автореферат диссертации по строительству, 05.23.16, диссертация на тему:Переходные гидравлические режимы в водосбросах замкнутого сечения

всероссийски ордена трудового красного знамени научно-исследовательский институт гидротехники рг6 о н и ^ди0рдц;я ИИ. а. н. костикова_

, 0 "м! ш:!

На правах рукописи

УДК 627. 332:532. 5

ЗВЕГИНЦЕВ Андрей Олегович

переходные гидравлические режимы в водосбросах замкнутого сечения

Специальность 05.23.16. - гидравлика и инженерная

гидрология

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1994

Работа выполнена во Всероссийском ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательском институте гидротехники и мелиорации им. А. Н. Костякова.

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцект

Лысенко П. Е.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Правдивей Ю. П.

кандидат технических наук, доцент Попов М. А.

Ведущая организация - ВНИЙГ им. Б. Е. Веденеева

Защита диссертации состоится -25 « 1994 г.

■ часов на заседании специализированного совета К. 099. 05. 02 при Всероссийском ордена Трудового Красного Знамени научно-исследова-• тельском институте гидротехники и мелиорации им. А. Н. Костякова.

Автореферат разослан 1994 г.

Отзыв, заверенный печатью учреждения, просим направлять по адресу: 127550, Москва, Большая .. Академическая, .44, ВНИЙГиМ. Ученый Совет.

Ученый секретарь специализированного совета

С. Ш. Звбенко

-1-

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность раййЗЫ- В условиях глубокого реформирования стран, входящих в состав бывшего СССР, перевода всех участников -хозяйственной деятельности на рыночные отношения в условиях высвобождения цен из под контроля государства, а тон числе и на энергоносители, . расширение -освоения возобновляемых источников энергии, в- первую очередь гидравлической, является настоятельной необходимостью. Временное снижение капитальных вложений в энергетическое и водохозяйственное строительство, а также сокращение финансирования научно-исследовательских работ в этих областях, не принижает перспективы комплексного использовавяя водных ресурсов.

Особую роль в функционировании крупных и средних гидроузлов занимает водосбросные сооружения, в первую очередь, туннельные и трубчатые. Учитывая, что стоимость водосбросных сооружений может составлять 15+30% от стоимости гидроузла, создание экономичных / конструкций при обеспечении надежной и безотказной работы сооружения является главной задачей исследования в области гидравлики высоко и средненапорных водосбросных сооружений.

Проблемам, связанным с изучением скоростных потоков в туннельных и трубчатых водосбросах, посвящено много теоретических и экспериментальных работ. Однако, ряд вопросов гидравлики закрытых водосбросных сооружений остаются недостаточно проработанными - не определены условия (критерии) перехода из безнапорного режима в напорный, не решен вопрос о допустимости или недопустимости переходных режимов, слабо изучено влияние аэрации потока на осреднен-ные и пульсационные гидродинамические воздействия, равно как и сами воздействия при переходных режимах.

Практическая значимость углубленного изучения гидравлических характеристик потока в водосбросных сооружениях сл-иечалась в докладах как на координационных совещаниях по гидравлике высоконапорных водосбросных сооружений, так и на конгрессах ЦАГИ.

Настоящая работа является логическим продолжение» теоретических и экспериментальных исследований, проводившихся за последние 10 * 15 лет в лабораториях СКПТБ "Мосгидросгаль." 1Ш, ВНЙИГ, АзНИИГиМ.

Цель, исследований заключается в теоретическом в экспериментальном исследовании гидравлики и динамики бурных потоков в водоводах замкнутого сечения, дающим инженерные решення по трем важнейшим для практики направлениям:

назначение такой минимальной необходимой площади сечения отводящего водовода (ниже затворной камеры) при которой гарантиру-руется сохранение расчетной пропускной способности водопроводящего тракта, даже в случае перевода сооружения в напорный режим;

- пересчета гидравлических характеристик водосбросных сооружений (напор, расход и др.), отвечающих переходу безнапорного" водовода в напорный режим с модели на натурное сооружение при соблюдении геометрического подобия объектов и общепринятых законов гидравлического моделирования;

- определение гидродинамических нагрузок, на которые следует рассчитывать гонструхции отводящего водовода для обеспечении его конструктивной прочности во всех случаях, включая временное занапоривание.

Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в следующем:

- разработаны инженерные методы определения критериев (условий) перехода от безнапорного состояния потока к напорному в туннельных сооружениях с учетом масштабного эффекта воздухозахвата;

- получены экспериментальные доказательства теоретическим разработкам по пропуску максимального расчетного расхода через водосбросное сооружение со слабозатопленной. затворной камерой при обеспечении в отводящем тракте напорного движения, пересчета критериев сиены режимов (переходных чисел Фруда) на геометрически подобные модельные в натурные сооружения;

- спроектирована и изготовлена силоизмерительная модель секции водовода, позволяющая регистрировать гидродинамические нагрузки, равные мгновенным иигегракам от пульсации давления по поверхности секции по шести степеням свободы, как абсолютно жесткого тела;

- получены оценки составляющих гидродинамической нагрузки на элемент водовода как при подводе воздуха, так и при отсутствии возду-хоподачи.

Практичргуяр пеииость результатов диссертационной работы заключается в формулировке ответов на перечисленные в "целях исследований"* вопросы, что обеспечивает возможность для надежной реализации требований и ограничений действующих СНИП 2. 06. 01-86 в частя пропуска расходов воды расчетного и поверочного случаев через гидроузлы, имеющие туннельные и трубчатые водосбросы.

Указанные аггвета базируются на сладу ад::: частких результатах:

предложен метод назначения площади поперечного сечения водо-троводяцего тракта регулируемого водосброса, который даст возмож-гость уменьшить сечение водосброса, рассчитанного по материалам' нормативной и справочной литературы;

получены величины максимальных гидродинамически нагрузок (давлений} при переходных режимах;

установлено, что дипазон чисел Фруда, отвечавший экстремальному нагруженип конструкции, ограничен и зависит от ваздухоподачи и открытия затвора;

экспериментально доказано, что вертикальное гидродинамическое воздействие при неустойчивых переходных режимах характеризуется положительной составляющей нагружения (положительной асимметрией), что снижает вероятность появления отрывавших усилий в элементах конструкции водопроводящего тракта;

при смене безнапорного режима напорным при закрытом воздуховоде осредненное во времени вертикальное гидродинамическое воздействие не превосходит той нагрузки на водовод, которая соответствует напорному режиму в данных гидравлически: условиях. Пульсационная составляющая при переходе от точке к площади нагружения подвержена существенному осреднению;

даются лабораторные подтверждения снижению гидродинамического воздействия в условиях подачи воздуха за затвор.

На защиту вгмосятся: теоретические и эксзериментальныэ исследования условий смены режимов, оценки гидродинавческих воздействий на облицовку водопроводящего тракта; теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение пропуска иахсимального расчетного расхода через водосброс со слабозатоплешой затворной камерой с напорным режимом в отводящем водоводе и отжрытых воздуховодах.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на Всесоюзном совещании "Научное обеспечение повышения эффективности мелиорируемых земель"(Москва, ВНИИГиЫ, 1987 г. ), Всесоюзной научно-практической конференции нояодьи ученых "Экологическое совершенствование мелиоративных систем" (Москва, ВНИИГиМ, 1989 г.) и изложены в 3 публикациях.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, выводов по работе, списка литература; включает 12В страниц машинописного текста, содержит 3 таблицы, 50 рисунков, 2 фотографии.

-4-

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Вр введении обосновывается актуальность темы, показаны научная новизна и практическая ценность исследований, излагаются цели и задачи диссертационной работы.

Е1 первой сдава приводится .сраткий обзор результатов теоретических разработок и экспериментальных исследований, . посвященных вопросам переходных режимам в водоводах замкнутого поперечного сечения.

Значительное число указанных результатов, имеющих практический выход на расчеты сооружений, собрано и систематизировано в в справочном пособии "Гидравлические расчеты водосбросных гидротехнических сооружений" в 1989 г. (ниже ссылки на указанное пособие обозначены как /СП/).

Проблема* перехода из безнапорного режима в напорный в нерегулируемых строительных туннелях уделено много внимания такими исследователями как Н. П. Розановым, К. В. Нечаенко, В. К. Шутько, А. М. Швайнштейдам и др., которые рассматривает условия течения в водоводе на основании построения кривых свободной поверхности — безнапорного потока,в том числе особенности смены режимов в условиях околокритического состояния при наполнениях туннеля близких к.. единице. Исследуется случаи перехода в зависимости от условий, подтодлеиая со стороны нижнего бьефа и чисел Фруда для сечения за входным оголовком.

Условия стационарного перехода из безнапорного режима в напорный с гидравлическим прыжком на тракте водосброса с регулирующими сооружениями исследовались А. Калинске, Дж. Робертсоном позднее А. М. Швайнятейном.

В первой главе рассматриваете я результаты исследований Зарбалиева НС. гидравлических и кавитационных условий работы камеры с плоским затвором, имеющим полигональную низовую кромку и дефлекторы по периметру перекрываемого отверстия, при переходном и напорном режимах. Данная конструкция камеры хорошо отработана для условий безнапорного течения и успешно эксплуатируется в водосбросах Саяно-Шушенской ГЭС. Ингури ГЭС и ряда других гидроузлах.

По визуальным наблюдениям и характеру распределения давления установлено, что форма транзиткой струи и положение зон отрыва как в напорном, так и безнапорном режимах практически подобны. Величины откосм-ельнат площадей сжатых сеченяп близки к расчетным значениям извееялах .онструкций при безнапорных режимах. Таким

обраэом, занапоривание камеры практически не меняет коэффициент сжатия струи. В напорном режиме в низовой части затворной камеры наблюдается возникновение и развитие кавитации (К = 1,2 * 1,6), однако, удаление.кавитационных областей от стен и дна существенно больше, чем в аналогичных камерах и этим обеспечивается неповреждаемость материала конструкций стен и дна.

Рассмотрение безпрыжкового сопряжения в водовода* замкнутого поперечного сечения (Ьт < hj.pl позволил установить, что положение створа выклинивания на шелыгу туннеля устойчиво при неизменном коэффициенте сопротивления £ и ассимтотически устойчиво при изменении участок перехода перемещается в новое стационарное положение с отрицательным ускорением, величина скорости перемещения створа перехода слабо зависит от числа Фруда, начиная с Рг > 20.

В третьем разделе первой главы приводятся характеристики пульсации давления как в нерегулируемых, так и в регулируемых водосбросных сооружениях. Обращает внимание больной диапазон (разброс) частотных показателей пульсации давления (от десятых и сотых долей герца до нескольких десятков) > амплитудных характеристик в схожих по конструктивным особенностям водосбросных сооружениях. Анализ данных по гидродинамическому воздействию несколько затруднен тем, что практически не существует типовых конструкций сооружений, каждой из которых свойственна своя кинематическая структура потока, которая и определяет характер' воздействия. К тому же, некоторые экспериментальные результаты невозможно сравнить, т. к. их нормировка выполнена с помощью разных параметров.

Проблемам захвата воздуха водным потоком л совместному движению водовоздушной смеси в закрытых водоводах посвящен четвертый раздел первой главы.

В настоящее время в расчетной практике иссяедуемых типов сооружений применяются следующие решения: 1) расчет совместного движения воды и воздуха для равномерного слабоазрированного потока, предложенный М. Я. Гильденблатом в 1969 г., вошедший в /СП/; 2) расчет резкоизменяющегося потока' за затворной камерой (для отностельно коротких водоводов Ь = (5 * 15)ЬТ> разработанный Ш. А. Тулегеновым в 1983'г.

Исследования захвата и транспорта воздуха в длизных водоводах позволили И. В. Логиновой, П. Е. Лысенко получить уравнение свободной поверхности установившегося аэрированного потока, общую зависимость объемного расхода воздуха, приведенного в /СП/, которая учи-

ie

Ьг

М/> '//mt ) и ! n ЛИ/! U L-,

"7ТГГГТ77ТГ77ТТ77Т7ГГ77

Pi:n.l. К рассмотрении гидравлических рекйчое в воппвогэх замкнутого поперечного сечения л

тывает все основные факторы и имеет выход на инженерное применение (рис. 1):

Qa' = т^- = с С,- с' -L (i + 5 > sl/3- (1)

АЫ Uw q 1 2 rrv tlw pa p v '

где Ли - площадь сечения воздушного потока, uv - средняя скорость воды, ha и hw - усредненные по ширине глубины воздусного и водного потока, ip - уклон давления в воздушном потоке, с^ - коэффициент, зависящий от отношения ha/B, S = <r/pwgL2 - критерий, учитывающий эффект действия сил поверхностного натяления, С^ C10(Frw hw/ha)p, С2 = C2Q(Frv.- hw/ha)k,Sr= 5v0Frw Wha - безразмерные коэффициенты, характеризую^» ^'лчзмэтеское взаимодействие водного и. воздушного потоков, С10,Сг0>р = о.зз^о.гз ,к = (-о,7Ж-г,о) - коэффициенты, являющиеся результатом обработки экспериментов на объектах с разными формаш течения (от плавноизменяпщегося до резконеравно-мерного) для различных поперечных сечений я широким диапазоном изменения L/hT.

В работе дана графическая интерпретация уравнения Qa = fiip), т. к. относительный расход воздуха, входящий в начальной сечении в затворнув камеру не разделен на расход воздуха, захватываемый потоком и расход, проходящий под сводом туннеля. Это стало возможно благодаря рассмотрении среднего водосодержания смеси (f) ниже границы с 507. водосодергапием и "эквивалентного" коэффициента водосо-дергания ifei, отражающего распределение объемных расходов воды выгсе и ниге пгоскостп f - 0,5.

В формулу отнэсительного расхода воздуха входит уклон давления ip, который определяется выражением:

1Р

г "2

1

Кг и Г з

fb-.] Г fi-O [ас, --Р-- - г а>)

[_ fu j L Р" ! 1 Ч 1 -.na J v

В диссертация рассматривается ураанекие свободной поверхности

установившегося аэрированного потока в закрытом безнапорном туннеле: dh ах

= i-iplOT/wf) - il/SFfe) [Лх/В - 8hf [-jU^ - Cl/f) ^-j]

x

Frw

1 - а Frw/fl

(3)

Frw = Q2/(gu2ji), E - u/B

Выражение (3) является наиболее общей записьи гяфференциаль-ного уравнения свободной поверхности потока в одномерной постановке. Принципиальным отличием уравнения (3) от известных ранее является наличие члена df/dx, учитывающего аэрацщз и деаэрацию потока по длине сооружения.

Для интегрирования этого уравнения требуется дополнительные выражения, уточнения и поправки таких функций и коэффициентов, как ip,f, fe, ¡V, а0. Неизвестные Л, ао могут быть принята, традиционно для одномер н ой гидравлики, по опытным данным и расчетным зависимостям. Уклон давления ip и его связь с расходами воды и воздуха может бйть задана функцией Qa. = ffipj, т.е. коэффициентами С , С2, $v. Необходимо также удовлетворить краевым условиям для абсолютных значений давления воздуха -в • начальное и конечном сечении надводного пространства и вводить коррекции, связанные со сжимаемостью воздуха, в такие величины как расход воздуха, плотность воздуха, коэффициенты объемного водосодержания. Так как водосодержание потока и его зависимость от условий течения могут определятся на сегодняшний день лишь экспериментально, и с не очень высокой точностью, практическое построение кривых "свободной поверхности" аэрированного потока в водоводе замкнутого сечения непосредственным интегрированием (3) с учетом (1) нп (2) на сегодняшний день представляется для большинства случаев малореальным. Однако уравнения (1ЖЗ) являются основой для качественного анализа явления. Для этой цели они используются в третьей главе реферируемой работы.

В- заключение первой главы отмечается, что состояние изученности вопроса перехода закрытых безнапорных водоводов (hT < hRp) в напорный режим не позволяет практически реализовать (рассчитать) условия пропуска, расчетного и поверочного расходов воды через такие сооружения при различных режимах течения, что в общем случае разрешается СНИП 2.06.01-86. В соответствии с этим я определяются

конкретные задачи диссертационной работы.

Ей вторая плавг дается описание лабораторных установок, методы измерения гидравлических характеристик потока, оценка точности измерения физических величин.

Модели водосбросных сооружений представляют собой универсальные установи, состоящие из подводящей напорной системы, затворной каперы и отводящего водовода. Модели создавались как лабораторные сооружения масштабной серии, т. е. были предназначены для исследования масштабного эффекта воздухозахвата. Отношение линейных размеров моделей составляло 2,83.

Лабораторная установка N1 представляет собой оргстеклянный водовод сечением 20,0 х 21,4 см(В х Ьт), длиной 70Ьт, 1 = 0,0187, который уложен внутри несущей фермы. Конструкция затворной камеры включает в себя основной затвор (плоский) с винтовым приводом и дефлекторами в створе затвора.

Модель К2 есть точная геометрическая копия модели N1 с поперечным сечением водовода 7,1 х 7, 6 см (В х Ьт).

Мощности лаборатории позволяли проводить эксперименты с напором до 5 т 6м.

Обе модельные установки оснащены сетью пьезометров и II-образных манометров, трубками полного давления, индуктивными датчиками давленая с приемной площадкой (эффективным диаметром) 6 ' мм (рис. 2, б). Подвод воздуха производился через мерные диафрагмы разных диаметров, суммарной площадью ~ 14% от площади поперечного сечения водосброса ит.

Модель Я1 оборудована силоизмерительной секцией, представляющей собой часть водовода длиной, равной двум высотам туннеля, "отрезанной" от проточной части туннеля, . но имеющая гибкое и герметичное сочленение. Динамометрическая модель позволяет регистрировать неуравновешенные реакции облицовки водовода по шести степеням свободы как абсолютно жесткого тела (рис.2,в). Деформации изгиба пружин подвески по выбранным направлениям от гидродинамического возмущения преобразовывались в электрические сигналы тен-зорезисторака и регистрирующей аппаратурой. При соответствующей коммутации путем суммирования сигналов фиксировались интересующие интегральные нагрузки по назначенным формам перемещений.

Анализ записей реализаций проводился на ИВК - 2 с использованием ЭВМ СМ-4 и применением пакета. программ статистического, корреляционного и спектрального анализа.

Е. третьей £££££ формулируете" принятие в работе определения

■,/1г»(г/\У1тпп///////////////////!п /ипи /нПпгнипт,,, /!и

■ •'•"• • • • • БЕ5НАП0РНЫИ РЕХИИ

и!"/1 и ¡пи ¡и п 11 ши/ш!/1 щч и ии ттии ш а ¡¡/И I тип

,//Г///Л Упнт/ттипчи / пни и от, Пш п и п г I / гчи , 11111

ит ,ч II тип ли 11 >т т / / шл I / и 11л та п / и и 111 /1 / > > I / /11; ,п П ! п\ Хт Пни тип ! т; п 1 111 /'ни г I г 11 ,,, /

УСЧОИЧИШИ ПЕРЕХОДНОМ РЕКПМ

ишииинипишип!)!!) 1! , I / / / / Л1I П I I 11 I II I I . I I I • I I I I I I / 11

ОСЬ ЧА1&0РА

®

©

ТЛ

№.<ШИ£РйТМ1К<и «одаь Л*.,

9

Д4

-! -1

■ ■ '! ■ - 70ЬТ Д1 1 - - • • =||

*т.

ч- - ДАТЧИК ДАВЛЕНИЕ7 -| -Т?У5КА ПОЛНОГО ДА1АЕ«ПЛТ • -Ч-МЛНОМЕТР ■ - ПЬЕЗОМЕТР

Риг..2. а) исследуемые гидравлические режимы,

■б) схема модели'размещение измерительной аппаратуры в) конструкция сипоизмерительной модели

безнапорного е напорного режима, дается классификация переходных рекимов.

Приводятся результаты экпериментальных исследований и анализ зависимостей Н = Ц\Р/2%) для двух модельных установок с различными открытиями затвора ис/их (ис - площадь сжатого сечения) и разными плсеэдяыи воздухоподводящей системы иа в трех створах моделей (рис.3). Локальный максимум функций соответствует неустойчивому переходному режиму, локальный минимум - устойчивому сотоя-нию потока.

В работе представлены значения чисел Фруда /Ьт, Эйлера

Ьу/(Н+Ьу) в функции от открытия затвора ос/ит и воздухоподвода Ыа/ЫТ (рис. 3,4).

Главный вывод - чем больше масштаб модели, тем при меньших числах Фруда достигается переходное состояние, а затем и напорный режим с ростов напора, уменьшение длины сооружения до- ЗОИт не влияет на условия смены режимов.

' Объяснением масштабного эффекта захвата и транспорта воздуха на геометрически подобных объектах является то, что в число определяющих критериев Ей,Ее,Г г входит критерий Вебера (Уе), т.е. процесс взаимодействия водного и воздушного потоков происходит под действием сил поверхностного натяжения.

. Практическая значимость учета масштабного эффекта, выявленного ранее Ш. А. Тувегеновын и подтвержденного в данных исследованиях, в том, что в литературе нет указаний в какой степени результаты модельных исследований является базой для принятия решений о допущении или недопущении переходных режимов, если изучаемые процессы связаны с возжухозахватом бурным потоком. Например, принятие за истину экспериментальных данных для модели N2 повлечет за собой ошибку в прогнозе натурного гидравлического режима даже для "натуры" в виде модели N1 - переходное число Фруда (Ггкр) будет завышено почти в 1,5 раза.

Основой третьей главы является теоретический анализ результатов эксперзиентов и обоснование инженерных оценок переходных режимов в тунпглыигх водосбросах.

Детальное рассмотрение уравнений свободной поверхности (3) уклона давления (2) и транспорта воздуха (1) в водоводах замкнутого сечения позвонили сделать следующие выводы:

1.При болъклх наполнениях (Ьи/Ьт -1,0) и при отсутствии воздухоподача (ега = 0) вб-тазк переходного разаыа 1р > 0, т. о. уклон давления юггенс$:£;:.и;1рует подпор, г последний в своп очередь

Рио. 3. Перевод мо.цоли JH,2 в ншшрныП режим.

увеличивает углон давления. Такой режим неустойчив и эта неустойчивость способствует смене безнапорного режима напорным.

2. При подзоде воздуха через воздухоподводящую систему ((Ja ? 0) и увеличении ваполнекия (ha. -»О) уклон давления ip уменьшается к в пределе меняет знак. - становится отрицательным. Таким образом, доступ воздуха ослабляет влияние уклона давления на формирование свободной погерхности и в конечном итоге блокирует процесс перехода в напорный режим, что отвечает экспериментальным данным. При ua/ит # 0 переходное число Фруда многократно возрастает.

3. Для подобия процессов развития кривых свободной поверхности аэрированного потока на геометрически подобных, но разных по масштабу объектах, необходимо выполнение следующего условия:

ip = (hT/h.Mfi/f) ¡^ = idee

Отсюда с учетом (2) получена зависимость для пересчета переходных чисел Фруда (Frkp) :

где Ь - одко^.:.:ь- размеры объектов, <1 = 1,-о + 1,зз - результат обработки экспер-____¡нтальных данных.

Условие (4) как качественно, так и количественно не противоречит опытньа данным: чем больше линейный размер модели, тем меньше переходное число Фруда. Для использованных нами моделей соотношение крнтичэс;:их значений числа Фруда находится в пределах 1,5 -5-2,0 (рис.3), а согласно (4) при Ь1/Ьг = 2,83 эти пределы ограничены данными 1,68 * 2,0. Естественно, что различие чисел Ггкр при изменении лиагйных масштабов наиболее сильно проявляется при больших наполненная (рис.3).

Закономерность (4) может быть учтена при постановке и использовании результатов эксперимента двумя путями:

1.на модели избранного масштаба путем форсирования напора следует достичь перевода туннеля в напорный режим и по условию (4) скор-рсктироавать Ргкр для натурного объекта;

2. определяе-тя значеьяв ггкр для модельного объекта и для обепе-чения того 12 зиачемш: Ег1:р для натурного сооружения высота тук-наля Ьт вычисляется по формуле:

(4)

= (ht! A, i Аг/91 т i 1

Н-^/Ьт

Шс/ШТ=0,Е5

• мч

О М 2.

/ ___*

н+ь«/Нт

20

Юс/Шт» 0,61

^ —о ' в

0,1 !1у/Н4-Ьу

50

20

Шс/ат = 0,55

/ (У ___

V

0,Т Ь»/

С,1

Рис.'1. Вакуукы пря переходных режимах №>а =01 ----пепехгш" из оезнапосного пежима

переход из безнапорного режима в напорный.

Ью-Кг

100

О о -л

о • о

о

40

ео

Л7а Н + Н*

Рис. 5. К рассмотрению гидравлического пежима с затоплением скагого сечения: I-опытные данные автора, 2- опыты Ззрбалиева М.С.

1

где Aj= L1/L2 > 1,0 - линейный масштаб модели, z/9d = о, 157+0,222

Очевидно, что неучет установленного различия в переходных значениях числа Фруда на геометрически подобных но разных по масштабу объектах является недопустимым без специальных обоснований.

Приведенные выше результаты исследований являются ответом на второй вопрос, указанный в "целях исследований".

В третьей главе проводится расширенный анализ условий течений в туннельном водосбросе с затворной камерой на входе на основании уравнения баланса количества движения с введением в расчетные зависимости коэффициентов водосодержания. Рассматривается случай, когда участок перехода образуется непосредственно за затвором в сжатом сечении, при котором возможна ситуация, когда баланс количества движения не зависит от величины напора и при соответствую-ющем соотношении размеров потока и сопротивлений будет выполнятся автоматически (рис.5). Таким образом, создается ситуация, когда при сохранении напорного режима в отводящем водоводе и открытых воздуховодах, сжатая струя слабо затоплена (глубина воды в камере затворов близка к высоте отводящего -водовода), а пропускная способность зависит только от абсолютного значения напора. Основное уравнение имеет вид:

F [(hT/hc - l/fz) - AeL/2hT ]= hv/Ьт + 1/2 pi- f2(hic/hr)2]. (5)

здесь F = Q2/gB2h3, Àe = X/2f2- i/F, L - расстояние между сечением 2 и выходным оголовком, hic - глубина воды в'затворной камере, f- среднее объемное водосодержание потока.

Условие равенства нулю квадратной скобки в левой части (5) означает независимость баланса сил от напора в зоне расширения и дает: • -

ис/ит ~ hc/hT = l/(l/f2 ♦ AeL/2hT) (6)

При этом равная нулю правая часть (5) определяет возможное соотношение между размерами сжатого сечения потока ыс, сечением туннеля «т и величиной вакуума в затворной камере hv (которая должна находится в допустимых пределах). Соответствующий анализ приводится в диссертации. Полученные результаты не противоречат выводам М. С. Зарбалиева, сделанным без учета аэрации. Экспериментальное подтверждение этому явлению было проведено на модельных установках лабораторий АзНИИГиМ и ВНИИГиМ (рис.5).

Таким образом установлено, что назначение высоты отводящего туннеля в соответствии с условием (6) обеспечивает неподтошшиие (или слабое лодтопление) затвора при любых напорах, при КСТСрмХ с

этводящем водоводе возникает напорное течение. При этом имеется гарантия сохранения расчетной пропускной способности водосброса в целом.

Указанный вывод является ответом на первый вопрос, сформулированный в "целях исследований".

В. четвертой слааа приводятся результаты экспериментальных исследований-' на моделях масштабной серии, посвященные гидродинамическому воздействие на элементы водосбросного тракта.

Гидродинамические воздействия рассматривались в двух масштабах, имеющих различное назначение для дальнейших инженерных расчетов: 1) воздействия на обтекаемые потоком поверхности конструкций на малых площадях (в "точках"), необходимые для расчета конструкций на прочность; 2) неуравновешенные внутри конструкции интегральные силы, необходимые для расчета деформаций (перемещений) конструкции и ее элементов в окружающей среде (грунте) или на опорах. Соответственно, измерения проводились индуктивными датчиками давления и динамометрической модельа-подвеской.

Измерение величин гидродинамических воздействий производилось при различных открытиях затвора ис/ит, а также воздухоподво-дящэй системы ыа/от ступенчатым приращением напора начиная от безбезнапорного режима и заканчивая устойчивым переходным.

Измерение величин нестационарных воздействий проводилось при аа = о путем непрерывной записи реализаций процесса с последующим анализом временных участков с интенсивным изменением нагрузок.

Переход от безнапорного к напорному режиму начинается с образования неустойчивого переходного режима, характеризуемого нестабильным положением створа выклинивания кривой свободной поверхности на свод туннеля при Г г = Ггкр. Рост напора меняет неустойчивую форму переходного состояния потока на устойчивую Г г > Ггкр (рис. 2, а) (участок перехода от безнапорного к напорному занимает на тракте водосброса стационарное положение). Процессы пульсации давления, нагрузок при этих режимах имеют постоянную дисперсию и математическое ожидание т. е. являются стационарными процессами.

При режимах с числами Фруда Гг и Ггкр максимальные интенсивности пульсации давления составляют I = сг /(и*/2е) » 0,05 * 0,07.

р р

На участке, удаленном от затвора (входного оголовка) на расстоянии 4+5Ьт и ниже по течению величина I не зависит от открытия затвора и условий подачи воздуха, а определяется исключительно кинематической структурой потока (рис. 6, 7).

Нормированные стандарты пульсации давления I на моделях раз-

lo-g/l аУгд>1оо

д * А ; о 1 и • дз — 12. л Д-4 М1 ме.

I 1 (Л. « \ \ a ч N.

I / к À —-л ^ 1 «f • L ..... N d -А

г 4.6 6 10 12. -н

Рис.. Б, Зависимость IP=/CFr) пш: переход!«»: режимах:

Шс/Шт. = 0,65; ШцАЛт' = О,CGC.

Х-IQ

ОЯ f

IV

2 4« \

A оа -М' л«»-М!

А* Д1 о • Д5 а ■ Д4

О 1,0 Fr/fr" 0 1,0 ff/ff'" С ~ 1,0 P/ff"

Fur..7. Переходные режимы. 1Р = / /FrKP), U)c Дйт = 0,61

»0,065 »0.055 - о »0,016 -А

Л I

✓ И I

ч

txrc см]

г/ ч

У №

4

Fr/

Рис.8. Зависимсигд Ir./CR-), It-/(Fp), ff^-ZCRO

üJs /CùT = 0,65. к

ных масштабов хорошо согласуются между содой в соответствующих створах при различных режимах течения и не превосходят максимальных данных, имеющихся в литературных источниках.

Отмечается полное качественное совпадение экспериментальных зависимостей I = /(Тгу, ис.ыа), полученных по датчикам давления и силоизмерительной модели. Гидравлические режимы при Тг - Ргкр характеризуются максимальными нагрузками И, Т, Мй, где Я - вертикальная, Т- продольная, Ми- момент вертикальной нагрузки относительно центра тяжести объема модели (во внимание принимались лишь перечисленные выше нагрузки, т. к. нагружения по остальным формам перемещений оказались малыми физическими величинами).

Интенсивности пульсации вертикальной составляющей нагрузки 1я = <rn/(llы/2g)Я. (где Л - площадь нагружения) оказались на порядок меньше интенсивностей пульсации давления второго измерительного створа и находятся в диапазоне 0,005 * 0,008 (рис.8). Значительное осреднение пульсации нагрузок по поверхности.секции объясняется не только осреднением пульсаций вдоль направления течения, но и взаимоуравновешиванием нагружения на свод и лоток туннеля.

Уменьшение в 1,5 * 2,0 раза составляющих гидродинамического воздействия И, Г, Мя при Гг > Ггкр по сравнению с безнапорным режимом (с большим наполнением) объясняется отсутствием "волновых" длиннойерио'дичных возбуждений при, одновременно, высокой степени аэрации.

В работе приводятся экспериментальные доказательства влияния аэрации потока на касательное напряжение (Т) между жидкостью и стенками водовода (путем сопоставления данных экспериментов (Тэ) на модели в широких диапазонах изменения Ггм, ос, ь>а и результатов расчетов (Тр) по известным в гидравлике зависимостям).

В диссертации представлены нормированные автокорреляционные функции пульсации давления и нагрузки И в зависимости от числа Фруда и ыс, иа, иллюстрирующие преобладание низкочастотных возмущений потока (до 90% дисперсии) при Г г я Ггкр с энергонесущими частотами Г = 0.1 + 0, 5 Гц. С ростом напора и переменой структуры потока (устойчивый переходной режим) меняется и частотный диапазон возбуждения -радиус корреляции тк сокращается в 3 * 5 раз. Составляющие пульсации с характерными для турбулентности периодами времени тт ^ Ьи/ии = 0, 02-Ю, 05 с вносят незначительный вклад в общую дисперсию рассматриваемых динамических величин (рис.9).

Анализ временных рядов, составленных из записей пульсации давления р , И и Т' 1Гг - Ггкр) позволяет сделать вывод, что закон

Рис.9. Автокорреляционные функции пульсации давления

2 створ, свод туннеля: Ь3с/Ют"= 0,61 Ыа/Шт = 0,0165: а) неустойчивый переход, б) устойчивый переход.

Ьт

(З^ГсЗ

• 1_„ М*

10

20 "^С

ОД

М^кгсм]0 -0,5'

0,5

Т|*гс] ^

-и

-ю

Риг. .10. Реакции эвена трубопровода при переходе от

безнапорного режима к напорному: ы0/Шт = 0,65; иЗа_ = 0.

распределения воздействий отличен от нормального, при этом коэффициент асимметрии положительный для р , К .

В четверой главе также представлены коэффициенты корреляции (р) для створов измерения пульсации давления р , и между составляющими ' гидродинамического нагружения облицовки И , ' Т, Мн , дающие максимальные значения (р) при неустойчивых переходных режимах.

В третьем разделе главы обсуждаются результаты экспериментальных исследований нестационарного перехода в напорный режим

При ОТСУТСТВИИ ВОЗДуХОПОДаЧИ №1=0.

Изменение воздействий (точечных р и интегральных Ю во времени определяется движением против течения волновых образований, имеющих характер локальных вальцов с интенсивной аэрацией под сводом туннеля - сначала наблюдается рост при увеличении наполнения и выходом на свод сооружения одной из волн, затем падение (створ измерения находится между гребнями двух волн) и, наконец, возрастание до значений, характерных для напорного режима (рис.10).

Во всех случаях установлено, что при нестационарном переходном режиме осредненные и пульсационные нагрузки (в сумме) не превосходят того уровня осредненной нагрузки, который устанавливается в напорном режиме по условиям перехода в напорный режим.

Максимальные относительные понижения давления в воздушном потоке + Н) имеют место б камере затвора в момент смены режимов (рис.4).

В работе также представлены характеристики воздействий при напорных режимах как по точечным датчикам давления, так и по трем степеням свободы силоизмерительной модели.

Е пятой главе на основе изучения масштабного эффекта воздухо-захвата в водоводах замкнутого поперечного сечения приводится сопоставление данных, изложенных в нормативных материалах при определении режимов течения в туннельных сооружениях, с экспериментальными результатами, полученными в данной работе.

В графической форме 1гг/11с = ЛГг*р) (где Гг*р- число Фруда в сжатом сечении, отвечающее переходному режиму в отводящем водоводе) показывается область применения схемы пропуска максимального расчетного расхода со слабозатопленной сжатой струей в камере затвора и с напорным движением на тракте при допущении переходных режимов.

Анализируется возможность оптимизации, площади поперечного сечения водосброса при различных геометрических параметрах туннеля (Ь/Ьт, Ьт/В), гидравлических сопротивлениях (X) и уклонах (И.

-20-ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

I.Исследования, выполненные в ранках диссертационной работы, позволяют констатировать следующее:

1.В формировании кривой свободной поверхности в водосбросах замкнутого поперечного сечения при Frw » 1, 0 определяющую роль играет уклон давления в воздушном потоке i'p : ~

- при подаче воздуха противотоком (и& = О) с увеличением напора уклон давления интенсифицирует подпор, который в свою очередь способствует росту уклона давления и в конечном итоге приводит к переводу туннеля в напорный режим;

- расход воздуха, подаваемый через воздуховод (ь>а * 0), существенно ослабляет влияние уклона давления ip, таким образом, что увеличение сечения воздуховода на 1°/. от площади туннеля приводит к возрастанию переходного числа Фруда примерно в 1,5 * 2 раза.

2. Теоретический анализ уравнений транспорта воздуха, свободной поверхности установившегося аэрированнного потока в безнапорном туннеле, а также результаты экспериментальных исследований подтвердили сделанные ранее выводы о немоделируемости воздухозах-вата исходя из критерия Фруда при соблюдении геометрического подобия объектов (Frw = idem. Re > Rep).

v w

Получена зависимость (4), позволяющая по лабораторным исследованиям делать инженерный прогноз переходных режимов как на моделях", так и в натурных" водосбросных сооружениях. В частности, с уменьшением линейных размеров водовода в Л раз числа Фруда, отвечающие смене режимов течения, увеличиваются в А" раз, где m = 0,5 * 0,66.

3.Величины гидродинамических воздействий (давления,нагрузки), полученные в экспериментах на моделях масштабной серии, не выходят за пределы значений лабораторных и натурных исследований, приведенных в справочной литературе.

Максимальные оценки интенсивностей воздействий для давлений в

"точках" ¡г /Uw/2g - 0,05 * 0, 07 и для нагрузок <r„/Uw C2/2g * 0, 005

р . r

* 0,007 имеют место при неустойчивых переходных режимах в зоне

выклинивания водовоздушной смеси на шелыгу свода туннеля и не зависят от степени расширения потока в трубопроводе и условий подачи воздуха через воздуховод.

Вертикальное гидродинамическое воздействие при неустойчивых формах перехода характеризуется увеличением положительной составляющей .нагружения - положительным коэффициентом асимметрии, что снижает вероятность появления отрывающих усилий в элементах конст-

укции проточного тракта водосбросного сооружения.

Диапазон чисел Фруда, ограничивающий максимальное нагружение остаточно узок и с уменьшением отношений ис/ит, ша/ыг имеет енденцию к сокращенно.

С ростом числа Фруда и установлением устойчивого переходного ежима, отличающегося высокой степенью аэрации потока, наблюдается .ущественное снижение нагрузок, давлений(в 3+4 раза), при законе >аспределения пульсационных составляющих воздействий мало отличаю-шмся от нормального.

С увеличением степени аэрации потока осредненное касательное усилие на стенках трубопровода для устойчивого безнапорного режима уменьшается.

4. Установлено, что при нестационарном переходном режиме ос-редненные и пульсационные гидродинамические нагрузки в сумме не превосходят той осредненной нагрузки на водовод, которая соответствует напорному режиму. Вследствие малых скоростей изменения нагрузок они могут рассматриваться при расчетах конструкций как квазистатические.

5. Выполнено теоретическое исследование с учетом аэрации потока существования таких соотношений площади сжатого сечения потока и отводящего водовода при которых пропускная способность водосброса зависит только от абсолютного значения напора при напорном движении на отводящем тракте, слабом затоплении сжатого сечения и гарантированном подводе воздуха. Результаты подтверждены экспериментальными данными. Устойчивость такого режима будет сохраняться и при допущении в затворной камере некоторого вакуума и при незатоп-ленной сжатой струи.

В. Предложенный метод пропуска максимального расчетного расхода может быть реализован на практике только при допущении на водопроводящем тракте переходных и напорных гидравлических режимов, что позволит оптимизировать поперечное сечение водосброса. Однако, такая возможность будет зависеть от компоновки всего гидроузла и, в первую очередь, от длины сооружения и от характеристик гидравлического сопротивления. Наибольшая эффективность предлагаемого метода будет для высоконапорных сооружений средней и большой протяженности.

II.На основании изложенного выше (см. п. 1+6) могут быть даны следующие практические .ответы на вопросы, сформулированные в "целях исследования":

-221. Для гарантированного пропуска максимальных расходов (расчетного и поверочного) через водосбросы замкнутого поперечного сечения (в соответствии со СНЯЛ 2. ОБ. 01-86 п. п. 2.11., 2.12) необходимо обеспечить соотношение площади сжатого сечения потока (в затворной камере при полном открытии затвора или за выходным оголовком) и площади сечения отводящей части водовода в соответствии с формулой (6). При этом свободный подвод воздуха к сжатому сечению является обязательным. Увеличение площади сечения отводящего водовода сверх указанной выше, в общем случае, технически и экономически нецелесообразно.

2. В случае, когда признается необходимым проведение модельных исследований режимов течения в безнапорном водоводе замкнутого сечения (например, в соответствии со СНИП 2. ОБ. 09-84 п. 1.3., СНИП 2. 06.01-86 п. 1.12.) и в результате определено число Фруда, отвечающее переходному режиму на модели, то при оценке режимов течения в натурном сооружении следует провести корректировку модельного числа Фруда по зависимости (4). Если результат пересчета оказывается неудовлетворительным, высоту водовода следует, увеличить в сравнении с модельной. Для получения в натуре того же значения переходного числа Фруда, что и на модели, увеличение высоты отводящего участка туннеля следует провести согласно зависимости (4' ).

3. Для обеспечения нормативной прочности и надежности конструкций водо'сброса замкнутого сечения при возникновении переходного режима они должны быть рассчитаны (кроме обычно рассматриваемых нагрузок, в т. ч. веса воды, давления грунта и др. ) на :

а) пульсацию гидродинамических давлений на внутренние поверхности со стандартом = 0, 07чЬ/2ё при отсутствии внутреннего избыточного давления;

б) осреднение во времени нагрузки от внутреннего избыточного давления в водоводе при. напорном течении на отводящем участке водовода при расчетном (или поверочном) расходе воды.

Если водовод разделен швами на секции длиной . Ьс £ 2 Ьт имеющие возможность взаимно перемещаться, то в дополнение к п. б следует ввести в расчет момент от веса воды в объеме секции, относительно горизонтальной оси, нормальной к направлению течения, с максимальным плечом 0, 25Ьс.

При удовлетворительных результатах расчета по условиям п. 3 лабораторная проверка, указанная в п. 2 может не производится.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах: Методика постановки динамических измерений при исследовании взаимодействия элементов гидросооружений с потоком воды. -Тезисы докладов Всесоюзного совещания "Научное обеспечение повышения эффективности использования мелиорируемых земель"- Москва,1987. с. 147-148 (в соавторстве).

Определение динамических реакций звена трубчатого водосброса при динамическом воздействии. - Тезисы докладов Всесоюзной научно- практической конференции молодых ученых "Экологическое совершенствование мелиоративных систем"- Москва, 1989. с. 213-214. Обоснование оптимальных размеров закрыть« водосбросов. - Труды ВНИИГиМ, 1992 (в соавторстве).