автореферат диссертации по строительству, 05.23.16, диссертация на тему:Разработка методов определения пропускной способности гидрометрических параболических лотков в малых трапецеидальных каналах

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1.АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩЕЙ ЛИТЕРАТУРЫ ПО ГИДРОМЕТРИЧЕСКИМ ЛОТКАМ.

1.1 Общие принципы.

1.1.1 основные принципы разработок гидрометрических лотков \ о

1.1.2 классификация гидрометрических лотков.

1.1.3 принцип работы гидрометрических лотков.

1.2 Анализ существующих типов и конструкций гидрометрических лотки.

1.2.1 лотки Вентури

1.2.1.1 прямоугольные лотки типа Вентури.

1.2.1.2 трапецеидальные лотки Вентури.

1.2.1.3 лотки Вентури-Кафаги.

1.2.2 лотки Паршалла.

1.2.3 лотки критической глубины.

1.2.3.1 прямоугольные лотки критической глубины.

1.2.3.2 трапецеидальные лотки критической глубины.

1.2.3.3 полукруглые (U-образные) лотки критической глубины.

1.2.3.4 параболические лотки критической глубины.

1.2.3.5 комбинированные лотки критической глубины.

1.2.3.6 Лотки длинных горловин (или лотки нормальных длин).

1.2.4 лотки сокращенной горловиной.

1.2.4.1 прямоугольные лотки с сокращенной горловиной.

1.2.4.2 трапецеидальные лотки с сокращенной горловиной и выходной секцией.

1.2.4.3 трапецеидальные и трапецеидально-треугольные лотки с сокращенной горловиной.

1.2.5 прямоугольные лотки САНИИРИ.

1.2.6 трапецеидально-треугольные лотки.

1.2.7 лотки специальных назначений.

1.2.7.1 Н-образные лотки (H-flumes)

1.2.7.2 Лотки Палмер-Бовлес

1.2.7.3 Специальные лотки для пропуска осадков.

1.2.8 методика определения расхода жидкости гидрометрическими лотками.

Общая характеристика работы

Актуальность: В Федеративной Республики Нигерии к концу 2001г. численность населения превысила 127 миллионов человек, плотность населения составила 117 жителей/км2 [145, 152, 1156]. В Нигерии темпы повышения производительности сельского хозяйства отстают от увеличения населения. При этом рост производства продовольствия равен приблизительно только 2,5% в год, в то время как население увеличивается более, чем на 3,2% в год. Прогноз показал, что в 2025г. население в стране достигнет 205 миллионов человек. Для успешного увеличения объемов урожаев необходимо увеличить орошаемое сельское хозяйство.

Управлением водных ресурсов Нигерии, в перспективе запланировано орошение 185 тыс. га, из которых 32 тыс. га уже орошаются. Общая площадь земель, которая может быть орошаема, составляет 356 тыс. га, из них первоочередные 185 тыс. га. Кроме того, в Нигерии планируется оросить дополнительно 146 тыс. га пойменных земель [152].

Водные ресурсы страны весьма ограничены и требуют экономного распределения, стимулирования сокращения забираемой из источников воды и повторного её использования. С целью рационального использования водных ресурсов Федеративной Республики Нигерии для осуществления выше указанных проектов необходимо организовать пункты водоучета на всех внутрихозяйственных оросительных сетях. Эти задачи могут быть решены только путем совершенствования системы водоучёта, разработкой и принятием правильной технической концепции дальнейшего использования существующих и вновь разрабатываемых методов и технических средств измерения расходов 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 поливов сельскохозяйственных культур, что позволит повысить урожайность на 20% и получить экономию воды на 15-20% от общего объема водозабора.

Для решения этих задач, помимо выполнения других мероприятий, необходимо организовать на существующих внутрихозяйственных оросительных сетях пункты водоучета для измерения расходов воды до 0,5 м3/с, т.е. для мелких каналов. В качестве основного оборудования для измерения расходов воды в открытых каналах возможно использовать «фиксированные русла» и водосливы с тонкой стенкой, а в качестве измерительных приборов - игольчатые или крючковые рейки и гидрометрические микровертушки.

Определение расходов воды на гидропостах типа «фиксированных русел», как известно, требует больших затрат ручного труда, т.к. в данном случае используется метод «скорость - площадь» с измерением локальных осреднен-ных скоростей с помощью гидрометрических вертушек [20, 21, 27]. Если целесообразность применения такого типа гидропостов для открытых русел и каналов с большими расходами воды можно экономически и технически обосновать, то для измерения расходов воды менее 0,5 м3/с такой способ измерений экономически не эффективен.

Для таких расходов используются водосливы с тонкой стенкой, которые обеспечивают высокую точность измерений расходов воды только при наличии специальных успокоительных емкостей и требуют пропуска чистой воды без взвешенных наносов и плавающего мусора.

Указанные возможные решения не нашли широкого применения для водохозяйственной сети из-за технической неперспективности предлагаемых методов измерений и существующих технических средств.

Для оснащения малых каналов внутрихозяйственной открытой оросительной сети целесообразно использовать параболические гидрометрические лотки, которые можно изготавливать из различных материалов, в том числе из пластмасс.

Однако для применения таких типов лотков необходимо проведение тщательных гидравлических и метрологических исследований с целью разработки методики определения расхода (уравнения расхода, формулы для гидравлических характеристик потока, режимы и диапазоны эффективной работы лотков, предельные значения относительных затоплений для обеспечения свободного истечения жидкости, условия работы лотков при затопленном истечении жидкости).

Цель работы - создание конструкции, определение основных гидравлических характеристик, разработка рекомендаций по гидравлическим расчетам и применению гидрометрических параболических лотков, установленных в малых трапецеидальных каналах.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• разработать конструкцию гидрометрических параболических лотков;

• определить пропускную способность гидрометрических параболических лотков при свободном и затопленном истечениях;

• исследовать распределение скоростей потока в измерительном сечении;

• провести анализ кривых свободной поверхности потока по длине лотка и в подводящем и отводящем каналах;

• установить допустимые режимы сопряжения потока в нижнем бьефе сооружения при различных относительных затоплениях.

Научная новизна. На основании анализа экспериментальных исследований гидрометрических параболических лотков получены следующие результаты:

• разработаны аналитические формулы для определения пропускной способности гидрометрических параболических лотков при свободном и затопленном истечении; 9

• установлены зависимости для определения коэффициента расхода и коэффициента скорости подхода для рассматриваемых лотков;

• даны расчетные зависимости для определения коэффициента затопления в уравнении расхода при затопленном истечении;

• даны рекомендации по применению рассматриваемых гидрометрических лотков при разных относительных затоплениях;

• получены зависимости для расчета кривых свободных поверхностей при свободном истечении во входной секции и первой половине горловины для рассмотренных лотков;

• определено среднее значение коэффициента кинетической энергии потока в измерительном сечении.

Практическая ценность Рекомендуемые гидрометрические параболические лотки и предлагаемые расчетные зависимости могут быть использованы при проектировании сооружений, обеспечивающих измерение расходов и контроль за водопользованием на небольших оросительных и водохозяйственных каналах массового использования.

Апробация работы. Основные положения проведенных исследований докладывались на заседаниях кафедры гидравлики и на научных конференциях Московского государственного университета природообустройства, опубликовано пять работ (4 в соавторстве) [16, 17, 18, 100, 101].

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка использованной литературы, насчитывающего 159 источников, в том числе 35 иностранных, 11 страниц интернета, и приложений. Работа изложена на 183 страницах машинописного текста, содержит 46 таблиц и 45 рисунка.

Заключение

На основании анализа результатов наших исследований можно сделать следующие выводы:

1. Разработана конструкция параболического гидрометрического лотка критического глубины для организации учетно-коммерческого и технологического водоучета на гидромелиоративных системах. Разработанную конструкцию рекомендуется использовать в трапецеидальных каналах внутрихозяйственной сети с диапазоном измеряемых расходов от 0,00215 до 0,5 м3/с. Они обеспечивают свободный пропуск транспортируемых донных и взвешенных наносов и плавающего мусора, не требуют больших подпоров воды в верхнем бьефе сооружений, сохраняют заданную точность измерений в большом диапазоне изменения расходов и при значительных затоплениях со стороны нижнего бьефа сооружений, т.е. могут использоваться при подпорно-переменном режиме работы нижнего бьефа сооружений. Их можно изготавливать в заводских условиях или в натуре из различных материалов, в том числе из легких пластмасс.

2. Определена пропускная способность разработанных гидрометрических лотков и их основные гидравлические характеристики. Выведены уравнения расхода при свободном и затопленном истечении потока, а также установлены зависимости для определения коэффициентов расхода, скорости подхода и затопления, входящих в уравнениях расхода. Расчетные значения пропускной способности гидрометрических параболических лотков соответствуют средним экспериментальным при свободном и затопленном истечениях.

3. Исследовано распределение скорости потока в измерительном сечении и установлено среднее значение коэффициента Кориолиса в данном сечении а = 1.07.

4. На основе кривых свободных поверхностей установлен диапазон применения параболических гидрометрических лотков при различных относительных затоплениях со стороны нижнего бьефе.

5. Установлены допустимые режимы сопряжения потока в нижнем бьефе сооружения при малых относительных затоплениях со стороны нижнего бьефа без применения специальных энергогосящих. Даны рекомендации по применению исследованных гидрометрических лотков.

162

1. Агроскин И. И., Дмитриев Г. Т., Пикалов И.Ф. Гидравлика. М.: Гос-энергоиздат, 1964. -352 с.

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

3. Альтшуль А. Д. Гидравлические сопротивления. М., Недра, 1982.

4. Альтшуль А. Д., Киселов П.Г. Гидравлика и аэродинамика. М.:5. Стройиздат, 1975.

5. Аристовский В. В. Гидрометрические сооружения и конструкции. Гид-рометеоиздат, 1949.

6. Ашур Амар. Пропускная способность водосливов практического профиля полигонального очертания при свободном и подтопленном истечении. Дисс.канд.техн. наук, М,: МГМИ, 1993.

7. Бахметьев Б. А. Гидравлика. Л.: КУБУЧ, 1932.-260 с.

8. Бахметьев Б. А. Гидравлика открытых русел. -М.: Гострансиздат,. 1934. -248 с.

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

10. Богомолов А. И., Михайлов К.А. Гидравлика. Изд. 2-е, перераб. И доп. М.: Стройиздат, 1972. -648 с.

11. Большакова В. В., Иванов А. Н. Сборник задач по гидрометрии, инженерной гидрологии и регулированию стока. Учеб. пособие для строительных вузов. М., «Высш. Школа», 1975.

12. Бочкарев Я. В. Эксплуатационная гидрометрия и автоматизация оросительных систем. -М.: Агропромиздат, 1987, -175 е.: ил.

13. Бракени Абдуразак. Пропускная способность треугольного водослива практического профиля. Дис. Кан. Теки. Наук. 05.23.16. М 1996-189 с.

14. Бронштейн И. Н., Семендяев К. А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. :-М.: Наука. 1998. 608 с.

15. Вали У. Г., Филиппов Е. Г. Затопленное истечение потока через гидрометрические параболические лотки в трапецеидальном каналах. Там же. -с. 83-84.

16. Вали У. Г. Экспериментальные исследование режимов сопряжения бьефов гидрометрических параболических лотков. Там же. -с.82-83.

17. Веденяпин Г. В. Общая методика экспериментального исследования и обработки опытных данных. М.: Колос 1973. 199 с.

18. Водомерные сооружения на мелиоративных системах. Типовые проектные решения. 820-1-054.84/ Укргипроводхоз, -Киевский филиал ЦИТП, 1986. Альбом 2.21