автореферат диссертации по строительству, 05.23.16, диссертация на тему:Совершенствование конструкций регулирующих сооружений на оросительных каналах с применением гидродинамического саморегулирования

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ '<■1 ГИДРОМЕЛИОРАТИВНЫЙ ИНСТИТУТ •

На правах руиопнсм

ДУСНИ САНАА ИБРАГИМ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ РЕГУЛИРУЮЩИХ СООРУЖЕНИЙ НА ОРОСИТЕЛЬНЫХ КАНАЛАХ С ПРИМЕНЕНИЕМ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО САМОРЕГУЛИРОВАНИЯ

05.23.16 - Гидравлика и инженерная гидрология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук ,

МОСКВА 1993 г.

Работа вшоошвни на кафздра "Комплексное иаполаовжЕзе вод-met реоуроов" UooKOBCKoro орден« Трудового Красного Зшшвнв гидромелиоративного кнотигуте.

Научны» руйсэодитвля - каадядат твхнжчвоки наук,

доцент Беглярова 8.0.,

- каажядят mmtena парс, отарвшЯ научный оотрудквк

Лиоенко П.Е.

i •

Официальные оппоненты - доктор твгтпеохих в»ух,

', профеооор ЕвжпввскнИ К.П..

*

- кандидат технических наук,

о.н.о. Воронин В.В.

Ведущая организация - П/0 Соввнтврвод.

Задета ооотоятоя *,?■£) » „декабря 1993 г. в ' чаосо ва евседанип Специализированного Совета К 120.16.01 в Московской ордена Трудового Красного Знамени гидромелиоративном институте по адраоу» 127550, Москва, уя. Прянкнникова, 19.

С днооертациеа иохяо ездакешатьоя в ваучпоЯ вкОхяотакв Иоо-ковохого гидромелиоративного ннотитута.

Автореферат рааоолан " ' * z' ' 1993 года.

учеша секретарь '

Специализированного Совета, К 120.16.01

кандидат технических наук, доцент С.Е. Кувыав

V I

ОЩМ XAPAlCTEPHOTIja РАБОТЫ

Актуальность работы. . Опыт океплуатации оущоотвуюцих иолиоратишшх снотеи в Сирш покавал, что па многих иэ них или вообще отеутотвуют гидротехнические сооружения, предназначенные для управления водными ресурсами. или имеющиеся конструкции (механические преобразователи плп датчики) технически , несовершенны и не обладают достаточной етрэтивпоотью управления.

В наотоящае вреыя во штошх странах имеется достаточно бо-льзоо таоло рагнообразшх автоматических устройств и систем, от-лстещахея друг а друга физической природой, принципом действия и гсшетруютвнши ревешмя, яо они требуют строительства елои-шлплорогос?О.яез!Х п окспулуатацнп комплэксов.

Ö отпх уоаопшц рдпям из осяовша вопросов совершенствова-екя зжнетругадай .еросотолыпп систем я способов управления водпы-росуресш! ггЕОДорзслрадалсипл является оснащение систеи сред-етата пэдйпмотоисоП ептшзкас! на базэ использования возобновляемой" шорптз воля.

Пхкмапешю атого тзхдлческого ревеши для совершенствования . зешетрукщт вэдсщзвцреяли есоруаепий пршендтелыю к вышензло-■.psmnju-yoJíOESimi' а кесяэдовшгаэ■ гадраавпчеоюи явлений в водовн-пуска-рбгулятора 'лвяяотся £1йтуалшс53 проблемой. •'."

Поль «' япяггоя яемлояо»йтст?1. •'•''•••, %

Ь щтш ^ ^ни mi

■ Цели работ« ззиачзлаоь о разработке, конструтяш и иетодов рзспэтоого сбокюаастя водеагпуекз о гидродшшиичеоюш регулированием íco сгоссйу, pS3pü0CT£!iix0!íy d 1503-1991 гг. во ВНШГиМе и Ш1Л U.E. 'Лцоегйо а Н.В. Стцзэдсяозай). иэ поропадаг каналов оро-.сптсяьпей еэта кз сспсзашш результатов кемплекешз; ыодэлышх

; Для ■ дретагецая номочишоЗ . целя била ■ поставлены и рекеш олвдуитзэ основшг задачи: .'

• - е:£сперй!ентплыюэ' обосхюваниэ BosuccoiocTii использования содсвшусз'л-регулятора о гядрадешешгеоскм саморегулированием в праютяй гидротехнического строительства; .

- нсслздовшшо гидравлических п тадроданаыичаских характеристик, потока п водовцпуекэ-рэгуляторэ н определение его. пропускной способности при различит pesaäiax работы;

- выяснение влияния неравномерности распределения окоросте® в узле слияния и по трассе водовода, теоретическое и экспериментальное определение коэффициента Кориолиоа;'

- разработка методов гидравлического расчете предложенное конструкции водовыпуока-регулятора;

- разработка рекомендаций по проектированию водовыпуока-регулятора о использованием гидродинамического оаморегулирова-ния.

Научная новизна.

- результаты теоретических исследования, позволяющие научно обосновать конструкцию водовыпуока-регулятора о применением щи-нципе гидравлического саморегулирования г

- результаты экспериментального изучения закономерюотей распределения скоростей в узле слияния я на концевом участке водовыпуока-регулятора и значений коэффициента Корислиоа для предложенных конструкций;

- результаты качественной оценки влияния конструктивных параметров на пропускную способность водовыпуока-регулятора;

Для практического применения предложены:

- экспериментальные графики по определению относительного коэффициента расхода, коэффициентов местных сопротивлений и коэффициента сжатия, позволяющие определять границы раадела между транзитным и управляющим потоками;

- рекомендации в виде номограш для определения диапазона регулирования предельных значений сливающихся раоходов;

- схемы компоновочных решений водовыпуока-регулятора для. целей совершенствования работы оросительной системы.

Практическая значимость работы.

Результаты экспериментальных испытаний моделей, выполненные конструктивные разработки и расчеты позволяют обосновать возможность использования водовыпуска-регулятора, работающего по принципу "гидродинамического саморегулирования", на оросительных системах Сирийской Арабской Республики. Полученные материалы предполагается внедрить в практику проектирования-мелиоративных гидротехнических сооружений РФ и САР.

' Апробация работы.

Результаты исследований и основные положения диссертецш докладывались на научно-технической конференции Московского гидромелиоративного института (ЮШ) в апреле 1993 г., на заседали-

ях кафедр Гидравлики н Комплексного использования водных реоур-оов. По теме диооертации опубликована одна статья.

Объем работа.

Диооертационная работа оостоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы, насчитывающего 101 ншшеноваше, ха них 9 иностранных и 3 приложений. Работа изложена на 199 страницах машинописного текота, содержит 77 риоунков, а фотографий и 13 таблиц.

содержание работу

Во введении отмечена актуальность доследования, связанных .о изучением принципов работы водопропускных сооружений о так ' называемым "гидродинамическим саморегулированием". в связи о важностью для народного хозяйства развиваицихоя стран задач, стоящих перед гидротехническое наукой и практикой в условиях интенсификации производства и ускорения научно-технического прогроооа

В первой главе дисоертещш приводятся основные .результаты анализа существующего опыта применения, эксплуатации и исследований различных оредотв автоматизации водовыпускных сооружений низконапорных гидроузлов.

Во вступительной чаотн текота главы излагается сведения о. гидротехничэоких оообенноотях проектирования и строительства мелиоративных объектов в условиях Сирия.

Далее отмечается вклад ученых в изучение в развитие авторегуляторов и струйных гидроавтоматов, применяемых в гидротехническая практике; и создании теоретических основ их расчете. В частности, здесь отмечаются работы П.И. : Коваленко, Я.В. Бочкарева,. А.Н. Коотякова, U.B. Бутырина, Э.9. Иаковского, Э.Тейлора, И.й. Бойца, Н.Э. Факторовцча, П.Е. Лысенко п др. -

Анализ работ по еуцеотвущди вадошпусюшы оооруванняи позволяет щшйти в оледуотш вивадаш

1. В настоящее вре»я автоцатячеем» регулятор еща во вша широкого применения в гадротехшчесюЕ ооорувзвшх.

2. Иыевдаеоя гвдраалдчеекиа рагуляуоры ЕЙзовьэувт в ваадсгг ве регулирующие органов ша Сародаточаа устрсйого, с ofisoзноа, механические чаоти, обшшэ кокорах часто срсводзт к yaEOssicsaa вксплуатащш и сокращешт оретса елуЕЗиеаор^нйЯ.*

3- Разработав гвдрашвдосйого регулятора.ш usnopseas есдэ-.внпуокнои сооругешш, Ешшьвувцеа оф*свг- cszrni пота» (гидродинамическое оаыорагулярсаеотэ) продавшим Сош-аЗ пргьтгшсс-кий Ентерао и руздастся а далытг&аа passnsg«;

Ооновные пршщшЕаюЕш «ребезааая к tssiu рггудяторги опо-дуюдаш» они не доjism шешчать (едз r/wrai .ввшгать цдиада) цз-гйничаеккх узлов о ÄeTMaa. npeyoiiÄeisa D врсцэсеэ рзгуирсааллл и не должны родервап (j»wm>o, .'йгашй;'

нов. передающих линий п т.п.),; Еаэывавдо. еляайпьга отказа a pi-

боте.

В связи о эгаы в настоящей диссертационной работе отавится задача проведения теоретического в екпериментального исследования регулятора о использованием эффекта гидродинамического саморегулирования для закрытых водопропускных сооружений, где физически только и могут быть реализованы вое регулирующие факторы, соотввлявдие оущеотво-опособа.

В соответствии о потребностями водного хозйства САР основное внимание уделено регулирования по низшему бьефу.

Вторая глава поовященэ разработке теоретических основ, принципа дейотвия и конструкции водовшусков о гидродинамическим саморегулированием, использующие основные принципы гидропневмо-автоматикл: соударение двух потоков; отклонение одного,"ысшиюго" потока другим, "маломощным"; повышение давле1шя при внезапном расширении потока.

При строительство гидродинамически саморегулируюцнхоя сно-теи необходимо иметь сооружения, пропускная способность которых монет изменяться в достаточно широких пределах как функция изменения расходов в бьефах без вмепательства мехшшчеоких регулирующих органов.

Для отого би5ш рассмотрены схемы закрытых водопропускных сооружений, когда ип1п= а0-

В наиболее общем случае, вычисляя расход 0 о приведением всех ковф{ящиентов к площади сечения ^ге1п, получим:

Уп / ЭеН ' "__(1)

/ [ umln v . f umln ]3, , ,f °min I1

/■««в luZTj 5 I"J + E*w HT-J

bui ' \x I u . i ^ых

где !I - действующий напор; a - коэффициент Кориолиса в выходном сечешш; Е ^ " " Е ^ I ("Г2-]3 ~ сУ""" ковфЦиг

циентов сопротивлетШ по участкам L^ и-приведенные к b)mjn.

В типичном простейшем ьодоггропускном сооружении постоянного сечения UQ о эатоплетшм ьиходом, получаем:

ы /*2йН

Qa =----° ! (2)

/агlux + S L е + Е Ь ?

вх bux

где, обычно «^д 1,05. ..1,08, а £ { - 0,2...0,5, * ооответотвен-

но, Qa » (0,9...0,8) /2gfl\

Если же заменить на участке L^^ трубу постоянного сечения плавным расширением (диффузором), у которого коеффщиент сопротивления, приведенный х входному (меньшему) ое^ению ровон ■ 0,1...0,15 для диффузоре,о расширением 6е...10°, влгучвм:

ir • /адГ

где «ВЫ1 « 1,1...1,3 - коэффициент Кориолиоа на выходе из диффузора; w f « (0,2...0,5) степень расширения диффузора по •

О ВЫ1

площади. .

Тогда Q0 - (1,5... 1.2) «0 • /2gfl , то воть в полтора - дм разе больше, чей в первом случае. Формула (3) яоно показывает. Ото уменьшение или увеличение пропускной способности сооружения ó изменением гоеметричеоких .характеристик выходной чаога происходит за счет уменЬсения выходных потерь - в первую очередь аа очет потерь внергин, "выбрасываемое* из выходного сечения н . раооеивапцейся далее в объем воды нижнего бьефе.

Следует сказать, что такие технические решения хороао известны и детально исследованы в смежной области - гидромааинах.

В сооружениях оросительных систем при отклонении режиме от ре счетного должен автоматически возникнуть "управляющий" расход • вода, устойчиво движущийся о одного из бьефов и воздействующий' на "управляемы^" транзитный расход. Непременным условием для етого должно быть наличие в сооружении некоторого участка (сечения), давление в котором всегда существенно меньше, чей давле-.ние, опрделяеыое уровнем любого бьефа.

Рассматривая взаимодействие двух потоков в соответствии о гидравлической схемой (рис. 1), когда при возрастании уровней нижнего бьефа сверх заданной отметки вследствие превышения пода-ьаеыого в канал потребляемого расхода предусматривается поступление воды с нижнего бьефа в сжатое сечение водовыпуска.

При подаче управляющего расхода (qy# 0), когда сиотеыа ра-батает, как регулятор, ковффициент расхода регулятора может быть определен по формуле: .

РисД» Расчетная схема к опрш/елвнию гидравлических потерь при слиянии двух потоков

и /20 7° 30- ЗООш

Рис. 2. Конструкция модели водсшпуска-регуллтора:

I - напорная труба; 2 - входной оголовок; 3 - ди^узор; 4 - напорная стенка; 5 - узел слияния; 6 - управляющее отверстие; ? - кромка управляющего водослива

Я,--7=71 (4)

где От значения раохода при регулировании; «с - поперечная площадь оечения) Н( - девствующий напор при регулировании. Еыесте с теш

• Л, - 1 * (5)

'евх+ч«по + «н><**1)8

С учетом вышеизложенного, уравнение раохода при регулировании, можно записать в следующем виде!

_вт /2#Г_

Азх + <«по + Vй + т)* + М^гИ1 <

I (6)

где л - относительный регулирующий реоход, * ■ / О . Значение относительного коеффициёнта раохода р « (¡0 онстемк, который отражает снижение регулирующего параметра 6Т по мере увеличения управляющего расхода ц , определяется из уравнения!

и О /И-- .

+ » «>.'

И0 *Т О I

где й0 ~ коеффщиент расхода системы при отсутствии управляющего' расхода, .

М0 в } (в)

/«»+ V

0ТО~ значения расхода водовыпуска без регулирован^; Н0 - действующий напор при отсутствии регулирования.

После подстановок, сокращений и преобразований формула для относительного коэффициента расхода примет вид:

--■ 1 " - : .(9)

✓ »о ^по 5вх (п +/1)а -I V;-. ,

где £В1, 5no, - безразмерные коэффициенты местного сопротивления. \

Конструкции входных оголовков труб оказывают значительное влияние ва потери напора при входа потока в сооружение:

Уменьшение втих потерь, позволит увеличить пропускную способность водовыпуска и увеличить первоначальный ков№щиент расхода регулятора JJQ.

На основе вышесказанного предлагается принять входной учао-ток с пряншн образующими, который офоршен в виде усеченной пирамиды. Коэффициент с опротивеете такой конструкции равен » 0,11, кроме того, по условию производства работ подобииД оголовок проще, чем оголовок о кргволлнейнши-открылкаш.

Для перехода от иенЬшего сечения трубы к большему (преобразования гашотическоЯ внерпиц потока в внергию давления) о шши-иальншш потерял! давления устанавливается плавно расширяющийся участок - диффузор.

' Потерн на диффузорнсй части систош: 5^Q^(1+n)a/'2gQj.

Сопрот1тлет1е диффузора зависит от целого ряда ' различных • U .

факторов: Г(Пв, М, а, п = —й- и др.).

В случае.установки диффузора в конце трубы (канала) при условии выхода потока в свободное пространство. Искомую зависи-иостьдля ковйыциента сопротивления низового участка в олучае, когда осуществляется подвод ухгравлякцего* расхода в узкое сечение диффузора, составив уравнение Бернулли' доя сечений I-I, II-II, uosno продставить в виде: .

"(В) ' (V Ч>.)*

где AhBÖCCT - перепад восстановления в диффузор, ит - поперечная площадь входного сечения диффузора.

Оемопное условие гидродинамического саморегулирования - наличие слияния транаигного и управляющего потоков. Снижение коэффициента ряоюдя система (ои. ф. 9) будет происходить за счет роста, двух величин 5егг и пропорционально росту отношения сливающихся расходов.

Величина коый^'щшт'я местного сопротивления транзитного

поток» на проход будет оцениваться разницей давлений в сечении до места подвода управляющего потока я после него, отнесенной х скоростному напору после слияния:

о2(1+«)"

Ьп.о,"

п.о. 2й . „а

1к>т<ч<и не прямой проход транзитного расходе.

Значение ко»МиЦиентов местного сопротивления на прямой и боковой проход можно принимать по формулам В.Н. Талиева для вы-тияных тройников о углами соединения потоков'« * 90° я по формулам П.Н. Каменева для углов а > 90°.

Коэффициенты Кориолиса для сливамциюя потоков в предыдущих .исследованиях были мало изучены я принимались равными единице.

Вопрос распределения скороотей в узле слияния, обусловлен практической необходимостью и имеет больное значение при проектировании. Для выявления действующих факторов ва величину А« " - «от- «Су {разноотей значений коэффициентов Кориолиса для сечений, через которые проходят соответственно транзитный и управляющий расходы) било составлено уравнение Бернулли для сечений 0-0 и 1-1 (рис.1).

Коэффициенты кинетической енергия для увла соединения потоков в сечении перед входом в диффузор можно получить из следующих зависимостей!

«_„- ~— [З V /0 А ЬайЧ + Гц А *'&<*] ! (11) М воу су оу

аст" Г3 * ТЫ А + V 4 ^Ч} (12>

1 ОТ "с» *

_ ст • .

где V - средний скорость сушариого потока.

Уравнение (9) для определения относительного коеффщиента расхода с учетом*Аа можно записать как: *

' . 1

В" ' 1 (13)

Л

1 + 5П0(1 + «Г*■ Я [(* + 2)?н+ П + ■»>]

«н 4 *вх

Сравнение значений ц, определенных по зависимости без учете

/

распределения скоростей со значениями Ц определенными по формуле распределения скоростей, показало, что в среднем учет распреде-

леяия скоростей снижает значение fi' на 5...7Л, т.е. увеличение

разницы скороотей транзитного и управляыцего потоков и их встречный подвод увеличат возможности и диапазоны регулироъышя.

< 5 третьей .главе обосновывается н сгвшгоя ■задача организации эксперимента о привлечением ивтодоа иывиатичеокого планирования и излагается принятая методика проведения лаборатории! исследований.

Был использован метод критериального планирования эксперимента, заключающийся в синтезе методов теории подобия и планиро-. вания эксперимента.

Модель .водовыпуска-регулятора предстьадяэт собой трубу из _ органического отекла квадратного сечения I размером 60x60 ш, толщиной отенок 10 ш (рио. 2). '

Входной оголовок 2 выполнен в виде усеченной пирамиды с отношением площади выхода к площади*входа равным 0,5 и длиной 60 им. Основные ьлементы водовыпуска-регулятора: узел слияния и концевая чаоть в виде диффузора 3.

На расстоянии 210 мм от входа (что соотавляет 3 высоты во-.довода) выполнено прямоугольное отверстие 6 разиером 70x80 ми. На переднюю кромку отверотия опускается (в зависимости от конструкции подвода )• угАлок о вертикальной стенкой шириной 60 ми и горизонтальной полкой размером 60x50 мм, предотавлищий собой склеенные полоски органического стекла под углвшн 90°, 120° и 135° к оси сооружения. Уголок неподвижно крепится к полоске на верхнем напорном листе 5.

'На расстоянии 50 mvi от задней кромки отверстия делалось входное сечение диффузора. Диффузор выполнен прямоугольным и плоским, о углом расширения в плане 6ви подвижной верхней стенкой, о помощью которой.изменяется угол расширения в вертикальной плоскости - 0° и 5°. Длина диффузора соотавляет 300 мм. Длина переходного участка плавного расширения 7 после диффузора (а плане 6) 300 мм, который сопрягается с лотком о помощью двух обратных стенок по 35 мм каждая. Общая длина водовыпуска-регуля-тора от входного конфузора до выходного сочетая диффузора 685 мм.

Дно отводящего канала совпадает с дном трубы и поднят над дном лотка но 60 мм. Уплотнения всех швов были осуществлены мастикой и гермспастой. Модель имеет уклон -1 = 0.

В-процессе проведения оксперимеиталышх исследований изые-

рялись расходы, скорости, уровни, температуры воды н снимались границы раздела между транзитным а управляющим потоками в узле слияния и диффузоре, выполнялись зарисовки картин течения, осуществлялось фотографирование наблюдаемых явлений.

Величина ■транзитного расхода измерялась трапецеидальным водосливом-водомером о острым ребром, о коэффициентом расхода

Величина управляющего расхода измерялась о помощью прямоугольного водослива о острым ребром. Водослив устроен не кршке диффузора, у шодаого сечения (отметка кромка равна 15,25 см). Коэффициент расхода для водослива получился равным п^д ■ 0,41. Измерение скоростей течения не модели боуцеогвлялоя трубкой Пито.

Осреднение цветные скорооти -измерялись в каждом сште в 3-4 створах. Створы располагались в узле олняния потоков, во входном сечении диффузора, в середине диффузора и в выходном сечении диффузора. В каждом отворе вертикали располагались через 1...1.5 см. Меньшие расстояния между вертикалям пггатар.чаоь в зоне сжатого сечения трубопровода. По вертикали скорооти измерялись в пяти и восьми, точках. Глубине воды в лотке измерялась штюценмаештабом. ■ ' » ■

В рамках главы выполнена оценка точности измерений параметров рассматриваемых гидравлических явлений. При . этой было установлено, что предельные относительные овщбкн измерений били следующими: расход г 0.64...3.75& глубин - 0,13...0,45£г окорос-тей - 0,76...4,7*.

В начальной чаоти главы сфориулирована цель исследований п поставлены основные их задачи, освеаошшо наш в рамках общей характеристики работы. ■ . .

Эксшршентальша гвдравлзческае исследования проводалпсь в диапазоне чисел Рейнольдса 50000...120000. Крптеряальноо уравна-ние не содержало числа' Фрудо, поетсолъку исследовалось течений жидкости в напорной водовода, когда объемные оаш тягеота отсутствуют. Кроме того, прй установившейся декшзш выпадает .и критерий Струхаля. Работа модели находилась в. автоиодольдой sena квадратичной области, сопротивления, следовательно, получешшо опытные данные могут бить перенесены на натурное сооружение пра масштабе моделирования 1:12, который диктовался равенством коэффициента гидравлического трения натурного и модельного соорутие-

ннй Х'ш 1 щн изготовлении и из Сетоне и органического отекла

a M

соответственно.

При проведении полного факторного эксперимента, состоящего из 950 опытов, на определенных уровнях фиксировались переменные факторы (в0, и^ц и 1°), напор же на сооружении H принимал дискретное значение в области своего существования (от до обусловленных безотрывным протеканием потока в диффузоре и образованием водоворотной воронки перед входом в транзитную трубу водовыпуска.

5 четвертой главе диосетрации определялась гтропуокная спо-ообнооть водовыпуска-регулятора о гидродинамическим саморегулированием, который работал в двух режимах:

1 - в режиме водовыпуска niai отсутствии подачи управляющего раоюда (qy- 0)j

2 - в.режиме регулятора при подаче о нижнеого бьефа расхода . qy в отверстие управления.

В соответствии о задачами исследований опыты проводились на моделях водовыпуска-регулятора, концевой участок которого выполнялся диффузором двух конструкций! п » 2,25 и п ■ 1,5.

По результатам обработки данных можно принять коэффициент раоюда водовыпуска без регулирования равным 0,61 по выходному сечению и 1,37 по сжатому для диффузора о п = 2,25 и 0,78 и 1,20 для диффузора со степенью расширения п - 1,5.

Экспериментально коэффициент сопротивления на вход щи данной конструкции оголовка (в виде усеченной пирамида) получился равный ÇBI= 0,13, который находится в пределах рекомендуемых ко-

оффицпентов сопротивлений Е = 0,1...0,20. Опытные значения ко-

вх

еффэдиента сопротивления диффузоров 5<гпряы= 0,185; = 0,13. Сравнение опытных данных по водовыпуску с расчетным показывает, • что к0оф£пцпенты сопротивления для данных конструкций находятся в пределах близких к.минимальным..

По данным измерений скоростей в поперечной сечении были построены изотахл. ' ■

Анализ ошггаых данных без регулирования при 0 показал, что эпюра месива осредаэнных скоростей в отворах 0-0 и I-I 'близка к равномерной, прп втсм значения максимальных скоростей по глубине- пЬтока находятся в центре сечения водовода, а скорость непосредственно на стенках близка к нулю.

В соответствии с этим, профили скоростей, в первых сечения*.

ничпльного участка, имеют ядро постоянных скоростей. Поетоыу, можно сделать вывод о той, что пряная вставка перед диффузором создает на входа ъ наго симметричный профиль скоростей с максимальным в центре и пониженными скоростями у стенок ({мо.За).

В связи с пераходой от меньшего сечения трубы к большему (преобразования кинетической оперши потока в енергшо давления) средняя скорость потока падает; епюра окороотей в пыходной сечении диффузора (II-II) менее равномерна} чем в начальном участке, но ядро постоянных скоростей-еще сохраняется см. рио.(Зб).

Полученные результаты о приведены в таблице (1).

Ствощ_0-0_I - I ' II - II

Прямоугольный диффузор 1,01 1,10 1,15 (п- 2,25). 5°

Плоский диффузор 1,01 1,07 1,09 (п > 1,5), «у 0°

При регулировании опиты проводились как о плоским, так в о прямоугольшш диффузорами с углами подвода управляющего потока а равными 90°. 120° и 135°.

В процессе исследовании транзитный расход поддерживался постоянным 0 оопз1 , а значения управляющего раохода ч и дейст-

я У

вуацего напора Н изменялись от минимального до максимального значений (Н , » 0,02 м. Н ■ О,14 и) И (ч , - 0,00025 и?о,

с/в 1 п ' '

ч = 0,001 Ыэ/о).

уплк

Проведенные опыты показали, что практически, в зоне транзитного потока по всей глубине - скорости постоянные, в в зоне уп-ривлямцего потока скорости существенно изменяются от максимального значения, равного скорости транзитного потока 1,2ы/о

до минимального значения, равного примерно /» 0,4 м/о. Это подтверждает правомерность применения теории "истечения из насадка" для транзитного потока ((I = 1,0 ; «-= 1 ; О) и установлении значений <*су и введенное в расчетные формулы (13), значительно отличающихся от единицы.

Нообкодимо отметить, что выравнивание опюри скоростей пс вертикали для потоков с расходами и 0Т в скатом сечении не

происходит (в ьиду чего ^ ~ е ■ ) при етом иу а 2 Ч^

Створ 1-1

Стпор 2-2

г * з г I о / г' я' „' ¡>

а д

Рис. 3 а,б. Кяртина распределения скоростей без регулирования

г I о I

г

• в г

Рис. 3 в,г. Картина распределения скоростей при регулировании

■ Из експвриментов следует, что управляющий поток иожао рассматривать как своеобразный наоадок, который сжимает транзитный поток и формирует вгаору его скоростей практически в прямоугольную (рис. 3 в).

В целой для всего сечения оказалось, что о увеличением по-дочи управляющего раоюде разница между коэффициентами кинетической энергии управляющего расхода «0у и транзитного расюдо «ст уменьшается.

На рщс.(0) представлены графики изменения величин

« • вя

¿а —01---£Х.

1 - £

%

а сливающихся расходов ю • - ■ при различных углах подвода

т

управляющего расхода 90°, 120е и 135°.' *

Как видим, величина Да » х(ш) рао. (б) изменяется по степенному закону, к в сечениях на выходе из диффузора (рис. 3 г.), ядро максимальных скоростей смещается, в шшшо треть по шоо-та выходного сечения. .

Для вычисления коэффициента местного сопротивления на прямой проход транзитного потока используется показатель удельной внергаи потока (по методике А.А.Учинчуса).

На (рио.4) приведены значения коэффициентов сопротивления на прямой проход в зависимости от величины сливающихся расходов

для рассматриваемых конструкций концевого участка и углов пбдво-

> ' и

да 90°, 120° и 135е при различных соотношениях иот (0,6 {

т

0,8 ; 1,0 } 1,15) и различит степенях расширения диффузора (1,5 и 2,"25). . ■ ...

Кривая с построенная по результатам опытных данных лежит выше теоретических по данным /Левина й Каменева/. Это о&ьясняет- . ся тем, что в опытах давление после узла слияния измерялось намного ближе, чем необходимая длина участка стабилизации. Место отбора давления после местного сопротивления должно быть отнесено вниз по течению на расстояние 10...15 диаметров трубопровода, т.е. как минимум на 60 си.

На модели также была исследована динамика коэффициента Для втого вычислялись значения коэффициента Кориолиса по замеренным эпюрам скоростей при различных соотношениях и (рис.5).

Результаты показывают, что вычисленный по сжатому сечению

Я* €*-<яро<трм

/гу /Л А/ Г (лме*ии Зкф

'ВОЗ

о/ег

а<з

а эо

И*

Рио. 5, Зависимость сопротивлений низового участка и диффузора от величины сливающихся расходов

Ц

/в 14 /2 10 «I

06

|/

/ г

/ к

т

/

гУт*

при п*г.1*

чЛ-

• - ^ . О-Х

<*>г 1-Гг

при п - / . (плоский ^ >

• - '.о

С&Г

в/

о. г

л?»

• Рио. 4. Зависимость коэффициента сопротивления на прямой _ проход трапзитнсго потока от поличины сливавших.'я расходов

коэффициент (н слабо изменяется о роотои подачи упрввляпцего расхода ( 1 5 j), поетоиу в теоретических расчетах допустимо использование f = 5 = oonst про вычислении динамики и'. Если

С/ и ( Л J

очитвть f„ по выходному сечению, то зависимость плавно воз рас-

Л

таат до о » 0,2...О,25 и затем стабилизируется. ,

Анализировать динамику изменения коэффициента расхода удобно о поиощью относительного коеффициента расхода:

< Mt и - -JT

По полученным опытным данным были построены зависимости от-

<

носательного кооффициента расхода ц от величины сливавдихся расходов /l'« I (-¿У-) для различных соотношений площадей отверотия 4 т

и различных углов подвода. Изучая влияние угла подвода т/, соот-v

ношения площадей и угла расширения диффузора в по огруппи-

т ■ / .

рованним г-рафикам относительного коэффициента раохода (J (рис.б и

7) следует отметить, что наиболее аффективными для регулирования

ц

"дт

оказались отношения площадей отверотия -¡г—- в 0,8... 1,15 при

т

всех углах подвода и конструкции концевого учаотка. Угол подвода (угол наклона направляющей стенки) при регулировании явно влияет на пропускную способность системы (рис. 7 ). взаимодействие усиливается (и величина ц уменьшается) по мере увеличения угла у. Наибольшее снижение транзитного раохода достигается при угле подвода t =» 135°, оно составляет 35% в случае, когда регулятор имеет на концевом участке прямоугольный диффузор, а при плоском

диффузоре наиболее аффективное регулирование достигается при 1 ■

и ,

= 135°, -тг1- = 1,15 и снижает fi на 27$ (рио. 7). Полученные

экспериментальные зависимости достаточно хорошо локатоя в расчетный диапазон значений fj определенный по формуле (13) регулятора со следующими параметрами!

- степень расширения диффузора 2,25;

- отношение площади управляющего отверстия к площади транзитного водовода 1,0 и 1,15;

- угол наклона направляющей стенки 135? но исходя из производственных условий строительство направляющей стенки сложно, поэтому можно рекомендовать углы 90° и 120?

В процессе исследования регулятора важное место отводилось изучению картины слияния транзитного и управляющего расходов по

Рис. 6. Относительный коэ^ициент расхода регулятора при различных ллошадах отверстии

(

Рис. 7. Относительный коэффициент расхода регулятора пра различных углах подвода

длине водоводе; определению граничной дшош потока, ее максимальное удаление от верхней стенка водовода; смещение потоков в диффузоре.

Наряду о необходимыми замерами скоростей в различных сечениях для расчетных режимов периодически проводилась фотосъемка характерных ситуаций и зарисовка схем потока, для чего использовались различные красители.

Характерной особенностью течения является наличие турбулентной зоны перемешивания потоков в самом диффузоре в то время как в узле слияния граница раздела прослеживалась довольно четко.

В связи о втим, кооффнциент сжатия транзитного потока управляющим, определялся в крайней точке узла слияния перед диффузором по соотношению:

----Ь - . {14)

Ъ

где Ъ - высота трубы, Ь = О,Об и ; У^^ - максимальное положение управляющего потока в крайнем сечении, Уялж « 1 (и; а") ;

Величина У^^ определялась по вторам скоростей и по соответствующим фотографиям.

о

Приведенные зависимости для соотношений площадей »1,0

т

показывают, что сжатие растет веоьыа быстро о росток д , особенно при у > 90°, т.е. при подводе управляющего расхода навстречу транзитному потоку.

В пятой главе приведены примеры раочета рассмотренной конструкции, изложена методика гидравлического расчета.

Для практических рекомендаций и определения диапазоне регулирования при различных конструкциях низового участка (рис.8) были построены зависимости Идр" и Аа 3 при угле под-

вода у = 90° и -тр3- = 0,4 ; 1,0 и 1,20. т

Также была построена зависимость относительного коэффициента расхода регулятора от величины сопротивления низового' участка (рис.9) при углах подвода у ^ 90° и 135° и различных соотношениях площадей отверстия управления и транзитного водовода и

= 0,4 ; 1,0 И 1,20 .

т

Были приведены лринцшш_ компоновки сооружений для систем о гидродинамическим саморегулированием (рис.10).

Рис. 8, Номограмма для определения диапазона регулирования ао расходам для различных конструкций ¡шзового участка

% \(Г'90°)

со(У'ЯГ)

Ряс. 9. Продольные значения относительного коэффициента • ■ расходе-при разллчпнх конотруииих низового участка

<

управляющего расхода

Рис. 10. Компоновочные схемы водовыяусков-регуляторов

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. На основании проведенных нами теоретических и экспериментальных исследований подтверждено, что водовыпуек о гидродинамическим регулированием, устраиваемый не перепадах мелиоративных каналов; является перспективной конструкцией, вффективно решающей все задачи гарантированной подачи ресходов и регулирования в рамках оговоренных диапазонов изменения напоров и раоходов. Эти водовыпуски-регуляторы, применяемые в закрытых водовыпускных сооружениях, имеют простую конструкцию, подвергнутую детальной проверке в лабораторных условиях, технически легко осуществимы при строительстве и должны быть надежными при експлуатации.

2. Получены основные зависимости для гидравлического расчета водовыпуока-регулятора, связь коэффициента раохода и коэффициента сжатия о величиной расходов сливающихся потоков, диапазоны регулирования, влияние на регулирование углов подвода, площадей отверстий и углов диффузорности.

3- Исследования скоростной структуры потока в водовыпускном сооружении о гидродинамическим саморегулированием позволили установить, что практически в зоне транзитного потоке по осей глу~ бине скорости постоянные, а в зоне управляющего потока скорости изменяются от максимального значения, равного скорости транзитного потока, до минимального значения, равного примерно У2^. Кроме того, в узле слияния ядро максимальных скоростей смещается незначительно вниз от центра сечения водовода, а в сечениях на выходе сооружения, выполненного в виде диффузора, в нижнюю треть по высоте выходного сечения. '

4. Проведенные исследования по оценке характера изменения коэффициента Кориолиса а по длине водовыпуока позволили выяснить значительное влияние подвода управляющего потока на структуру' поля скороотей. Например, в обыкновенной водовыпуске о прямоугольным диффузором корректив кинетической энергии в узле слияния был равен 1,07...1,10 и 1,09...1,15 на выходе, то при регулировании он составлял 1,10...1,23 и 1,9..-2,5 соответственно. С увеличением подачи управляющего и транзитного потоков ( а и <*ст) уменьшается (для различных углов подвода 90°, 120° и 135 ).

5. В результате полнофакторного эксперимента выбран оптимальный вариант узлов слияния и оптимальный вариант конструкций низового участка, выявлена динамика изменения коэффициента Рас"

хода оно теш и картина слияния потоков при регулирования.

Наибольшее снижение транзитного расхода при саморегулировании достигалось при углах подвода ? « 135° и оно составляло» для регулятора о прямоугольным диффузором - 35 %, для регулято- . ра о плоским диффузором - 21 % . При всех углах подвода и конот- -рукций концевого участка наиболее аффективное обеспечивалось про отношениях площадей отверстия ( w^/w, ) от 0,8 до 1,15.

6. Опыты о достаточной отепень» точнооти показывают, что в диапазоне чисел Рейнольдов 50000... 120000 вязкость не шш па значение коэффициента местных сопротивлений. ' .:..

Проведенные исследования позволили получить акспершантаяь-ше графики и зависимости для значений коаффшдаента- сопроитла-шн { в зависимости от величины сливающихся расходов, углов пай-вода и конструктивных решений концёвого участка.

Установлено, что при оголовке-на входа в виде уоеченвой пирамида Ç^ = 0,13 , а значения коэффт шестов сопротивления диффузоров ¿авны Î для прямоугольного - прду. ° II ДЯЯ.

плоского __ ». 0,13 . При подаче расхода управления £_ = î(n)

Д.Ш1. . fi*

7. Установлено, что при всех режимах работа .ооорушш управляющий расход аффективно сжимает кивоо сочошго транзагшого потока и тем самым осуществляется регулирование. Значения шзф>-фициента сжатия транзитного потока упра&швдш определятся сэ : предлагаемым графикам и его значение аваисиг от углоа Edi'cc: '4

и площади отверстия управления е е-[ 1{ 0,5}

8. Разработан принцип расчета оаморагуларукцзго ''оатаЦМ.'а,'-подтвераденний експериментальныш данными, праведанц rpsjasi дал определения предельных значений слйваедихся расходзз в. вааисш.'»-сти от формы низового участка и коефЯмщшта Корцоляса а »

В работе приведены порядок расчета н примэр раочота указав-ной конструкции водовыпуска-регулятора.

9. Разработанные варианты компоновочных решашФ ■ аакротого : водопропускного сооружения с гадродашашпесюш ссуорогулзрозаяп-ем. • '.■■■ •. ■ ; . , \

Основные положения диссертации. изложены в статье s,

1. Экспериментальные исследования пропускной способности водовыпуска-регулятора о применением гидродинамического саиоро-гулировашя. // Сб. трудов Гидропроекта, вып.'159, М. ¡1993 (в печати). ! ■ " ■