автореферат диссертации по строительству, 05.23.16, диссертация на тему:Пропускная способность водосливов практического треугольного поперечного профиля с закругленным оголовком

На правах рукописи

ЩгоскУ

Альдораднн Гутьеррес Лилиана Ингрид

ПРОПУСКНАЯ СПОСОБНОСТЬ водосливов ПРАКТИЧЕСКОГО ТРЕУГОЛЬНОГО ПОПЕРЕЧНОГО ПРОФИЛЯ С ЗАКРУГЛЕННЫМ ОГОЛОВКОМ

Специальность 05 23 16- Гидравлика и инженерная гидрология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2007

003174605

Работа выполнена на кафедре гидравлики Московского государственного университета природообустройства.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор,

заслуженный деятель науки РФ Штеренлихт Давид Вениаминович. Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор,

заслуженный деятель науки РФ Исмайылов Габил Худуш оглы

кандидат технических наук, доцент, Алтунин Владимир Ильич

Ведущая организация - закрытое акционерное общество ПО

«Совинтервод»

Защита состоится 05 ноября 2007г. в 16 часов 30 мин.на заседании диссертационного совета Д220.045.02 в Московском государственном университете природообустройства (МГУП) по адресу: 127550, г. Москва, ул. Прянишникова, д. 19, аудитория 201/1.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке МГУП. Автореферат разослан ' октября 2007г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

И.М.Евдокимова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В Республике Перу к концу 2006 г поданным Национального института статистики (ШЕ1) численность населения составила 29,947 млн чел, плотность населения составляет 22 жителя на км2. На протяжении многих лет перуанцы ведут работы по развитию орошения как составной части комплексного использования водных ресурсов, но темпы повышения производительности сельского хозяйства отстают от темпов роста населения Прогноз показал, что к 2010 г население страны достигнет 33 млн чел Для успешного увеличения объемов урожаев необходимо усилить темпы развития орошаемого земледелия

Управлением водных ресурсов Перу, разработана программа последовательного развития отечественной гидроэнергетики, гидротехники, мелиорации, водоснабжения и других отраслей водного хозяйства. Прямым следствием этого является программа учета и рациональное распределение воды

В целях более рационального использования водных ресурсов страны, необходимо усовершенствовать систему водоучета, разработать концепцию дальнейшего использования существующих и вновь разрабатываемых методов и технических средств измерения воды Организация такой сети обусловлена необходимостью внедрения учетно-коммерческого водоучета, который позволит, во-первых, обеспечить новые экономические взаимоотношения с потребителями, во-вторых, установить непрерывный контроль за соблюдением норм и технических требований орошения сельскохозяйственных культур, что позволит повысить их урожайность и обеспечит более экономное использование водных ресурсов

Для решения этих задач, помимо выполнения других мероприятий, в качестве одного из основных оборудований для измерения расходов воды в открытых каналах в качестве водомерных устройств, можно использовать водосливы, которые позволят обеспечить высокую точность измерений

расходов воды Стоимость последних составляет значительную часть от общей стоимости оросительных систем, создаваемых в Перу

Изложенное определяет большое значение правильности прогноза величин расходов в каналах с помощью водосливов-водомеров, то есть получение корректных уравнений для определения пропускаемого через них расхода (коэффициентов расхода и скорости), а также формул для определения значений гидравлических характеристик потока в рамках диапазонов эффективной работы этих водосливов, а также предельных значений относительных затоплений и коэффициентов, позволяющих подсчитать расход при затопленном истечении через них жидкости

Как правило, значение указанных параметров определяют экспериментально в лабораторных условиях или назначают по рекомендациям нормативных документов В ряде случаев для этих целей используется метод «скорость - площадь»

Наряду с насчитывающими уже многие десятилетия гидравлическими исследованиями традиционных водосливов, значительный практический и научный интерес представляют и исследования пропускной способности некоторых водосливов нетрадиционных конструкций, которые в последнее время начали внедряться в практику в качестве водомерных сооружений, обеспечивающих достаточно высокую точность измерения расходов воды и надежно работающих как при свободном, так и при затопленном истечении

К таким водосливам, в частности, относятся пороги, имеющие симметричную треугольную форму поперечного профиля с закругленным или острым гребнем (Рис 1) Эти водосливы обладают .следующими преимуществами по сравнению с измерительными лотками или мерными водосливами других типов

- они создают благоприятные условия для транзита наносов, так как закругленный гребень более устойчив к абразивному истиранию его наносами,

- водосливы практического профиля с треугольным поперечным сечением с закругленным гребнем имеют более широкий диапазон использования при

затопленном истечении,

- аналогичные водосливы, но с острым гребнем обеспечивают незатопленный режим истечения воды через них с высоким значением коэффициента затопления, благодаря чему их особенно целесообразно применять выгодны на реках с малыми уклонами или в оросительных каналах,

- рассматриваемые водосливы обладают устойчивыми гидравлическими характеристиками в широком диапазоне изменения определяемых расходов,

- конструктивно такие водосливы весьма просты и, одновременно, обладают достаточной прочностью и устойчивостью. Для их возведения с успехом могут быть использованы местные строительные материалы

Результаты проведенных ранее исследований треугольных водосливов с симметричным поперечным профилем тела оказались недостаточными для разработки практических рекомендаций по их практическому использованию Учитывая, что указанный симметричных профиль водослива требует меньших затрат при строительстве по сравнению с несимметричным, нами были проведены исследования в гидравлических лабораториях Всероссийского научно-исследовательского института гидротехники и мелиорации им. А Н Костякова (ВННИГиМ) и Московского государственного университета природообустройства (МГУП) с использованием трех модификаций моделей последнего.

Из изложенного выше вытекает необходимость проведения тщательных гидравлических и метрологических исследований водослива рассматриваемых конструкций с целью разработки методики определения пропускаемых через них расходов как в условиях свободного, так и затопленного режима истечения При этом автору диссертации представлялось целесообразным охватить экспериментами те диапазоны параметров, определяющих процесс истечения, в рамках которых имеющиеся опытные данные противоречивы или отсутствуют

Цель исследований. Определение значений основных гидравлических характеристик, а также разработка рекомендаций по гидравлическим расчетам и применению в водохозяйственной практике водосливов практического

профиля с треугольным поперечным сечением, установленных в малых прямоугольных каналах при различных условиях и гидравлических режимах их эксплуатации.

Для достижения поставленной цели предполагалось решить следующие задачи

- определить пропускную способность водосливов практического профиля с треугольным поперечным сечением при свободном и затопленном истечении жидкости через них, установить основные факторы, влияющие на характер истечения и пропускную способность изучаемых водосливов,

- выявить степень влияния определяющих параметров на характер изменения значений коэффициентов расхода и коэффициентов скорости рассматриваемых водосливов при свободном режиме истечения,

- получить экспериментальные зависимости для определения значений указанных коэффициентов в зависимости от определяющих течение параметров,

- исследовать закономерности распределения скоростей потока в мерном створе,

- найти значения критериев подтопления рассматриваемых водосливов и расчетные зависимости для определения значений коэффициентов затопления,

- установить диапазоны 'допустимых режимов сопряжения потока в нижнем бьефе сооружения при различных значениях относительных затоплений

Научная новизна. На основании анализа полученных данных экспериментальных исследований треугольных водосливов практического профиля получены следующие новые научные результаты,

- разработаны аналитические формулы для определения пропускной способности рассматриваемых водосливов при свободном и затопленном истечении,

- установлены зависимости для определения коэффициентов расхода и коэффициентов скорости для рассматриваемых водосливов,

-7- предложены расчетные зависимости для определения коэффициента затопления в уравнении расхода при затопленном истечении;

- установлены критерии затопления водослива практического профиля с треугольным сечением;

- установлены границы допустимых режимов сопряжения потоков в нижнем бьефе сооружения при различных относительных затоплениях и составлены рекомендации по применению рассматриваемых водосливов гидрометрической практике при разных относительных затоплениях,

- определено среднее значение коэффициента кинетической энергии потока в мерном створе

Практическая ценность. Полученные в работе результаты позволяют в более широком диапазоне определяющих течение параметров, рассчитать пропускную способность треугольных водосливов практического профиля в условиях свободного и затопленного истечения воды

Рассматриваемые треугольные водосливы практического профиля и предлагаемые расчетные зависимости могут быть использованы при проектировании сооружений, обеспечивающих измерение расходов воды и позволяющих вести контроль за водопользованием на каналах массового использования мелиоративных и водохозяйственных систем

Апробация работы. Основные положения проведенных исследований докладывались на заседаниях кафедры гидравлики и на ежегодных научных конференциях МГУП. По материалам исследований, выполненных в рамках диссертации, опубликовано четыре работы, в том числе одна - в издании рекомендованном ВАК РФ для публикации содержания диссертационных работ

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы Работа изложена на 155 страницах машинного текста, включая 69 рисунков и 56 таблиц, список литературы из 106 источников, в том числе 24 иностранных авторов

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована ее цель и основные задачи исследований, отражена методика их проведения, изложены научная новизна и практическая ценность полученных результатов, приведены сведения о структуре и объеме диссертационной работы

В первой главе приведены результаты анализа существующей литературы, посвященной гидрометрическим водосливам Этот анализ включил в себя рассмотрение основных конструкций таких водомеров, их классификацию, расчетные зависимости, методику определения расходов, принципы работы, достоинства и недостатки

Так же был выполнен анализ современного состояния изученности вопроса определения пропускной способности гидрометрических водосливов и сформулированы цель и основные задачи исследований автора,

С точки зрения физической картины течения потока воды через водосливы практического профиля с треугольным поперечным сечением они занимают промежуточное положение между водосливами с тонкой стенкой и трапецеидальными водосливами

Водосливы практических профилей были предметом исследований многих отечественных и зарубежных ученых Вопросами истечения через водосливы занимались с конца XVIII века и до настоящего времени многие ученые. Полени, Буссинеск, АЭБазен, ТРебок, Френсис, Р.ЭХортон, ГВРафтер, С В.Избаш, И И. Агроскин, Бесстен, Б А Бахметов, А Р Березинский, В А Большаков, П Г Киселев, А С Офицеров, Н Н Павловский, Ф И Пикапов, А М Прудовский, Н П Розанов, С М Слисский, В В Смыслов, Р Р Чугаев, Д В Штеренлихт, Е В Шодер, В.Эйснер, Ф В.А Энгель, С А Сишадри, А М Харрисон и многие другие

В последние десятилетия непосредственно исследованиями треугольных водосливов практических профилей занимались Крамп, Уайт, А Э Базен,

Берджесс, Херши, Уайтед, Рамакришнан и Е Г Филиппов

Все изменения значений коэффициента расхода могут быть связаны с изменением картины обтекания профиля водослива потоком воды и, в частности, с изменением местоположения возникновения и интенсивности вращения вальцов за гребнем водослива Ранее изучение поведения таких вальцов было выполнено в работе Е Г.Филиппова (1990 г.) Им было показано, что при значениях коэффициента заложения верхового откоса тв около 2, валец за гребнем практически исчезает Кроме того, на реальных объектах могут найти применение, с целью уменьшения объема строительных работ и экономии строительных материалов, и водосливы практического профиля с треугольным поперечным сечением с коэффициентом заложения низового откоса отличным от Шн = 5, то есть симметричные треугольные водосливы с тв = тн = 2.

В заключительной части главы отмечено, что треугольные водосливы практического профиля с закругленным гребнем должны найти более широкое применение в практике, чем обычные треугольные пороги, так как: их гребень более устойчив к абразивному истиранию наносами, они имеют более широкий диапазон использования при затопленном истечении, технология их изготовления может быть упрощена, если гребень изготавливать из отрезков металлических или железобетонных труб, эти трубы параллельно можно использовать в качестве трубчатых акведуков, или трубчатых дюкеров, пересекающих трассу открытого русла или оросительного канала.

Изложенное выше определило цель настоящих исследований — выполнить экспериментальное научное обоснование методов гидравлического расчета водосливов практического профиля с треугольным поперечным сечением при свободном и затопленном режимах истечения.

Во второй главе приведено описание экспериментальной установки, методики проведения опытов и обработки опытных данных, обсуждены результаты оценки точности измерений и возможности переноса экспериментальных данных в натуру Также проведено планирование

эксперимента, на основании созданного комбинационного квадрата автором было выполнено 42 серии опытов, общее число экспериментов с учетом повторов составило 620. Эксперименты были проведены в двух лотках в гидрометрической лаборатории ВНИИГиМ (рис 2) и в гидравлической лаборатории кафедры гидравлики МГУП (рис 3)

Во ВНИГИиМе экспериментальная установка состояла из трех основных частей

- водоподагощей, включающей насос с электродвигателем и систему баков из нержавеющей стали с успокоительными устройствами;

-расходомерной, которая использовалась для градуировки мерного водослива, состоящей из мерного треугольного водослива с тонкой стенкой, специальной объемно-дозирующей емкости, и весоизмерительного устройства, -гидравлического лотка прямоугольного поперечного сечения, изготовленного из оргстекла, высотой 0,2 м, шириной 0,3 м Он включал в себя подводящее русло, первая модель испытываемого сооружения (водослив с треугольным поперечным сечением и закругленным гребнем) и отводящий канал Модель водослива была изготовлена из гипса

Первый профиль порога водослива (Рис. 4) с закругленным гребнем был симметричным, с откосами в верхнем и нижнем бьефах, имеющими коэффициент заложения откоба тв = тн = 2,0 Высота порога р = 0,08 м; ширина порога была равна ширине лотка Ь = Ьк =0,3 м; радиус закругления гребня порога составлял Ы = 0,04 м. На низовом откосе порога имелись три пьезометрических отверстия на расстояниях 0,01, 0,06, 0,11 м от верхней точки гребня порога

Расходы измерялись в диапазоне от 0,0023 до 0,014 м3/с, значения геометрического напора изменялись в диапазоне Н=0,0256-0,074 м,

УН

относительный напор Н/Р=0,17-0,925 Значения числа Рейнольдса Яе = —— , изменялись в пределах 0,712 104—4,281 104 Значения числа Фруда „,

изменялись в пределах 0,0052-0,061

Использовалась следующая методика проведения экспериментов проводилась тарировка треугольного мерного водослива с тонкой стенкой Поочередно устанавливались десять расходов воды и после стабилизации гидравлических параметров измерялись отметки свободной поверхности воды в 20 створах, расположенных по длине лотка Измерения каждого гидравлического параметра проводились не менее 10 раз с целью применения при обработке опытных данных математико-статистических методов

Для каждого расхода в нижнем бьефе сооружения с помощью щитового затвора устанавливалось минимум восемь различных глубин воды, что позволяло получить различные значения относительного затопления, при этом измерения проводились в уровнемерном колодце. Для измерения глубин и отметок свободной поверхности использовались разработанные и изготовленные во ВНИИГиМе автоматизированные уровнемеры АПУ-250 с цифровым отсчетом, погрешность которых не превышала 0,25 мм Для определения коэффициента кинетической энергии а с помощью трубки Т Ребока-Прандтля детально измерялись скорости в измерительном сечении. Определение значений а использовалась формула

Ж"ЛА

а=—3-, (1)

Уср ^о

где 11ср — средняя скорость на вертикали, с1А - элементарная площадь вокруг скоростной точки, УСр — средняя скорость живого сечения, Аа - общая площадь живого сечения,

При каждом расхбде были проведены опыты при свободном и затопленном истечении через водослив В опытах выполнялись исследования кривых свободных поверхностей. Кроме того, проводились эксперименты по определению значений коэффициента кинетической энергии потока, то есть проводились измерения распределения скоростей потока по ширине лотка в мерном створе верхнего бьефа при двух различных расходах воды. Были также проведены исследования режимов сопряжения бьефов за рассматриваемым

водосливом, а также исследования распределения давлений по низовой сливной грани водослива

Экспериментальные исследования в МГУП были проведены в гидравлическом лотке прямоугольного сечения, изготовленном из оргстекла, длиной 7 м, высотой 0,5 м, шириной 0,3 м В этом лотке было проведены эксперименты с двумя моделями водослива с треугольным поперечным сечением, изготовленными из оргстекла. Оба профиля порога водослива были симметричными, с коэффициентом заложения откосов, равным тв = шн = 2,0 Вторая модель (Рис 4) имела закругленный гребень, высоту порога р = 0,16 м, ширину порога b = 0,3 м, радиус закругления гребня порога R = 0,08 м Третья модель водослива (Рис 4) была выполнена с острым гребнем, высотой порога р = 0,17 м, шириной порога b = 0,3 м

В процессе проведения лабораторных исследований расход на установке изменялся в пределах Q = 0,0045 . 0,027 м3/с; напор перед водосливом изменялся в диапазоне Н = 0,041 0,12 м; относительный напор Н/Р менялся от 0,25 до 0,75, числа Рейнольдса составили диапазон 1,376 104. 8,257 104, числа Фруда 0,0028 0,0376

Измерения расхода воды осуществлялись при помощи мерного параболического водослива с тонкой стенкой, регулирование глубины воды в лотке производилось жалюзиь/м затвором в конце лотка Измерение глубины потока воды на модели осуществлялось при помощи шпиценмасштаба Все измерения проводились после стабилизации уровней воды не менее 3 раз, в 23 створах, расположенных по длине лотка.

Условия проведения и данные опытов в измерительном сечении верхнего бьефа сооружения позволило отнести исследования явления к автомодельной области по числу Re и считать единственным определяющим критерием подобия - число Фруда

Относительная ошибка в определении коэффициента расхода составила (1,32. 3,3)%, расхода (0,39.. 0,82)%, напора (0,51 1,54)%, коэффициента затопления (2,54 .5,5)%, числа Рейнольдса (1,25.. .3,75)%

-13В третьей главе приведены основные результаты обработки экспериментально-теоретических исследований треугольных водосливов практического профиля при свободном истечении. Полученные данные были обработаны на ПЭВМ с помощью электронных таблиц Excel-2003

Как известно, при проведении гидравлических расчетов принято определять пропускную способность водослива по формуле вида

Q=on тЪЩн*\ (2)

или Q=<r„ щЬ&>Нт, (3)

где стп — коэффициент подтопления, для свободного истечения ст„ = 1,0, m -коэффициент расхода; ш0 - то же, с учетом скорости подхода, b - ширина водослива, м; g - ускорение свободного падения, м/с2, Н - измеряемый напор в верхнем бьефе водослива, м, Н„ — напор с учетом скорости подхода,

01

Hq = Н + а0—, а0 — коэффициент кинетической энергии потока в верхнем

2 g

бьефе на подходе к водосливу о„— скорость подхода потока и0 = Ц- (где.

А

А— площадь живого сечения потока,м2)

При обработке опытных данных коэффициенты расхода определялись из формул (2) и (3).

Коэффициент скорости (р при свободном истечении определялся по формуле

Q

hcbJlgiEo-hc)' (4)

где hc - глубина воды в сжатом сечении у подножия низовой грани водослива, Еа - удельная энергия в измерительном сечении в верхнем бьефе относительно дна нижнего бьефа, Еа = На+ Р (где Р - высота порога, м)

В тексте главы показано, что для конкретной модели водослива (при 0В = idem и ©н = idem) и при фиксированной ширине гребня водослива

коэффициент расхода зависит только от величины относительного напора, то есть имеем

- = = (5)

Для сравнения своих результатов с опытными данными других авторов экспериментальные наши данные также были нами обработаны в соответствии с Международным стандартом (ИСО 4360), согласно которому общий вид уравнения расхода для водослива практического треугольного поперечного профиля имеет вид

Q = (3/2)3n4gCs CD Су b Нъп = 1,7049CsCDCvbH312, ( 6) где CD - коэффициент расхода, Су — коэффициент скорости подхода потока, Су -(HJH)3n, Cs — коэффициент затопления, Cs = 1,0 при свободном истечении потока

Кривые зависимости вида (5) для рассматриваемых водосливов приведены на рис 5, рис 6 и рис 7

Сопоставление полученных результатов показало, что при одинаковых значениях аргумента Н/Р модель водослива № 1 (во ВНИИГиМе) имеет большие значения коэффициента расхода, чем модель водослива № 2 (в МГУП) По-видимому, это объясняется различными условиями проведения лабораторных исследований, различной кривизной струй потока, переливающегося через водослив, различными условиями развития пограничного слоя, а также спецификой различного бокового сжатия потока у стенок лотка

Так же, сопоставление полученных результатов трех моделей рассматриваемых водосливов, позволило установить, что пропускная способность треугольного водослива практического профиля с закругленным оголовком больше чем у водосливов с острой кромкой гребня. Это объясняется тем, что у водосливов первого типа создаются более благоприятные условия движения жидкости, а у водосливов второго типа требуются большие относительные затраты энергии потока

Отклонение опытных значений коэффициента расхода от средних значений не превышало ± 1,6 %, а коэффициента скорости ± 2,27% (для ф) и ±0,65 % (для Cv), что находится в пределах допустимого.

Среднее значение коэффициента расхода при свободном истечении равно CD = 1,140 (во ВНИИГиМе) и Сп=1,120 (в МГУП), что близко к значению того же коэффициента для треугольного водослива симметричного профиля с закругленным гребнем, полученной С А Сишадри CD= 1,150 (рис 8).

Для определения коэффициента скорости подхода Су , входящего в уравнение расхода, необходимо знать точное значение коэффициента кинетической энергии (а) По результатам обработки данных измерений местных скоростей потока, нами было получено среднее значение коэффициента Кориолиса в измерительном сечении в верхнем бьефе, равное а = 1,0837

Связи между коэффициентами Со, Су, Cs и т, т„ ап имеют вид

с у-—, с3-(7я V2 т

На основании результатов обработки данных экспериментов, нами были получены следующие формулы для определения коэффициентов m, т0, Cd, ф.

Для модели № I-

т=0,485 (НУР)0'117, (7)

то=0,532 (Н/Р)0,175, ( 8 )

Со=1,26(Н/Р)0,Ш, (9)

Ф=0,995(НУР)°'119, (10)

Для модели № 2

т=0,469 (Н/Р)0'109, (11)

то=0,507(Н/Р)°'163, (12 )

Cd=1,217 (Н/Р)0'106, (13)

ф=0,941 (Н/Р)0'089, ( 14 )

Для модели № 3.

т=0,504 (Н/Р)и> , то=0,543(Н/Р)°'385, С0= 1,299 (Н/Р)°'ш, ф =0,939 (Н/Р)0-'23,

,0,321

(15)

(16)

(17)

(18)

Наши опытные данные позволили также получить зависимость для коэффициента скорости подхода Су (рис 9) в виде

Все приводимые зависимости справедливы в указанных выше диапазонах изменения опытных данных

Также изложены статистическая обработка экспериментальных данных и вывод эмпирических зависимостей с целью сравнения работы рассматриваемых моделей водосливов и их гидравлических параметров

Приведена описательная статистика выборок Для сравнения был использован двухвыборочный критерий Стьюдента, реализованный на персональном компьютере

На первом этапе аналитической статистики проводилось сравнение значений коэффициентов расхода и скорости для каждой из моделей водослива между собой и с результатами исследований других авторов

Дан вывод эмпирических зависимостей для перечисленных коэффициентов с использованием методов регрессионного анализа

Статистическая оценка коэффициентов уравнений регрессии показала, что изучаемые зависимости достаточно точно описывается степенной и полиномиальной функцией.

По критерию Фишера, если Б — значение было меньше уровня значимости а=0,05,то модель считалась адекватной и статистически значимой Коэффициенты принятого уравнения регрессии также должен был

СУ1=0,062 (Н/Р)2+0,068(НУР)+0,991, СУ2=0,037 (Н/Р)2+0,077(Н/Р)+0,989, СУЗ=0,091 (Н/Р)2+0,02(Н/Р)+0,997,

(19)

(20) (21)

удовлетворять условиям значимости по критерий Стьюдента

Результаты применения критериев Фишера и Стьюдента показали, что все полученные нами уравнения приемлемы и достоверны (формулы 7 21)

В четвертой главе изложены основные результаты анализа данных опытов, проведенных в целях уточнения критерия подтопления и коэффициента подтопления При этом учитывалось относительное затопление, определяемое по формуле

о нт А

5 = ««« =1- (22) "о "о

где Нив ~ напор в нижнем бьефе, А - превышение уровня нижнего бьефа над гребнем водослива

В соответствии с рекомендациями Международных стандартов по измерениям расходов воды в открытых руслах, нами за критерий начала затопления принимался такой режим, при котором повышение глубины в нижнем бьефе сооружения вызывало увеличение измеряемого напора в верхнем бьефе на 1% При таком режиме истечения опытным путем нами было определено предельное относительное затопление, вычисляемое по формуле

8=ннв-и. ? (23 )

но

где НнБ-тах - максимальный напор в нижнем бьефе, при котором истечение можно считать свободным

Для учета затопления в уравнение расхода вводился коэффициент затопления , который при обработке опытных данных определялся по уравнению

С*=7Г"» (24)

где <2зШ) - расход, задаваемый в опытах, <2тт - расход, определяемый по уравнению расхода при 8>8пред, без учета затопления, свободном истечении

На рис 10 приведен полученный нами график зависимости Сэ = /(Нць/Н0) для первой модели водослива Рассмотрение этого графика показывает, что коэффициент подтопления меняется по мере изменения величины отношения Ннб/Но, и с его увеличением убывает Как показали результаты наших исследований треугольные водосливы практического профиля можно применять для определения расхода и при затопленном истечении потока Для этого следует использовать уравнение (6), а коэффициент подтопления Сэ, входящий в него, определять по уравнению (24)

На основании результатов наших опытных данных была получена экспериментальная зависимость для определения коэффициента подтопления, имеющая вид

С8= - 4,839(Н1Ш/Но)2+ 6,2435(Ннб/Но) -1,0126, ( 25 )

По методу наименьших квадратов исследуемая зависимость С5=Г(8)достаточно хорошо аппроксимируется полиномом второй степени Статистическая оценка полученных коэффициентов уравнения регрессии удовлетворительна

Формула (25) может применяться только в пределах 0,67 < 8 < 0,93, при превышении которого водослив перестает осуществлять функции гидрометрического сооружения

Как известно, наиболее опасным режимом работы для гидрометрических сооружений является свободное истечение потока, при котором в нижнем бьефе образуется устойчивый донный режим сопряжения При некоторых глубинах нижнего бьефа, то есть при определенных значениях относительного затопления, образуется отогнанный донный режим сопряжения, который выходит далеко за пределы сооружения. Для устранения этого явления часто применяют два способа гашения избыточной энергии потока1 в нижнем бьефе канала либо устанавливается специальное энергогасящее устройство, либо увеличивается глубина в отводящем канале.

Для первой модели водослива было исследовано состояние нижнего бьефа при различных расходах Целью наших опытов было определить при каком значении относительного затопления со стороны нижнего бьефа образуется предельное положение гидравлического прыжка, то есть устанавливается минимально допустимая глубина в отводящем канале, при которой ликвидируется донный прыжок

Исходя из этого, мы определили допустимые и недопустимые положения гидравлического прыжка при различных глубинах, потока в нижнем бьефе лотка

Было выделено три характерных положения гидравлического прыжка (ПГП) допустимое (ДПГП), критическое (КШ11) и недопустимое положение гидравлического прыжка (HI 11II)

Исходя из исследованного было установлено, что при S < 0,2 сопряжение происходит с устойчивым донным прыжком При проектировании гидрометрических водосливов для каналов с земляным руслом без энергогасящих устройств необходимо выбирать такие режимы потока, которые при всех измеряемых расходах воды не допускают образования донного гидравлического прыжка

В нашем случае значение относительного затопления с предельным допустимым положением прыжка было равно S > 0,2 Таким образом, при проектировании гидрометрических водосливов, свободное истечение необходимо поддерживать при относительном затоплении в диапазоне S = 0,2 0,67 При меньшем значении последнего, необходимо выполнять крепление нижнего бьефа или проектировать в нижнем бьефе энергогасящее устройство

-20-ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании результатов проведенных теоретических и экспериментальных исследований можно сделать следующие основные выводы.

1. Проведенные экспериментальные модельные гидравлические лабораторные исследования пропускной способности водосливов практического профиля с треугольным симметричным поперечным сечением в условиях свободного и затопленного истечения позволили нам установить, что значения их коэффициента расхода при фиксированной ширине гребня порога определяются только величиной относительного напора Автором получены экспериментальные графические зависимости и формулы для определения коэффициентов расхода и скорости (формулы 7 .21) для различных вариантов конструктивного исполнения водослива, а также оговорены диапазоны применимости этих формул и графических зависимостей

2 Проведенный анализ полученных результатов исследований пропускной способности позволил установить, что среднее значение коэффициента расхода рассматриваемых водосливов в условиях свободного истечения равно Сс= 1,13 Сопоставление наших результатов с аналогичными результатами С А Сишадрк показало, что полученные им значения аналогичного параметра весьма близки к нашим данным.

3 На основании анализа результатов обработки опытных данных по изучению распределения местных скоростей со стороны верхнего бьефа рассматриваемого водослива с треугольным поперечным сечением получены сведения о значениях коэффициента Кориолиса в этой зоне, установлено, что его среднее значение равно а = 1,084

4 Изучение гидравлических условий работы рассматриваемых водосливов с треугольным поперечным сечением в условиях затопленного истечения позволило установить, что значение величины предельного относительного затопления равно 0,67, а величина коэффициента затопления может быть

определена по предложенной нами экспериментальной зависимости (формула 25)

5. Исследования вопросов гидравлики затопленного истечения жидкости через рассматриваемые водосливы позволили установить, что значение относительного затопления с предельно допустимым положением донного гидравлического прыжка составляет Б > 0,2 Установлены допустимые и недопустимые режимы сопряжения бьефов за водосливом без применения специальных энергогасящих устройств

6 Установлено, что при использовании рассмотренных водопропускных сооружений в качестве водосливов - водомеров необходимо поддерживать в их нижних бьефах режим свободного истечения при значениях относительного затопления, изменяющихся в диапазоне Б = 0,2 . 0,67

7 Результаты проведенных модельных гидравлических исследований позволили установить, что водосливы практического профиля с треугольным поперечным сечением могут быть использованы в качестве водосливов — водомеров и при затопленном режиме истечения в диапазоне изменения 0,67 < Б < 0,93. Превышение значений Б выше указанной величины ведет к тому, что такой водослив перестает осуществлять функции гидрометрического сооружения

Список публикаций по теме диссертации

1. Штеренлихт ДВ , Альдорадин Г. Л, Пропускная способность водосливов треугольного профиля с закругленным гребнем в открытых руслах и каналах // «Экологическая устойчивость природных систем и роль природообустройства в ее обеспечении». Сборник материалов Всероссийской научно-технической конференции (22-24 апреля 2003 г), МГУП.-М-2003.-е 113-114.

2 Альдорадин Г Л Затопленное истечение через водосливы треугольного поперечного профиля // «Проблемы научного обеспечения развития эколого-экономического потенциала России» Сборник научных трудов МГУП, - М : 2004.-с 164-165

3 Филиппов Е Г., Чавтараев Б А, Кушер А М, Альдорадин Г Л, Швагла СЮ Экспериментальные исследования водослива с треугольным порогом с закругленным гребнем // Математическая модель выбора типов гидрометрических сооружений и их основных параметров на мелиоративных системах ГПУ ВНИИГиМ, - М • 2003. - с 30-32

4 Альдорадин Г.Л. УДК.631.6 Исследования пропускной способности водосливов треугольного поперечного профиля с закругленным гребнем //«Мелиорация и Водное' хозяйство», №1, - М. 2007 - с 46-48.

поперечного профиля

А - резервуар; Б - приемный бак; В и Г -успокоительные баки; Д - мерный бак; Е -гидравлический лоток, Ж - лоток к мерным баком, 1 -регулирующей воронкой, 2,15 -уровнемеры, 3 - щпитценмасштаб, 4 -мерный треугольный водослив УЛ-10, 5

подводящий канал; 9 и 12 успокоительные колодцы, 6 - водослив с треугольным порогом; 7 - отводящий прямоугольный канал, 8 - сбросная труба, 10 и 25 - центробежные насосы, 13 - транспортные рельсы, 14 - трубка Ребока, 16, 17, 21 и 26 - трубы, 20 -задвижка; 23 - вход в расходомерный бак, 24 - регулирующий щитовой затвор

Рис 2 Схема экспериментальной установки в ВНИИГиМ им А Н Костякова

15 16

18

т

-"А

1-приемный бак, 2-насос; 3-резервуар; 4,6,7-трубы, 5-водослив, 8-мерный бак, 9 -мерный водослив, 10-шпитценмаспггаб; 11-задвижка; 12-успокоительный бак; 13-успокоительная решетка, 14-резиновое уплотнение, 15-водослив с треугольным порогом; 16-гидравлический лоток, 17-жалюзный затвор; 18-шпитценмасштаб, 19-прямок

Рис 3 Схема экспериментальной установки в МГУП

77

.Р=0'

р V» Г/Х> '/ Ь = <Шм

в)

Рис. 4 Схемы исследованных моделей водосливов практического профиля с треугольным поперечным сечением, а — водослив с закругленным гребнем ( модель № 1), б - водослив с закругленным гребнем (модель № 2); в — водослив с острым гребнем ( модель № 3)

Рис 5 Зависимость коэффициента расхода от относительного напора

Рис 6 Зависимость коэффициента расхода т0 от относительного напора

Рис.7 Зависимость коэффициента скорости от относительного напора

Рис 8. Зависимость коэффициента расхода от относительного напора

С„ 1,12

1,1

1,08

1,06

1,04

1,02

с V =0,0 ¡2 (Я/ Р)2 +0, 068 (Я /Р) + 0 991л

Л

• 1-ая модель ■ 2-ая модель * 3-ая модель

= о,< 1374(Я 'Р)2+ С ,077 (1 ПР) + ),989^ >

/л / у/к

') +0,997

Ус, = 0,09 1 (НИ )2+0,0 2 (Я/.

-

1

0,15 0,25 0,35 0,45 0,55 0,65 0,75 0,85 0,95 Н/Р

Рис 9 Изменение коэффициента скорости подхода в зависимости от относительного напора Н/Р

Сз

1

0,95 0,9 0,85 0,8 0,75 0,7

0,65

: *

\ ♦

С, = -4,£ 39Б2 + 6,24355 -1 0126 ► \

0,65

0,7

0,75

0,8

0,85

0,9

0,95 5=Д/Но

Рис 10 Изменение коэффициента затопления для модели водослива № 1 с закругленным гребнем

Московский государственный университет природообустройства (МГУП) Зак № Ч 53 Тираж ЮО

Условные обозначения.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ИССЛЕДОВАНИЙ

ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ ВОДОСЛИВОВ ПРАКТИЧЕС -КОГО ТРЕУГОЛЬНОГО ПОПЕРЕЧНОГО ПРОФИЛЯ.

1.1. Применение водосливов практического треугольного поперечного профиля в гидрометрической практике.

1.2. Рекомендации по определению коэффициента расхода.

1.3. Краткий обзор теоретических и экспериментальных работ по изучению водосливов практических профилей.

1.3.1. Водосливы с треугольным порогом с продольным

V - образным вырезом.

1.3.2. Треугольные пороги с закругленным гребнем прямоугольного поперечного сечения.

1.3.3. Водосливы с порогами обтекаемого продольного профиля прямоугольного поперечного сечения.

1.3.4. Мягкие наполняемые водосливы.

1.4. Выводы по главе.

ГЛАВА 2. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ И

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ОПЫТОВ.

2.1. Условия моделирования.

2.2. Описание экспериментальной установки.

2.2.1. Экспериментальная установка во

ВНИИГиМе.

2.2.2. Экспериментальная установка в МГУП.

2.3. Методика проведения исследований и приборы.

2.4 Планирование эксперимента.

-32.4.1. Комбинационный квадрат.

2.4.2. Оценка параметров распределения выборок.

2.4.3. Определение объема экспериментальных исследований.

2.5. Оценка точности и ошибка измерений, осуществляющихся в процессе проведения исследований.

2.5.1.Определение точности измерения расходов воды.

2.5.2.0пределение точности при измерении глубин потока.100 2.5.3.Определение точности измерения скоростей потока. 101 2.5.4.0шибки в определении коэффициента расхода треугольного водослива практического профиля.

2.5.5. Ошибка в определении числа Рейнольдса.

2.6.Выводы по главе.

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРИТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ ВОДОСЛИВОВ ПРАКТИЧЕС -КОГО ТРЕУГОЛЬНОГО ПОПЕРЕЧНОГО ПРОФИЛЯ ПРИ

СВОБОДНОМ ИСТЕЧЕНИИ.

3.1. Результаты экспериментальных исследований пропускной способности водосливов практического профиля с треугольным поперечным сечением.

3.2. Коэффициент расхода водосливов практического треугольного поперечного профиля по экспериментальным данным.

3.3. Коэффициент скорости незатопленного треугольного водослива по экспериментальным данным.

3.4. Изменение кривых свободной поверхности.

3.5. Определение коэффициента кинетической энергии а (коэффициент Кориолиса).

3.6. Статистическая обработка экспериментальных данных и вывод эмпирических зависимостей.

-43.6.1. Изучение коэффициента расхода m для моделей водосливов.

3.6.2. Изучение коэффициента расхода CD для моделей водосливов.

3.6.3. Построение кривых зависимостей для коэффициентов расхода m и CD.

3.6.4. Исследование коэффициента расхода то для моделей водослива.

3.6.5. Исследование связи коэффициента скорости Су для водосливов.

3.6.6. Исследование связи коэффициента скорости ф с изме -нениемН/Р.

3.6.7. Анализ гидравлических параметров третьей модели водослива.

3.7. Выводы по главе.

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ ТРЕУГОЛЬНОГО ВОДОСЛИВА ПРАКТИЧЕСКОГО ПРОФИЛЯ

ПРИ ПОДТОПЛЕННОМ ИСТЕЧЕНИИ.

4.1. Критерий подтопления водослива.

4.2. Результаты исследования треугольного водослива практического профиля при подтопленном истечении.

4.3. Исследование режимов сопряжения бьефов.

4.4. Статистическая обработка экспериментальных данных коэффициента затопления и вывод эмпирической зависимости Cs=f(S).

Актуальность работы. В Республике Перу к концу 2006 г. по данным Национального института статистики (INEI) численность населения составила 29,947 млн. чел., плотность населения составляет 22 жителя на км2. На протяжении многих лет перуанцы ведут работы по развитию орошения как составной части комплексного использования водных ресурсов, но темпы повышения производительности сельского хозяйства отстают от темпов роста населения. Прогноз показал, что к 2010 г. население страны достигнет 33 млн. чел. Для успешного увеличения объемов урожаев необходимо усилить темпы развития орошаемого земледелия.

Управлением водных ресурсов Перу, разработана программа последовательного развития отечественной гидроэнергетики, гидротехники, мелиорации, водоснабжения и других отраслей водного хозяйства. Прямым следствием этого является программа учета и рациональное распределение воды.

В целях более рационального использования водных ресурсов страны, необходимо усовершенствовать систему водоучёта, разработать концепцию дальнейшего использования существующих и вновь разрабатываемых методов и технических средств измерения воды. Организация такой сети обусловлена необходимостью внедрения учетно-коммерческого водоучёта, который позволит, во-первых, обеспечить новые экономические взаимоотношения с потребителями, во-вторых, установить непрерывный контроль за соблюдением норм и технических требований орошения сельскохозяйственных культур, что позволит повысить их урожайность и обеспечит более экономное использование водных ресурсов.

Для решения этих задач, помимо выполнения других мероприятий, в качестве одного из основных оборудований для измерения расходов воды в открытых каналах в качестве водомерных устройств, можно использовать водосливы, которые позволят обеспечить высокую точность измерений расходов воды. Стоимость последних составляет значительную часть от общей стоимости оросительных систем, создаваемых в Перу.

Изложенное определяет большое значение правильности прогноза величин расходов в каналах с помощью водосливов-водомеров, то есть получение корректных уравнений для определения пропускаемого через них расхода (коэффициентов расхода и скорости), а также формул для определения значений гидравлических характеристик потока в рамках диапазонов эффективной работы этих водосливов, а также предельных значений относительных затоплений и коэффициентов, позволяющих подсчитать расход при затопленном истечении через них жидкости.

Как правило, значение указанных параметров определяют экспериментально в лабораторных условиях или назначают по рекомендациям нормативных документов. В ряде случаев для этих целей используется метод «скорость - площадь».

Наряду с насчитывающими уже многие десятилетия гидравлическими исследованиями традиционных водосливов, значительный практический и научный интерес представляют и исследования пропускной способности некоторых водосливов нетрадиционных конструкций, которые в последнее время начали внедряться в практику в качестве водомерных сооружений, обеспечивающих достаточно высокую точность измерения расходов воды и надежно работающих как при свободном, так и при затопленном истечении.

К таким водосливам, в частности, относятся пороги, имеющие симметричную треугольную форму поперечного профиля с закругленным или острым гребнем. Эти водосливы обладают следующими преимуществами по сравнению с измерительными лотками или мерными водосливами других типов:

- они создают благоприятные условия для транзита наносов, так как закругленный гребень более устойчив к абразивному истиранию его наносами;

- водосливы практического профиля с треугольным поперечным сечением с закругленным гребнем имеют более широкий диапазон использования при затопленном истечении;

- аналогичные водосливы, но с острым гребнем обеспечивают незатопленный режим истечения воды через них с высоким значением коэффициента затопления, благодаря чему их особенно целесообразно применять выгодны на реках с малыми уклонами или в оросительных каналах;

- рассматриваемые водосливы обладают устойчивыми гидравлическими характеристиками в широком диапазоне изменения определяемых расходов;

- конструктивно такие водосливы весьма просты и, одновременно, обладают достаточной прочностью и устойчивостью. Для их возведения с успехом могут быть использованы местные строительные материалы.

Результаты проведенных ранее исследований треугольных водосливов с симметричным поперечным профилем тела оказались недостаточными для разработки практических рекомендаций по их практическому использованию. Учитывая, что указанный симметричных профиль водослива требует меньших затрат при строительстве по сравнению с несимметричным, нами были проведены исследования в гидравлических лабораториях Всероссийского научно-исследовательского института гидротехники и мелиорации им. А.Н. Костякова (ВННИГиМ) и Московского государственного университета природообустройства (МГУП) с использованием трёх модификаций моделей последнего.

Из изложенного выше вытекает необходимость проведения тщательных гидравлических и метрологических исследований водослива рассматриваемых конструкций с целью разработки методики определения пропускаемых через них расходов как в условиях свободного, так и затопленного режима истечения. При этом автору диссертации представлялось целесообразным охватить экспериментами те диапазоны параметров, определяющих процесс истечения, в рамках которых имеющиеся опытные данные противоречивы или отсутствуют.

Цель исследований. Определение значений основных гидравлических характеристик, а также разработка рекомендаций по гидравлическим расчетам и применению в водохозяйственной практике водосливов практического профиля с треугольным поперечным сечением, установленных в малых прямоугольных каналах при различных условиях и гидравлических режимах их эксплуатации.

Для достижения поставленной цели предполагалось решить следующие задачи:

- определить пропускную способность водосливов практического профиля с треугольным поперечным сечением при свободном и затопленном истечении жидкости через них; установить основные факторы, влияющие на характер истечения и пропускную способность изучаемых водосливов;

- выявить степень влияния определяющих параметров на характер изменения значений коэффициентов расхода и коэффициентов скорости рассматриваемых водосливов при свободном режиме истечения;

- получить экспериментальные зависимости для определения значений указанных коэффициентов в зависимости от определяющих течение параметров;

- исследовать закономерности распределения скоростей потока в мерном створе;

- найти значения критериев подтопления рассматриваемых водосливов и расчетные зависимости для определения значений коэффициентов затопления;

- установить диапазоны допустимых режимов сопряжения потока в нижнем бьефе сооружения при различных значениях относительных затоплений.

Научная новизна. На основании анализа полученных данных экспериментальных исследований треугольных водосливов практического профиля получены следующие новые научные результаты;

- разработаны аналитические формулы для определения пропускной способности рассматриваемых водосливов при свободном и затопленном истечении;

- установлены зависимости для определения коэффициентов расхода и коэффициентов скорости для рассматриваемых водосливов;

- предложены расчетные зависимости для определения коэффициента затопления в уравнении расхода при затопленном истечении;

- установлены критерии затопления водослива практического профиля с треугольным сечением;

- установлены границы допустимых режимов сопряжения потоков в нижнем бьефе сооружения при различных относительных затоплениях и составлены рекомендации по применению рассматриваемых водосливов гидрометрической практике при разных относительных затоплениях;

- определено среднее значение коэффициента кинетической энергии потока в мерном створе.

Практическая ценность. Полученные в работе результаты позволяют в более широком диапазоне определяющих течение параметров, рассчитать пропускную способность треугольных водосливов практического профиля в условиях свободного и затопленного истечения воды.

Рассматриваемые треугольные водосливы практического профиля и предлагаемые расчетные зависимости могут быть использованы при проектировании сооружений, обеспечивающих измерение расходов воды и позволяющих вести контроль за водопользованием на каналах массового использования мелиоративных и водохозяйственных систем.

Апробация работы. Основные положения проведенных исследований докладывались на заседаниях кафедры гидравлики и на ежегодных научных конференциях МГУП. По материалам исследований, выполненных в рамках диссертации, опубликовано четыре работы, в том числе одна - в издании рекомендованном ВАК РФ для публикации содержания диссертационных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы. Работа изложена на 160 страницах машинного текста, включая 74 рисунка, 5 фотографией и 56 таблиц, список литературы из 109 источников, в том числе 22 иностранных авторов.

4.2 Результаты исследования треугольного водослива практического профиля при подтопленном истечении

Как выше сказано, были проведены опыты с целью уточнения критерия подтопления и коэффициента подтопления. При этом учитывалось относительное затопление, определяемое по формуле (4.3).

Ниже приводится таблица осредненных опытных значений коэффициента подтопления для рассматриваемого водослива.

Значения коэффициента затопления Cs

S 0,667 0,7 0,73 0,75 0,8 0,85 0,9

Cs 1,0 0,9732 0,978 0,9633 0,854 0,78 0,6993

При затопленном истечении опытным путем нами было определено предельное относительное затопление по формуле (4.4), значение величины Snpea равно 0,67.

На рис. 4.3. приведен полученный нами график зависимости Cs=f (S) для первой модели водослива с закругленным гребнем. Рассмотрение этого графика показывает, что коэффициент подтопления меняется по мере изменения величины отношения Ннб/Но, то есть с его увеличением Cs убывает.

Как показали результаты наших исследований треугольные водосливы практического профиля можно применять для определения расхода и при затопленном истечении потока. Для этого следует использовать уравнение (4.7), а коэффициент подтопления Cs, входящий в него, определять по уравнению (4.5) или (4.6).

На основании результатов наших опытных данных была получена экспериментальная зависимость для определения коэффициента подтопления, имеющая вид

Cs= - 4,839S2+ 6,2435S-1,0126 (4.9)

Формула (4.9) может применяться только в пределах 0,67<S<0,93, при превышении которого, водослив перестает осуществлять функции гидрометрического сооружения.

Для сопоставления результатов наших опытных данных с данными других авторов приведен график на рис. 4.4. Как видно из графика нами полученная кривая ап располагается между стандартными кривыми для водосливов с тонкой стенкой и водосливов с широким порогом.

Cs 1

0,95 0,9 0,85 0,8

0,75

У = 0,7

0,65

0,6

0,65 0,7 0,75 0,8 0,85 0,9 0,95

S= Низ /Но ♦ ♦

4,8399 S2 + 6,2 435S- 1,0126 \ < i

Рис. 4.3. Изменение коэффициента затопления для первой модели водослива

Значение граничных подтоплений занимает промежуточное положение между граничными значениями относительного подтопления для водослива с широким порогом и трапецеидальным водосливом практического профиля, а также с водосливом с тонкой стенкой. Поэтому зависимость для коэффициента подтопления от определяющих течение параметров должна иметь общие черты и с соответствующими зависимостями для водослива с тонкой стенкой и трапецеидального водослива практического профиля.

Рис.4.4. Зависимость стп= f (Л/Н0)

Водосливы:

1-е тонкой стенкой;

2- по данным автора;

3-е широким порогом.

4.3. Исследование режимов сопряжения бьефов

При использовании гидрометрических сооружений на оросительных системах в нижних бьефах сооружений могут устанавливаться различные глубины в зависимости от режимов эксплуатации каналов.

Как известно, наиболее опасным режимом работы для гидрометрических водосливов является свободное истечение потока, при котором в нижнем бьефе образуется устойчивый донный режим сопряжения. Вообще, при любом свободном истечении, сопряжение бьефов осуществляется по типу донных гидравлических прыжков. При некоторых глубинах нижнего бьефа, то есть при определенных значениях относительного затопления, образуются отогнанные донные прыжки, которые выходят далеко за пределы сооружения.

Для устранения этого явления часто применяются два способа гашения избыточной энергии потока: в нижнем бьефе канала либо устанавливается специальное энергогасящее устройство, либо увеличивается глубина в отводящем канале [36,40,45].

Было исследовано состояние нижнего бьефа первой модели водослива с закругленным гребнем, высотой порога Р = 8 см; г = 4 см; Шв = 2,0; Шн = 2,0. Целью наших опытов было определить при каком значении относительного затопления со стороны нижнего бьефа образуется предельное (критическое) положение гидравлического прыжка, то есть устанавливается минимально допустимая глубина в отводящем канале, при которой ликвидируется донный прыжок.

Исходя из этого, мы определили допустимые и недопустимые положения гидравлического прыжка при различных глубинах потока в нижнем бьефе лотка.

Было выделено три характерных положения гидравлического прыжка: 1.Допустимое положение гидравлического прыжка (ДПГП), при котором образовался поверхностный гидравлический прыжок, то есть транзитная струя располагалась на поверхности или вблизи неё. Наибольшие осредненные скорости по вертикали при этом приближены к поверхности. В этом случае нет необходимости в дополнительном гашении энергии или облицовки участка отводящего канала.

2. Предельное (критическое) положение гидравлического прыжка (КШ11), при котором начало прыжка находилось на расстоянии 5,3 см от конца водослива, а гидравлический прыжок распространялся в нижнем бьефе сооружения. При этом положение прыжка, использование гидрометрического водослива в земляном канале без дополнительных энергогасящих устройств и крепления нижнего бьефа не допустимо. В таком положении прыжок находился при малых значениях относительных затоплениях со стороны нижнего бьефа(8=0,2).Этот режим можно кратковременно допустить при облицованном участке канала.

3. Недопустимое положение гидравлического прыжка (Hi И11), при котором начало прыжка находилось ближе к концу водослива и образовался донный гидравлический прыжок, который устойчиво примыкал к дну канала, следовательно, распределение осредненных скоростей по вертикали такое, что наибольшие скорости располагались вблизи дна. При этом обязательна проектировать в нижнем бьефе энергогасящее устройство.

Исходя из исследованного было установлено, что при S < 0,2 сопряжение происходило с устойчивым донным гидравлическим прыжком. При проектировании гидрометрических водосливов для каналов с земляным руслом без энергогасящих устройств необходимо выбирать такие режимы потока, которые при всех измеряемых расходов воды не допускают образования донного гидравлического прыжка.

В нашем случае значение относительного затопления с предельным допустимым положением гидравлического прыжка было равно S > 0,2 . Таким образом, при проектировании гидрометрических водосливов, свободное истечение необходимо поддерживать при относительном затоплении в диапазоне 8=0,2.0,67.При меньшем значении последнего, необходимо выполнять крепле ние нижнего бьефа или проектировать в нижнем бьефе энергогасящее устройство.

4.4. Статистическая обработка экспериментальных данных коэффициента затопления и вывод эмпирической зависимости Cs=f(S)

Исследования проводились для первой модели водослива. График опытных точек приведен выше на рис. 4.2.

По методу наименьших квадратов исследуемая зависимость достаточно точно аппроксимируется полиномом 2-ой степени (формула 4.9), статистическая оценка полученных коэффициентов регрессионного уравнения приведена в таблице 4.2.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании широкого анализа литературных данных и непосредственно выполненных экспериментальных исследований можно сделать следующие основные выводы:

1. Проведенные экспериментальные модельные гидравлические лабораторные исследования пропускной способности водосливов практического профиля с треугольным симметричным поперечным сечением в условиях свободного и затопленного истечения позволили нам установить, что значения их коэффициента расхода при фиксированной ширине гребня порога определяются только величиной относительного напора. Автором получены экспериментальные графические зависимости и формулы для определения коэффициентов расхода и скорости для различных вариантов конструктивного исполнения водослива, а также оговорены диапазоны применимости этих формул и графических зависимостей.

2. Проведенный анализ полученных результатов исследований пропускной способности позволил установить, что среднее значение коэффициента расхода рассматриваемых водосливов в условиях свободного истечения равно Cd= 1,13. Сопоставление наших результатов с аналогичными результатами С.А.Сишадри показало, что полученные им значения аналогичного параметра весьма близки к нашим данным.

3. На основании анализа результатов обработки опытных данных по изучению распределения местных скоростей со стороны верхнего бьефа рассматриваемого водослива с треугольным поперечным сечением получены сведения о значениях коэффициента Кориолиса в этой зоне, установлено, что его среднее значение равно а = 1,084.

4. Проведенные расчеты оценка точности коэффициента расхода, а значит пропускной способности водослива практического профиля с треугольным поперечным сечением и достоверность полученных результатов показали погрешность в пределах ± 3,3%.

-1535. Изучение гидравлических условий работы рассматриваемых водосливов с треугольным поперечным сечением в условиях затопленного истечения позволило установить, что значение величины предельного относительного затопления равно 0,67, а величина коэффициента затопления может быть определена по предложенной нами экспериментальной зависимости (формула 4.9).

6. Исследования вопросов гидравлики затопленного истечения жидкости через рассматриваемые водосливы позволили установить, что значение относительного затопления с предельно допустимым положением донного гидравлического прыжка составляет S > 0,2. Установлены допустимые и недопустимые режимы сопряжения бьефов за водосливом без применения специальных энергогасящих устройств.

7. Установлено, что при использовании рассмотренных водопропускных сооружений в качестве водосливов - водомеров необходимо поддерживать в их нижних бьефах режим свободного истечения при значениях относительного затопления, изменяющихся в диапазоне S = 0,2.0,67.

8. Результаты проведенных модельных гидравлических исследований позволили установить, что водосливы практического профиля с треугольным поперечным сечением могут быть использованы в качестве водосливов - водомеров и при затопленном режиме истечения в диапазоне изменения 0,67 < S < 0,93. Превышение значений S выше указанной величины ведет к тому, что такой водослив перестает осуществлять функции гидрометрического сооружения.

-154

1. Абдилов С.А. Вопросы гидравлики распластанных водосливных плотин. Дисс. на соискание ученой степени канд. техн. наук. М., 1961. - 202 с.

2. Аверкиев А.Г. Новый метод гидравлических модельных исследований. Изв. ВНИИГ им. Веденеева. -JI.: Энергия, 1952. 31 с.

3. Агроскин И.И., Дмитриев Г.Т., Пикалов Ф.И. Гидравлика. Под общей редакцией проф. И.И. Агроскина, 4-е изд. M.-JI., Энергия, 1964. 352 с.

4. Айдамиров Д.С., Филиппов Е.Г., Чавтарев Б.А. Переоснащение оросительных систем в Дагестане новыми средствами водоучета // Мелиорация и водное хозяйство. -1993. № 1.

5. Айнабеков А.А., Шинибаев Б.Д. Исследования водомерных лотков с критической глубиной. / Редкол. Журн. «Вестник АН КазССР». М. -1983. - 15 с.

6. Алтунин B.C., Белавцева Т.М. Приборы и устройства в гидромелиорации. Справочник. -М.: Агропромиздат, 1989.

7. Альтшуль А. Водомерные лотки с критической глубиной // Водоснабжение и санитарная техника. -1959. № 8.

8. Астров А.И. Гидравлика. М.: Студенческое издательское общество при Императорском Московском Техническом Училище, 1911 - 438 с.

9. Ашур Амар. Пропускная способность водосливов практического профиля полигонального очертания при свободном и подтопленном истечении. Дисс. на соискание ученой степени канд. технг. наук. М., 1993. - 176 с.

10. Багров М.Н., Кружилин И.П. Оросительные системы и их эксплуатация. М.: Колос, 1982.

11. Бахметьев Б.А. Гидравлика открытых русел / Пер. с англ., под ред. Проф. Е.Е. Близняка. М.: Гострансиздат, 1934. - 248 с.

12. Белавцева Т.М., Алтунин B.C. Современное состояние и перспективы развития средств водоучета // Гидротехническое строительство. -1995. № 10.

13. Березинский А.Р., Затворницкий О.Г. Водонаполняемые затворы из мягких синтетических материалов. Ж. «Строительство гидроэлектростанций», № 12,1968.

14. Бирюков Б.В., Данилов М.А., Кивилис С.С. Точные измерения расхода жидкости. М.: Машиностраение, 1977. -144 с.

15. Богомолов А.И., Михайлов К.А. Гидравлика. М.: Стройиздат, 1972. - 648 с.-15516. Большаков В.А., Петраш А.Д. Рекомендации по выбору величины коэффициентов расхода водосливов практического профиля. Гидротехническое строительство. 1967, № 11, с. 38-40,

16. Бондаренко B.J1. Исследования мягких плотин мембранного типа. Автореферат дисс. канд. техн. наук. - Новочеркасск, 1974. - 26 с.

17. Бондаренко B.JL, Сергеев Б.И. Пропускная способность мягких мембранных водосливов.- Труды НИМИ, т. ХУ, вып. 6. Новочеркасск, 1974.

18. Бочкарев Я.В. Эксплуатационная гидрометрия и автоматизация оросительных систем. -М.: Агропромиздат, 1987.

19. Бракени Абдеррезак. Пропускная способность треугольного водослива практического профиля. Дисс. на соискание ученой степени канд. техн. наук. М., 1996. - 186 с.

20. Бутырин М.В. и др. Водомерные устройства для гидромелиоративных систем. М.: Колос, 1982.

21. Вали Умару Гарба. Разработка методов определения пропускной способности геометрических параболических лотков в малых трапецеидальных каналах. Дисс. на соискание ученой степени канд. техн. наук. М., 2002. -182 с.

22. Водоучет на мелиоративных системах и сооружениях. Научно-технический обзор // ГУ ЦНТИ «Мелиоводинформ». -М., 2001.

23. Гибсон В. Гидравлика и её приложения. M.-JL: Госэнергоиздат, 1934. - 610 с.

24. Гидрологические приборы и гидрометрические сооружения / Под ред. Г.С. Клейна и И.Г. Шумакова. JL: Гидрометеоиздат, 1982.

25. Гидравлические расчеты водосбросных гидротехнических сооружений: Справочное пособие. М.: Энергоиздат, 1988. - 624 с.

26. Гидротехнические сооружения. Справочник проектировщика /Под ред. Недриги В.П . -М.: Стройиздат, 1983. 543 с.

27. Грановский В .А., Сирая Т.Н. Методы обработки экспериментах данных при измерениях.- Д.: ЛО Энергоатомиздат, 1990. 288 с.

28. Гмурман В.Н. Теория вероятностей и математическая статистика. М.: Высшая школа, 1972.

29. Годин А.М. Статистика. М,: Издательско - торговая компания «Дашков и К0», 2003.

30. Железняков Г.В. Гидрология и гидрометрия. М.: Высшая школа, 1981. - 264 с.

31. Железняков Г.В., Неговская Т.А., Овчаров Е.Е. Гидрология, гидрометрия и регулирование стока. М.: Колос, 1984. 205 с.

32. Зайдель А.Н. Погрешность измерения физических величин. Л.: "Наука", 1985. -112 с.-15634. Зегжда А.П. Теория подобия и методика расчета гидротехнических моделей. JI. - М.: Госстройиздат, 1938. -164 с.

33. Карасев И.Ф., Шумков И.Г. Гидрометрия. Л.: Гидрометеоиздат, 1985.

34. Карасев И.Ф., Васильев А.В., Субботина Е.С. Гидрометрия. Л.: Гидрометеоиздат, 1991.

35. Кашарина Т.П. Мягкие гидросооружения на малых реках и каналах. М.: «Мелиорация и водное хозяйство», 1997.

36. Кейух Мохтар. Совершенствование методов экспериментального и расчетного определения гидравлических характеристик водосливов практического профиля. Дисс. на соискание ученой степени канд. техн. наук. М., 1997. - 218 с.

37. Кехтохян Г.Д. Пропускная способность напорных донных водосбросов и сопряжение бтефов при свободном растекании. Дисс. на соискание ученой степени канд. техн. наук. -М., 1987. -219 с.

38. Киселев Л.В. Справочник по гидравлическим расчетам. М.: Госэнергоиздат, 1961.

39. Киселев П.Г. Гидравлика. Основы механики жидкости. Учебное пособие для ВУЗов. -М.: Энергия, 1980.-360 с.

40. Кох А., Карстаньен М. Основы практической гидродинамики. Перевод с немецкого, редакция и примечания Палкуева Я.А. М.-Л.: ОНТИ, 1933. - 194 с.

41. Кудин С.Н. Гидротехнические сооружения. К.: Буддвельник, 1972. - 208 с.

42. Леви Н.И. Моделирование гидравлических явлений. -М .-Л.: Госэнергоиздат, 1960. -235 с.

43. Лучшева А.А. Практическая гидрометрия. Л.: Гидрометеоиздат, 1983. - 381 с.

44. Лятхер В.М., Прудовский A.M. Гидравлическое моделирование. М.: Энергоатомиздат, 1984.-392 с.

45. Маккавеев В.М., Коновалов И.М. Гидравлика. Л.-М.: Речиздат, 1940. - 643 с.

46. Мелиорация и водное хозяйство. Орошение. Справочник. / Под ред. Б.Б. Шумакова. -М.: Колос, 1999.

47. Мидлтон М.Р. Анализ статистических данных с использованием Microsoft Excel для Office ХР. М.: БИНОМ,2005.

48. Минько А.А. Статистический анализ в MS EXCEL. М.: Издательский дом «Вильяме»,2004.

49. Мостков М.А. Гидравлический справочник. М.: Госстройиздат, 1954. - 532 с.

50. Назаров А.П. Исследование мягких наполняемых водосливов из синтетических материалов. Автореферат дисс. канд. техн. наук. - Новочеркасск, 1974. - 22 с.

51. Назаров А.П. Экспериментальные исследования пропускной способности мягких водосливов. Труды НИМИ, т. ХШ, вып. 1. - Новочеркасск, 1973. - с. 223-226.

52. Натальчук М.Ф., Ольгаренко В.И., Сурин В.А. Эксплуатация гидромелиоративных систем. -М.: Колос, 1995.

53. Новицкий П.В., Зограф И.Л. Оценка погрешности результатов измерений. JL: Энергоатомиздаат, 1985.-248 с.

54. Павловский Н.Н. Гидравлический справочник. JI.-M.: ОНТИ, 1937. - с. 390-398.

55. Петров И.А. Применение наполняемых конструкций их синтетических материалов в гидротехническом строительстве. Автореферат дисс. канд. техн. наук. - Новочеркасск, 1972.-26 с.

56. Поллард Дж. Справочник по вычислительным методам статистики. М.: Финансы и статистика,1985.

57. Пикалов Ф.И. О водосливе распластанного типа с гребнем криволинейного очертания. Журн. «Гидротехника и мелиорация», 1954, № 3.

58. Правила измерения расхода жидкости при помощи стандартных водосливов и лотков: РДП 99-77. М.: Изд-во стандартов, 1977. - 51 с.

59. Рассказов JI.H., Орехов В.Г., Правдивец Ю.П. и др. гидротехнические сооружения. В 2-х ч. Ч. 1. Под ред. JI.H. Рассказова. -М.: Стройиздат, 1996.-435 с.

60. Рекомендации по гидравлическому расчету водосливов. Ч. 1. Прямые водосливы: П. 18 -74. / ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева. Л.: Энергия, 1974. - 58 с.

61. Розанов Н.П., Румянцев И.С., Корюкин С.Н. и др. Особенности проектирования и строительства гидротехнических сооружений в условиях жаркого климата. Под ред. Н.П. Розанова. М.: Колос, 1993. - 303 с (с. 191-193).

62. Розанов Н.П. Вопросы проектирования водопропускных сооружений, работающих в условиях вакуума и при больших скоростях потока. М. - Л.: Госэнергоиздат, 1959. -208 с.

63. Сергеев Б.И. Мягкие плотины и возможности их использования при регулировании местного стока. Автореферат дисс. канд. техн. наук. Новочеркасск, 1968.

64. Сергеев Б.И., Степанов П.М., Шумаков Б.Б. Мягкие конструкции в гидротехническом строительстве.-М.: Колос, 1984.

65. Слисский С.М. Гидравлические расчеты высоконапорных гидротехнических сооружений. М.: Энергоиздат, 1986. - 303 с.

66. Смыслов В.В. Теория водослива с широким порогом. Киев: АН УССР, 1956. -184 с.

67. Справочник по мелиорации и гидротехнике / Под ред. П.И. Абол, А.Н. Костяков, А.Я. Милович, Б.А. Михзайлов и др.- ВНИИГиМ, т.1. М.-Л.: Государственное изд-во колхозной и совхозной литературы, 1934. - с. 284-298.

68. Справочник по гидравлике / Под ред. В.А. Большакова. Киев: Высшая школа, 1984. -343 с.

69. Справочник по гидравлическим расчетам / Под ред. П.Г. Киселева. М.: Энергия, 1974. -312с.

70. Справочник по прикладной статистике. Т2./ Под ред. Э. Лойда., У. Ледермана. М.: Финансы и статистика, 1985.

71. Средства водоучета и их метрологическое обслуживание. Учебное пособие // ЦБНТИ Госконцерна «Водострой». М., 1991.

72. Средства и методы водоучета в мелиорации и водном хозяйстве. Информационно-патентный обзор / ЦНТИ «Меливодинформ». М., 1994.

73. Сухомел Г.И. Неравномерное движение жидкости в открытых руслах и гидротехнических сооружениях. М.-Л.: Госэнергоиздпт, 1949. - 144 с.

74. Филиппов Е.Г. Классификация гидрометрических сооружений // Сборник научных трудов ВНИИГиМ. Методы и средства автоматизации научных исследований в гидротехнике и мелиорации. М.: 1981, - с. 3-10.

75. Филиппов Е.Г. Гидравлика гидрометрических сооружений для открытых потоков. Л.: Гидрометеоиздат, 1990.

76. Форхгеймер Ф. Гидравлика / Пер. с немецкого, ред. Доц. А.А. Черкасова. М.-Л.: ОНТИ Энергетической литературы, 1935. 615 с.

77. Франциус О. Гидротехнические сооружения / Руководство для инженеров и техников. Том 1. Под ред. Проф. Н.М. Герсеванова. М.: «МАРКИЗ», 1929. - 443 с.

78. Хамадов И.Б., Бутырин М.В. Эксплуатационная гидрометрия в ирригации. М.: Колос, 1975.

79. Хартман К., Лекций Э., Шефер и др. Планирование эксперимента в исследовании технологических процессов. М.: Мир, 1977. - 552 с.

80. Шефе Г. Дисперсионный анализ. М.: Наука, 1980.

81. Штеренлихт Д.В. Гидравлика. Учебник для ВУЗов. Кн.2. -М.: Энергоатомиздат, 1991. - Кн.2.

82. Шушпанов И.А. Простейшие средства водоучета на мелиоративных системах // Проблемы мелиорации в условиях рыночной экономики. Саратов, 1999.

83. Щедрин В.Н. Исследование мягких затворов-регуляторов гидравлического действия. -Автореферат дисс. канд. техн. наук. Мю, 1977.

84. Чугаев P.P. Гидравлика (техническая механика жидкости) 3-е изд. Л.: Энергия, 1975. -600 с.

85. Чугаев P.P. Гидравлика. Л.: Энергоиздат, 1982. - 672 с.-15988. Ackers P., White W.R., Perkins T.A., Harrison A.J. Weirs and flumes for flow measurement. -Chichester New York - Brisbane - Toronto, John Wiley and Sons, 1978.

86. BakhmetefF B.A. Test of broad-crested Weirs: Discussion // PASCE. 1931. - Vol. 57, N 2. -p. 339-349.

87. Basin H. Experiences novellas sure I'ecoulement par diversions, Paris, 1898.

88. Bos M.G. Long-throated flumes and broad-crested weirs. Martinus Nijhoff / Dr. W. Junk Publishers, Dordrecht, The Nether lands, 1985. 142 p.

89. Crump E.S. A new method of gauging stream with little afflux by means of submerged weir of triangular profile // Proc Inst. Civil Engrs (PICE), N 1, March, 1952. p. 223 - 242.

90. D.Thoma, Mitteilungen des hydraulic Institutes des Techno. Hochschule Miinchen, Heft 2, 1928, s. 1.

91. Discharge measurement structures / Editor: Bos M.G. // International Institute for Land Reclamation and Improvement (ILRI). Second addition. -1978.

92. F. Bundschu, Angewandte Hydraulik, Berlin, 1929, s. 15.

93. Harrison A.J. M. The streamlined broad-crested weir // Proc. Inst. Civil Engrs. (PICE). -December 1967. Vol. 38. - p. 657 - 678.

94. Horton R.E. Weir experiments, coefficients and formats. Water Supply, U.S. Geological Surrey, Paper 200,1907.

95. ISO 3846 "Liquid flow measurement in open channels by weirs and flumes Free overfill weirs of finite crest width (rectangular broad-crested weirs). - Geneva, ISO, 1977.

96. ISO 1438/1 "Water flow measurement in open channels using weirs and flumes Part I: Thin-plate weirs". - Geneva, ISO, 1980.

97. ISO 4374 "Liquid flow measurement in open channels Flat-V weirs". - Geneva, ISO, 1982.

98. ISO 4360 "Liquid flow measurement in open channels Triangular profile weirs (first revision)". - Geneva, ISO, 1984.

99. ISO 8368 "Liquid flow measurement in open channels. Guidelines for the selection of flow gauging structures". Geneva, ISO, 1985.

100. ISO/DIS 4362 "Liquid flow measurement in open channels Trapezoidal profile weirs (prepared by India)". - Geneva, ISO, 1988.104.1SO/DIS "Trapezoidal profile weirs in trapezoidal channels" (prepared by USSR). Geneva, ISO, 1988.

101. ISO/TC 113/SC 2 N 369. Standardization of the "Neyrpic" weir (prepared by France). New Delhi, Seer. ISO/NC 113, 1985.

102. ISO/TC 113/SC 2 N 315. Note on hydrofoil weirs (prepared by India). New Delhi, Seer. ISO/NC 113,1986.

103. Lakshmana Rao N.S. and Jagannadha Rao M.V. Characteristics of hydrofoil weirs // J. of the Hydraulics Division, PASCT. N 9541. - February, 1973. - p. 259 -281.

104. Ramakrishnan C.R. Flow characteristics of rectangular and trapezoidal finite crest width weirs and triangular profile weirs: Ph. D. / Thesis submitted to the Indian Institute of Science. -April, 1979.

105. Seshadri S.A. Flow characteristics of hydrofoil weirs, hydrofoil topped weirs and streamlined triangular profile weirs: Ph. D. / Thesis submitted to the Indian Institute of Science. -1981.