Вагапов"Р.И. Гидравлические исследования и разработка мерспри-тий по управлению бурными потоками // Научные исследования по идротехнике за 1972 г./ВНШГ.-Л.: Энергия,1973.- С.362-365.

3.Вагапов Р.И.Быстроизменяицееся движение жидкости в прямоуголь-ом канале //Тр.САШИРИ и КазНИИВХ.-Ташкент, 1974.Вып. 142,часть

1.- С.79-89.

4.Вагапов Р.И. Расчет и выбор оптимальных элементов поворота бурого потока по дугам круга //Тр. САНИИРИ.-Ташкент,1975.- Вып.145.-.216-221.

б.Вагапов Р.И. Исследование сопрягающих переходов бурного потока / Труды коор.совещ. по гидротехнике.Гидравлика высоконапорных одосбросшх сооружений (дополнительные материалы).- Л.: Энер-ия.1975.- С.7-12.

6.Вагапов Р.И..Беркалиев Е.З. Донный водовыпуск с безвихревой лавнорасширяющейся камерой // Тр.САЩИРИ.-Таикент,1975.-Вып.14Б.-.222-227.

7.Вагапов Р.И. Неравномерное установившееся течение жидкости в-епризматическом русле прямоугольного сечения // Изв.ВУЗов.- Серия Строительство и apxHTei<Typa".-I976,N 9.- C.II4-II8.

8.ВагапоЕ Р.И. Метод расчета свободной поверхности бурного пото-а в круговом канале // Проектирование и строительство гидро-ехнических сооружений на оросительных системах :, Тр.ТИШМСХ. Ташкент,1976.- Вып.84.- С.38-48.

Э.Вагапов Р.И..Беркалиев Е.З. Методические указания по гидравли-ескому расчету и проектированию донных водораспределителей для аналов с бурным режимом движения.-Джамбул:ММВХ КазССР, 1977,-25с. О.Вагапов P.M. К расчету поворотов с плоским днем при бурном ежиме течения // Гидротехника и мелиорация.-1978.- N 2.-С.35-39. 1-Вагапов Р.И. Методические указания по гидравлическому расчету и роектировапда бетонированных каналов оросительных систем с клонами дна больше критических.-Джамбул:ММВХ КазССР,1979.-77с.

2.Вагапов Р.И.,Инкаров К.М.Натурные исследования гидравлических опротивлений в бетонированных каналах с уклонами дна больше ритических//0бводне1ше и сельскохозяйственное водоснабжение ; р.САШИРИ и КазНШВХ.-Ташкент, 1978.- Втт.155.- С.75-34.

3.Вагапов Р.И..Баялимов Д.А. Методические указания по гидрапличе-кому расчету и проектированию плановых водораенрод«лгге.лышх

сооружений для каналов с бурным режимом движения. -Джамбул: Ш.Ш КазССР,1979.- 20 с.

24.Вагапов'Р.И.,Баялимов Д.А. Принципиальные схемы и основы расчета горизонтального вододеления бурного потока // Мелиорация, ирригация,водоснабжение.- Алма-Ата:Кайиар,1980,т.З.- C.I08-II6.

25.Vagapow R.I. Study of roll wave formation and growth in meliorative ohannels of lagre extent.-XX 1AHR Congress.Moscou,urss. -1983,vol.5, p.202-209.

26.Vagapow R.I. Study of roll wave formation and growth in meliorative channels of lagre extent.-XX IAHR Congress.Moboou,URSS. -1983,vol.8, p.399-401.

27.Вагагов P.И. Метод подвижных полюсов для расчета оптимальных очертаний плоских каналов бурного потока при реконструкции оросительных систем горно-предгорной зоны // Вопросы рекон-стукции и технического совершенствования оросительных систем: Тр.ТШШСХ. -Ташкент, 1986. - С. 29-39.

28.Вагапов Р.И..Гречко Н.А. Водораспределительные сооружения открытых оросительных систем горно-предгоной зоны // Проблемы мелиорации земель в Казахстане:Тр.КазЮГОВХ.-Ташкент,изд.САНШРИ, 1989.- С.36-46.

29.Вагапов Р.И. Колебания свободной поверхности бурного потока и волнообразование на каналах, быстротоках /КазШИВХ.-Джамбул, 1991.-57с.-Деп.в ЦБНТИ Госконцерна "Водстрой" I5.I0.I99I, Я 738.

30.Вагапов Р.И.Алгоритмы расчета плоских виражей по дугам окружности и линиям тока центрированных волн / КазШПШХ. -Джамбул, 1993.- 21с.- Деп. КазНШНТИ 12.03.93, N 4180-Ка93.

31.А.с.352994 СССР. МНИ Е 02b 8/02.Донный водовыпуск для каналов с большим уклоном / Вагапов 'Р.И..Беркалиев Е.З.,Сарсекеев С.А. (СССР).- N 1604196/29-14; 3аяв.30.12.70; Опубл.29.09.72. Бил. N ¿" 29 - 2с.

32.А.с.647399 СССР.МКИ Е 02Ь 13/00.Пропорциональный вододелитель / Вагапов Р.И.,Баялт:ов Д.А.' (СССР).- N 2470795/29-15; Заяв. 04.04.770; Опубл.15.02.79. Бюл. N 6.- 2С.