автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Совершенствование методов расчета динамических процессов на оросительных системах машинного водоподъема

&-3 И

Производственное объединение по шысклнкям, исследонянипм, проектированию н строительству водохозяйственных и ме:;чоратнпных о&ьектоп "СОВШГГЕРВОД"

На пряплх рукописи

АБЛЯЗОВ Иуридип Рсшатооич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ РАСЧЕТА

ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ НА ОРОСИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМАХ МАШИННОГО ВОДОПОДЪЕМА

Специальность 05.23.07. - Гидротехническое и мелиоративное

строительство

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА 1992

I'alo'ra -пополнена e производственном объединении по изи-еиишим, иослодовашшм, проектированию и строительству бодо-хъздПстпоилых и мелиоративных объектов в СССР и за рубежом (Соиинторвод)

Научим;! руководитель - доктор технических наук, професоор

В.С.Алтушш, IIO "Совинторвод"

Овнциилыше оппононти - доктор технических наук

В.А.Рожнов, Ин-т автоматики All Кыргызстана

- кандидат технических наук В.Г.'Федоров, МСМГиМ

Ведущая организация - В/О "Conзводпроекг" :

•

Задшта состоится " " ноября 1992 г. в fl) часов на заседании специализированного Совета Д 009.08.01 при Производственном объединении "Совинтервод" по адресу: 129344, г.Москва, ул.Енисейская, д. 2.

С длссортациой мотаю ознакомиться в библиотеке ПО "Сов-интерЕОд".

Автореферат разослан " 27 " октябпя 1992 г.

Учений секретарь споииялизиропагшого Совета,

кандидат технических ндук - З.С.Заднепрянец

ЪосайикАЯ"

■ИБлиотекд' • '

. ■. ОЩАЯ ХАРАКГЕРИСТИКА РАБОТЫ " . .

Актуальность темы. В требованиях к развитию агропромышленного комплекса и реализации ряда программ стран СНГ отмечается: "Разработать я осуществить меры по ускорению перехода на водосберегахяие технология орошения, бережливому использованию водных ресурсов к земельных угодий".

Исходя из основополагающих установок, в настоящее время разработаны ооновные направления перестройки работы водохозяйственных организация в новых условиях ресурсосбережения и во-досберегшощих технологий. Одно из .зтюс направлений - пересмотр инвестиционной политики в водохозяйственном строительство. Приоритет отдается реконструкции.• " -

В условиях дефицита водных ресурсов реконструкция ороси- ; толышх систем должна обеспенивать• перевод орошаемого земледелия на более высокий технический уровень за счет совераенст-вавания оросительной сети, технологии полива, создания оптимального мелиоративного решала и соответствующей работоспособности скотомы. • * •'•"

Оптгатйцил водораспредоленкя позволит свеоти к минимуму . непроизводительные затрата поливной воды, ликвидировать холо-отыэ сбросы. Роизнио этих вопросов является трудоемкой многофакторной задачей, связанной с образованием слошых динамически* процосооа в водопроводящих* трактах, сооружениях и акку-нуляруюцих еетостях оросительных систем.

Разработка методов расчета этих сложных явлений требует комплексного а/ализа гидравлических условий работы и взаимного влияияя процессов неустановившегося движения воды в отдель-еых звеньях оросительных систем всего водохозяйственного комп-яехеа в иолом. *„

Наиболее остро проблемы водообеспачения, оптимального во-дораспредалензя, согласования режимов водопотреблония и водо-подачи стоят о арвдной зоне России и Средней Азии. Развитие . ороааеиого вемледелия в этих регионах достигается, в значитель-. ной отелена путём освоения труднодоступных и крутоуклонных земель о подачей поливной еоды каста лами насосных станций (НС).

г -

Перспективные метода освоения мелиорируемых площадей со сложным рельефом заключаются в создании экономичных и надежных ороситольннх систем машинного водоподъема с дистанционными методами управления и регулирования. -Опит эксплуатации существуй ни и строящихся оросителышх систем с насосными станциями покачивает, что при переключении насосных агрегатов и регулировании перегораживающих сооружений в бьефах каналов имвг-. ют место сложные переходные процессы, оказывающие неблагоприятные воздействия на гидротехнические сооружения. Это приводит .к с'никению коэффициента полезного действия и оперативности водоподачи и водораспределэния, существенным потерям поливной вода (15.. .25/? годового расхода вода в канале), а такке потери устойчивости откосов незакрепленных каналов или разрушению их облицовок.

Цель работы заключается в разработке рекомендаций по гидравлическим расчетам и применению методов математического моделирования нестационарных (переходных) процессов А машинных каналах оросительных систем.

Научная новизна работы. Проведены и систематизированы обширные натурные и лабораторные экспериментальные исследования переходных процессов в бьефах мелиоративных насосных станции в различных условиях эксплуатации действующих оросительных си-Стэм.' Дана классификация и представлены результаты анализа существующих методов расчета нестационарных процессов. Рассмотрены основные принципы и теоротичоские предпосылки к математическому моделированию динамических процессов в призматических руслах применительно к оросительным системам с насосными станциями. В результате многократных численных расчетов и проверок в сопоставлении с натурными и лабораторными экспериментами определены базисные математические модели, максимально соответствующие действительности. Данные математические модели переработаны с участием их авторов и доведены до инженерных методов расчета нестационарных процессов в машинных каналах оросительных систем.

Практическая ценность и реализация работы. Результаты разработок позволяют производить гидравлические расчеты и оценку сложной многофакторной структуры динамических процес-

сов в машинных каналах различной конструкции и коцфигургшии. Необходимые расчеты могут выполняться инженорно-тохшгческим персоналом прооктпих и эксплуатационных организации на доступ— них оточоствошшх ШМ.

Материалы разработок и исследований нашли примопонио при автоматизации водораспродоления на оросительных системах 'lyíi-ckoIí долинн Республики Кыргызстан. В соответствии с предложениями и расчетами автора во ШШЧйо по заданию ПО "Совинтор-вод" построен и введен в действие экспериментальный комплекс машинного аодоподъома длл испытания и внедрения новых конструкции гидротехнических сооружений ¡10, работающих в ностацио-нарннх режимах эксплуатации.

Достоверность результатов обусловлена примененном высокоточной электронно.! аппаратуры, информационно-измерительных • систем и 1Ш, а также многократными экспериментальными исследованиями на действующих оросительных системах и ь лаборатории. Достоворность экспериментальных исследований подтвервдена численными расчотамл на ÜB.M.

Amotíair.vi работы. Основано полоконт и результаты диссертационной работы докладывались на Всесоюзном соминаро по автоматизации научных исследований и проектирования АСУ 'Ш в мо-лиораи.'ш в I9B8 г. в г.Фрунзе, на 1-ом и 2-ом съездах гидроэкологов в r.i.locioio (ПО "Совинторвод") п 19УО и 1991 гг., а также tía заседании технического совета института Киргизгипро-водхоз в 1992 г.

Публикации. Основное содержание работы изложено в 3-х на-учно-тохнических статьях. Результаты экспериментальных исследований автора использованы в трудах АН Кыргызстана и опубликованы в книго издательства "Илим" (1909 г.), г.Фрунзе.

Диссертационная работа состоит из введения, чотырох глав, заключения и приложений. Общий объем MI стр., включающих III стр. машинописного текста, 4? рисунков, II таблиц и список литературы из наименований.

СОДЕРШНЬ ДИССЙРВДИСШЙ РАБОТУ •

• ¥

Во введении обосновываются актуальность работы, цель и задачи исследований. Показаны научная новизна диссертаций и приведены основные научные положения, которые выносятся на защиту. .

В петжой главе рассмотрены основные 'принципы управления • водораопредалением на оросительных снотемах машинного водоподъема, дана краткая характеристика проблем .организации ло- • ■дохозяйственных комплексов в зоне орошения и перспективы их развития. ■

Оперативное управление водораспределением 'на оросительной оиотеме имеет се о 6,1 целью: при постоянном учете последователь- •. но уточняющихся данных о прогнозах расходов вода в источниках и режимах, водопотребления, заполнения водохранилищ, КПД и.; пропускной способности сооружений, времени добегания расходов, структуры,, площади и состояния посевов - обеспечить возможно полное, о максимальным эффектом при минимальных издораках, использование водных ресурсов. '......

. Из перечисленного слодует; что принцип централизованного водораспределения "по плану" вынуждает диспетчера в считанные .. шнуты выполнить анализ и рассчитать столь многофакторную труд-, нопрогнозируемую задачу, решением которой.в проектных в научно-исследовательских институтах занимаются спедаализированныв группы гидрологов, гидрогеологов, водохозяйственников, гидротехников, мелиораторов и экономистов. В результате оистомный план водопользования, составленный в начале года по прсгнозам низкой достоверности, плохо отражает текущее фактическое поло- ■ йонео дел. " ..

Отсутствие надежных прогнозов стока и потребления води приводит к необходимости частой корректировки планов, которув производит диспетчер системы по собственному уомотренип, на . оочове личного опыта и инженерной? антуици^ Составленные планы теряют актуальность, появляются ошибки,' приводящие кпоте-рям или'дефициту оросительной воды со воеми вытекающими ия этого последствиями. ■ . -.г •

Актуальными в настоящее время сле,пует признать ведущиеся работа по создан:® и широкому внедрению гштоматиз.'фоваппых оросительных систем машинного водоподъема о дистанционно' регулированием водораспредоленпя.

Сбор и обработка информации о состоянии объекта л выработки управляющих команд производится совместно с телемеханикой. Реализация команд производится с контролем диспетчорг.. В рокме "советчика" диспетчер осуществляет оценку правильности выработанных команд управления и реализует их либо с использованием средств телемеханики, либо с участием операторов на местах.

Необходимо отметить, что средства автоматизации не реизают полностью задачи оптимального планового водораспрэделепия. Телемеханика на оросительных системах по существу становится "длинными реками" диспетчера. В настоящее враля напрашивается ■ вывод, что централизованное водораспределенне на оросительных системах, даже при хорошо поставленной диспетчерской службо, оснащенной самыми современными техническими средствами (радиосвязь, телемеханика, ЗЗМ) не может дать нужного эффекта.

Наиболее перспективными и отвечающими современным мировым стандартам являются саморегулируюциес я оросительгше системы малинного Еодоподъема, оборудованные 'специальными Гидроавтомата-га, автоматизированными регуляторами, водомерными устройствами, датчиками уровней с обратной связью. Ста новейшая группа оро-зительных систем характеризуется принципиально новой системой управления водораспределенисм, которая должна в продолах планового лимита обеспечить потребителей водой "по требования", при этом в функциях централизованной диспетчерской слутхбы сохраня-. атся только операции контроля за водораспределонием и водопо-гребленнем.

Однако до настоящего времени не разработана необходимая гормативная документация по расчету, проектирована-) я эксплуатации саморегулирующихся оросительных систем с насосными ставшими; отсутствуют инструктквные полоизши по автоматизации «шинных каналов, нет достаточно надогмщх гидравлических методов Дистанционного управления зодораспредолениом, отсутствуют ¡хемы оптимизации. В ряде научно-ксслодзвательсктс ;г проектных шетятутов (В/О "Союзводпроокт", ПО "Совинтервод';, В!Г.1;1ГиМ,

!Щ0 УкрПЮТиМ, Гипроводхлопок, В1ШКАМС, Институт автоматики All Кыргызстана) водотся определенная работа в этом направлении: расфабатьгг.аптся и совершенствуются методы математического моделирования переходных процессов в машинных каналах, проектируются схемы и строятся отдельные фрагменты саморогулирующихся оистем, ведется борЬба с холостыми сбросами. Приходится констатировать, что эти работы разрознены, результаты не сопоставлены ж не обобщены, вывода не конкретизировали. Методика расчета не проверена.

■ Ва второй удаве дан обзор и анализ существующих методов расчета нестационарных процессов в естественных и искусственных водотоках, рассмотрены теоретические предпосылки и основы чис-' лонного моделирования на ЭВМ. Сделана попытка систематизировать и классифицировать математические модели и методы гидравлических расчетов динамических процессов.

Существует -достаточно обширный ряд методов расчета неустановившегося движения воды в реках и каналах. В литературе 'имеются рекомендации по использованию некоторых методов, на практике. Однако в каждом конкретном случае выбор расчетной модели производится после подробного анализа имеющейся задачи с учетом, в первую очередь, таких факторов, как степень подробности информации, требуемая точность решения, имеющаяся вычислительная техника и-др. Существующие методы расчета (математические моде-, ли) "работают" в узких диапазонах изменения тачальных парамет- ■ ров и граничных условий. '

Недостатком существующих разработок является отсутствие до настоящего вромени надежных инженерных.методов расчета сложных

динамических процессов , проверенных (за редким исключением) в , натурных условиях в различных режимах эксплуатации оросительных систем и доступных для использования в практике проектирования.

Наиболее "строгими" в математическом и физическом смысле являются гидродинамические (гидравлические) модели, которые по-

• зволяют достаточно полно и надежно описывать переходные процессы в руслах рок и каналов. Самой распространенной гидродинамической моделью, применявшейся для расчс-гзв и прогнозов науста-

• ноь'и икегося движения воды,, является модель, основанная' на урав-• нениях 'Сон-Вбнана. Численные методы интегрирования Сен-Вопана ■хорош разработан». В настоящее время накоплен большой опыт их

использования.'

Среди числянних методов интегрирования уравнений Сен-Вегг-на наиболее гаолрсстранопи копечно-раэностг.ио методы. Друт-гел вак.им направленном в разработке методов расчета неустановившегося движения води является примононпе теория волн малой амплитуды дйя линеаризации уравнений Сон-Венана. В случае периоди-чоского неустановившегося движения воды хорошо зарекомендовал себя вариационный метод. Наконец, в последнее вроют всо шйро стал использоваться мотод коночных элементов,

У. ".ваковский предложил теорию волн малой амплитуды для преобразования нелинейных уравнений Сен-Вснака в лшюйпио уравнения в частных производных. Для задания необходимых услов:1Й используется наиболео обедя зависимость расхода воды в створах на границах участка канала от глубины наполнения верхнего и нижнего бьефов перегораживающих сооружений и открытия затворов. Методика 3. О.Маковскогсг логла в основу многих других шшэнорных ■ способов расчота переходных процессов.

Существенный .практический интерес представляет мотодтса О.Ц.Чурмаова (BIC'IТ.чМ). Система "мелкой еоды" в ¿[ормо Сон-Венана имеет .вид fo - П

dt + дх ~и>

здесь X г продольная геоиетричоская коорднната (вдоль оси канала); i; - время; U> - плопадь живого сечопия канала; Q -расход\h~/j(cu) - глубина; - ускоренно свободного падения; U~- скорость; ¿с - уклон канала; Д - коэффициент c&ipo-. тивления; - гидравлический радиус..

Система (2.1) с соотвотствуквциыи начальными и грапгтчним-.г условиями решается численно. Для этого была выбрана явная схе-' ма второго порядка точности "Гехарда" (или.схома .Лакса-Вендро'-$а).

Программа составлена таким образом, что içar по времени выбирается автоматически. Это связано с том, что схома'"Гехарда" лвн&ч, и условие устойчивости - ограничение числа франта единицей. •

В.'.Рожанскнй (ШУ, г.Москва) также использоеол уравнение (Ьн-Зонана-для описания динамических процессов е открытом бъе£.с. Уравнения с заданными начальным'л граничными условиями решаются числонным методом.

В пространственной и временной областях вводятся равномер-. nue сетки. Дискретное представление исходных уравнений производится по неявной разностной схеме с использованием • четырех-точ'ечного иаблона но внутренних узлах пространственной сети и ' трехточечного иаблона в граничных ее узлах. lia каждом временном , слое коэффициенты уравнений, зависящие от искомых функций

H(X.t) рассчитываются по значениям этих tpyнкцлИ, езятым . ' па предыдущем временном слоо. Далее, подстрвляя преобразованную систему исходных уравнений как векторное уравнение с матричными коэффициентами и применяя матричную прогонку, получают значения искомых функций 'на очередном временном слое.

Схематично описанный выше алгоритм реализован в виде комплекса прикладных программ, написанных на языке Фортран. Входными величинами для программ являются'геометрическте размеры канала, его технологические параметры, а также начальные и граничные ус- ' ловия. lia выходе программ получаются распределения уровня и расхода потока по длине канала и во времени.

Рассмотренные выше математические модели О.^.Чурмаева.и В.Л.Рожанского взяты за основу и детально исследованы в сопоставлении с натурными и лабораторными экспериментальными данными.

В третьей главе приводятся результаты лабораторных гидравлических исследований переходных процессов на экспериментальном ■ комплексе НО в сопоставлении с результатами численных расчетов на ¿Ш по моделям В.Л.Роканского и О.М.Чурмаева. ■

В соответствии с заданием и финансированием ПО "Совинтер- ■ ■ вод" во ВНИИ гидротехники и мелиорации в 1988 г. построена- и введена в действие специализированная гидравлическая лаборатория машинного водоподъема. Лаборатория предназначена для гидравлических исследований машинных -каналов и сооружений насосных станций-в различных режимах, работы. Внввь созданный' экспериментальный комплекс оборудован передовой техникой,- автоматизированными системами управления, электронной аппаратурой и Ж'. В здании* лаборатории расположена крупногабаритная модель "лекала НС с

фрагмептои магистрального канала полигонального сечения и иасос-н1лли агрегатами (IIA). Указанная модель послужила базой для проведения, лабораторного эксперимента.

Конструкция уотановют, еэ гидравлическая сх'ама ff компоновка исследуемых моделей позволяют (рис. 3.1):

- моделировать пространственную картину течений в верхнем и ■нитшем бьефах НС при различных комбинациях работающих Ei; ■

- моделировать остановку одного или нескольких НА при нормальной работе остальных иаоосов;(в случае работы НС как в'каскаде, так и индивидуально);

- моделировать оотановку и пуок одной из НС, работающих в каскаде при различном сочетании включенных НА (путем отключения или включения модели водовыпуска НС); •

моделировать остановку НС в аварийном режиме (путем одно- • временного отключения вйех работающих НА);

- проводить в процессо исследовании измерения по опродолешга гидродинамических воздействий иа гипросоорушэння НС как в преде- . лах от IIC до печального учаогха регулярного русла канала, так и

по осой длине канала. ■

Экспериментальные исследования динамических процессов в моделируемом машинном канала и сооружениях НС проводились путем непосредственных измерений (записи) колебаний уровней, воды. Необходимые первичные преобразователи (датчики уровня) устанавливались ка передвигана гидрометрических цоотах.

Первая ста - работает вторая по каскаду НС(НС-2) при отклю-чоиной первой HC(HC-I). При сработке уровня вода в моделп до'заданного ыинимального продела НС-2 отключается до времени полного затухания волновых дроцеосов о последующим включением в положение "обратный ток" (рио. 3.2а).

В ходе экспериментальных .¿•идравляческтс исследований динамических процессов в машинном канале получены и обработаны ос-цилдограммы о записьп колебаний уровня еодо. Результаты обработки

асциллохт?аш представлены в виде графика изменения уровной вода п*"кривых" колебаний водных масс при постоянном уровне.

На рис. 3.3. приводятся графические зависимости значений ¡гровнеЯ вода от времени в различных створах исследуемого канала цля опытов первой серии. На графиках хоропо прослеживаются пере-содпые процессы о сопутствующими волновыми явлениями, постепенно '

а,

затухающими во времени. Подъем или спад уровня воды •хдраиери-зует процесо наполнения или- опорожнения (сработюг) машинного ¡га-пала при включении плп отключении-НС-2, т.е. п'одачч води или во--дозаборо при отключенной НС-1. Исходное положение - "стоячая" вода.

а) ^а-'Ол $)

а.

II N

к 1 1 1 4-- ! 1 1 » к ,

а.

о»

ъ. . VI, I, г

ь. VI.

Г

I,

а,, а,

©

^тпгтпиии/пг}

> >>/7ТГГТТ>Т>п ггг!

Он

Рис. 3.2. Графика изменения •расходов вода в канале Втошя сепия экспериментов отличается от первой нетсмешшм

положением среднего уровня вода в канале и двумя источниками

возмущения НС-1 и НС-2 (рис. 3.26).

-.' ; Отключение двух НС (прекращение водоподачн я водозаоира; приводит к одновременному образованию отрицательно:'! II положительной волн соответственно в водовнпуске НС-1 и аванкаморо НС-2. Волны понижения и повышения движутся навстречу приблизительно с одинаковой скоростью взаимно гася амплитуду друг друга в середине канала. Далее, отражаясь от насосных станций, волны преобразуются, возвращаются обратно и приводят к раскачке бьецюв в противогазах с затухающей во времени амплитудой колебания водных масс. . 4

1

2 н Б 8 А1Ь см • 1 V Отплючсниг НС» . .0 •

А, -И--И N

• у л

Ъ Уъ/Ч._.А «дЗо^уг^ V1» — а«/с ■^Ьгг-

0.„,/0

а«,<о

100 200 »00 400 Ъ, С

I .

10 ЬН.см 8). •

01 м ----- 1Г

нс>

с << г // // /* & ч Т -

й'/с

I >

/// К' | и ИНН

1 а.с.-о О « 1 1 "1 й-с,-0

V 0«с«>0 — й«|-0

Рис. 3.3. Графики изменения уровней вода в машинном канале экспериментального комплекса насосных станций (2,3,4- номера датчиков или створов; а,6 - первая и, соответственно, вторая оерии опытов; I - " графики изменения расходов воды в канале

При одновременном включении НС-1 и НС-2 (водозабор л водо-' » подача, (й/ = (3г ) переходный процесс и волновые характеристики аналогичны о той розницей, что в водовыпуска НС-1 образуется пологштельнал волна попуска, и в аванкамере НС-2 формирует-, оя асимметричная отрицательная волна излива.

Зяачитолышй интерес для практических целей представляет исследование окоростей распространения волн в водопроводящих. трактах. Нами были проведены теоретические расчеты волновой окорооти С в переходных процессах при поотоянном среднем уровне воды в канале (т.о. прекращении водоподачи пли водозабора). В качеотве аналитических зависимостей использованы известные формулы Рассела н формула Лахранга. Кроме того, скорости распространения волн .определялись тремя способами эксперпменталь-• но (по осциллограммам, по графикам спектральной плотности и по ■ -средней окорооти перемещения волн между датчиками).

Результата теоретических расчетов сопоставлены с данными экспериментальных исследований. Средние значения экспериментальных скоростей распространения волн довольно близки к результатам расчётов величины С, вычисленной по формуле Рассела.

В результате отатиотпчвокой обработки данных изменения уровней в различных точках иашипного канала (датчики 1...4) получены графика спектральной плотности колебаний поверхности воды (рио. 3.4). Анализ спектров воли попользуется для более глубокого поникания серийных опытных данных. Свойства временпых "рядов наиболее ярко проявляются в спектральных представлениях." При этом остается дискуссионным воцрос о правомочности использования специальных характеристик для анализа нестационарных процессов. Свойство стационарности, понимаемое в широком смысле» позволяет нсНользоваТь эргодетескуа теорему и. заменить среднее по апсаыйпэ средника по пространству и времени. Как только рассматриваются неустановившиеся процессы, при которых волновые спектра развиваются в пространство и во времени, допу-.сзппо о стационарности становится непригодным.

, ' Однако в паиза конкрэтпом .случае эволюция спектра доота- • точно кэдлепка а изменения волновых свойств происходят в течение зрс^зпи, значительно больииц периода выработки, при кото-рои иотут быть получены.падегпые статиотичеокие даййне. То еоть, врсуэнпна (шш пространственные) ряды мохут все еще рассматри-

ваться как стационарные за время, большее периода выработка.

Рло. 3.4. Графика спектральной плотности колебаний уровней . вода в мамином канале (1...4 - номера створов)

Лпали? графиков спектральной плотности позполяот выделить . две низкочастотные области S(fJ в которых сосредоточено до C0Í всоЛ оисргпп пропосса. Парный ппк соответствует частота pao- ■ качки obojoe d' переходном процесса наполнена пли опорояненгл i.-дгмнного канала. Отрицательные волны излива или полоентольныо вслпи попуска, образующиеся при водозаборе или водоподаче е.ма-. ичниш канал, приводят к образованию отр.гкошшх волн и их ин-терт.ереш'ии. В результате многократных ограший получаются ко- ■ лебатояышо двикоитя всей массы воды в целом; в дополнение к волне, псромсадудейся несколько раз от ПО-l х JIC-2, появляются более ниг.мчастотцие колебания (fgZí O.CIC...0.CI5 Гц). Ста ко-лобшга тем резче Ецракоиы, чем короче бьо£.

Второй низкочастотный голе (j^»0r020...0,025 Гц) соответствует частоте перемещения отраженных и иеотраженных вода па поверхности вода в машинном канале. Чаотота процесса, yv,покойная па двойную длину бьефй, равна скорости распространения этих волн.

Математическое моделирование нестационарных процесоов в . машинном канале гидравлической лаборатории ВНИИГяМ проводили в полном соответствии с начальными условиями физического эксперимента для всех опытов. Расчета на 33!,1 выполняли по методу О.М.Чурмаева, В.Л.Роканского и Э.Э.Маковокого (программа , Ц.И.Марголина).

Результаты численных расчетов в сопоставлении с данными экс-• периментальных исследований представлены на рис. 3.5 в виде графиков зависимости Н для первого ста opa (датчика) в ма-■ шинном канале; Результаты численного моделирования нестацлонар-ных процессов по методам О.М.Чурмаева и В.Л.Ройапского близки . . к данным эксперимента и достаточно хорошо отраяавт переходный / процесо. Модель О.М.Чурмаева описывает, кроме того, волновыз явления на поверхности вода с учетом прямых и обратных (отракен-• ■ !шх и неотранонных волн).- Прячем, амплитуда колебаний, скорость . распространения волн и время затухания процесса соответствует :, действительным. " ...

Püc¡ 3.5. Графики изменения уровней х;одц в машинном канале (I) в сопсставлении с результатами математического моделирования (2, 3)

Математическая модель В.Л.Ронанского (в том виде, в котор-ром проводились расчеты) ие дает такоЛ наглядной картшш переходного процесса. Программа М. ПЛЛарголина позволяет рассчитывать только начальную стадию переходного процесса,'т.е. время добегания обратной волны от Ю-2 до НС-1, что связано о соответствующей спецификой расчетов автора. ••

В четвертой главе анализируются результаты натурных .исследований переходных процессов на действующих орослтольных спотеиах Яадаикистана и 1Сыргызстаиа.

,4.1. Гапаутипслпй каскад НС (Таджикистан)

Для выбора объекта натурных исследований работы узла сооружений машинного водоподъема обслодоваио 54 насосные отанцин в . долинах рек Вахт, Пяндг, Кафирнпган. В качестЕО первоочередного объекта исследований был принят подвода-дня канал трапецеидального , сечения 5-й ПС Гараутинского каскада, располо-онногс -г. а^аго-борокьо р.Вахш в Джпликульском районе К/рган-1Ьбпнской облаоти.

Машинный канал мовду водовыпускным сооруженном (затвором) из напорного бассейна 'А-й насосной станция я аванкамерой 5-Я ПС представляет собой трапецеидальное русло из бетона общей длиной 179 м вместе с аванкамерой. Вода в машинный канал поступает из-под затвора круглого напорного баосойна диаметром 15 М и глубиной 1,0 м. Затвор в голове канала оборудован ручным приводом, позволяющим достаточно свободно пзмонять высоту опфитяя для уота-' новки пужной начальной глубины. В начале канала на отметке 1,10 м > • расположен боковой водосброс в виде автоматического водослива ■ практического профиля. '

Результаты непосредственных. измерений расходов и уровней воды в машинном канале обработаны, систематизированы и приведены к общему ввду: . ' ' ". .. '

и (4Л)

гдо -^расход воды в начале и конце машинного канала; .

Н - глубина воды в канале; X - продольная координата (рао-^ стояние от затвора в голове канала до .измерительного створа); ~Ь - ВрЬМЯ. . \ ■-..'... .. ■ ,

Экспериментальные исследования условно разделяется на две .. серии опытов. Первая еврия характеризуется наполнением канала с низкой отметка до более высокой. Вторая серия, наоборот, соот-

вотствует опорожнен-ш (сработал) каггада. ¿о^сех случаях, источ-' шт-возмущения находился в когте канала (НС-5), п оглпчпе от ш-гаинного канала гидравлической лаборатории ЛЗШЕГГиГЛ, гдо истсчпи-ки возмущения располагались по торосил бьефа в начале. Более того, изменение величины расход! Он в голого маститого гсслала НС-5 Гараутииского каскад-:, яеляотся прямым слодстрпсы изпонентл , т.е. переключения насосной станции. МаиишшЗ какал 5-й насосной станнлг: Гараутииского тсастгада НС является довольно сложным объектом дли математического моделирования переходных процессов. Вследствие того, что в' на голе и конце канала прпз.татггчность русла искшлена, расчеты били про-ведош/ при двух уклонах дна. Первый уклон ( Ь - С,ССС4) подобран по критерию совпадешь кривих свободной поворхноекг г стационарное случае. Зторой уклон ( ^ = С,002) выбран как наиболее характерный - на 70,^-ном участке канала, т.е. при засызанчых выемках в начале,и конце канала.

Анализ результатов численных" расчетов на им по лэтодам О.М.ЧурмавЕа л З.Л.Розанского в сопоставлении с данны:-;;! .¡атур-ных исследований (рпс. 4.1) показал достаточно хороиео соответствие полученных значений экспоримонтальннм данным г начальны.'! период развития переходного процесса. Однако в последгсщо;;

= 5... 10 мин., после пероключенрг НС) расчотпно кривые значительно превышают экспериментальные. Расхождения абсолютных ■ зпачений глубин II составляют 2С.. ЛС%. Отличия нзменошл уровней от-первоначального состояния аН достигают 100...ЗС0£. При этоы данные расчетов по.методам О.М.Чурмаева и В.Д.Роканского взаимно соответствуют друт другу л практически но зависят от уклона.

Одна из причин столь высоких расхождений заключается .в различии объемов еодн в реальном канале (водовыпускное сооруиенгге + + канал + аванкамера) и модельном .осредпениом русле.

Абсолютное увеличение уровня в кашле в переходном ре:::".:о без учета еолн в первом приближении происходит из-за.небаланса расхода в начале и конце канала да счет накопления (срабатывания) объема воды. Модель капала Гараутииского каскада НС даст ошибку в абсолютом увеличении (уменьшении) уровня в осноено..; из-за осреднения русла по ширине. . . •

Выполненные расчеты позволили ввести необходимую поправку для соответствующего понижения расчетных кривых и приблизить их достаточно близко к экспериментачьпым (табл. 4.1).-

Гис. Гра;и\и изменения уусвче;? годы в машинном "сан&ле э-.: -1С Га;аутинекого каскаде ~С (.1) ь сс.постаьяекик с результатами х£т<.> этического ксделировакия переходных г.рсиессо! ч<-">->).

Таблица 4.Г

' Результаты раочотов глубин воды в машинном канале НС-5 о учетом дополнительных объемов вода в аванкамере я водовыпуске

Время от' начала эксперимента,* мин. Экспериментальная ве-лячина глубины, НрМ Расчетное значение глубина IL,, м Величина поправки к расчетной глубине , /) Глубина воды с учетом поправил, Н3 *Н2, м

I о 3 4 • 5

"50 40 1,00 0,87 1,22 1,20 0,75 0,70 0,93 0,84

4.2. НС "Топрак - Боль" (Кыргызстан)

Насосная станиш "Топрак-Боль" расположена в Яссак-Цуль-ской области Кыргызстана на правом берегу р.Чу в нижнем бьефе Орто-Токойского водохранилища. Вода из роки подводящим каналом прямоугольного сечения подается в аванкамеру КС (рис. 4.2). В голове канала расположен затвор с ручным ¿приводом. Аванкамера насосной станции оборудована автоматическим водосбросом.

В насосной станция установлены два насоса с расходом по 0,25 и /с каздый. Зода из НС подается в-чЗаседДн суточного регулирования по напорному трубопроводу. .

Подводящий машинный канал данной 170,7 м выполнен из железобетонных Г-образних блоков. Е1ирлиа. канала по дну - 3 м, глубина - 1,50 м. Средний уклон дна, L = 0,0028.

• Канал оборудован по аналогия с машинным каналом НО-5 Га-раутпнекого каскада насосных станций Таджикистана. На канала установлены 4 пирометрических .мостика с электронными датчиками уровня. Для контроля в какдом створе размещены самописии уровня "Валдай".

■Полокптпльной стороной эксперимента в Кыргызстане является большая продолжительность -опытов ч, как следствие, выход не полный стационар пря заданной схеме переключения насосной станции. Это существенно сказывается на достоверности экспериментальных исследований.

Рис. 4.2. Продольны;! профиль и план Еодводящего канала касосноЛ станции "Топрак-Бель" (Кыргазстан)

.В диссертационной работе рассмотрены результаты расчетов В.Л.Рожиова (Ин-т автоматики ЛН Кыргызстана) в сопоставлении с диаграммой самописиа уровня "Еалдай". Канал рассчитывался как сосредоточенный объект. В этом случае чистое запаздывание про-иосса не узгллзается. В модели не учитывались также обратные отраженные волны и рассматривались только передаточные функции прямой волны ворхиого бьофа. ¡Наблюдается довольно значительное расхождение розу.штатов определения глубин (до 25$ от д Н) при общей тоццопцпи процоссов.

Результаты численных расчетов на З.М _по методам О.М.Чур-м;..:ща и В.Л.Рожанского продстарлены на рис. 4.3 в сопоставлении о данными эксперимента. Общие тенденции процесса и абсолютные значения глубин соответствуют дo¿íc•п!птoлышм, фнако мозоль О.МДуртсва дост некоторую допонптслькую раскачку бьефов, котерая-отсутствует в натуро вследствие гашония воян в. глубокой аванкаморе насосной станции.

ВЫВОДИ

1. Дальнейшее развитие орошаемого земледелия в условиях жесткого дефицита водных ресурсов возможно и целесообразно при совершенных методах управления я оптимизации водораспреде-ления на оросительных системах.

2. Наиболее сложным с точки зрения динамики гидравлических процессов являются оросительные системы машинного водоподъема. В каналах с насосными станциями в режиме управления машинными агрегатами и гвдротехничеокими сооружениями образуются длительные переходные процессы и волновые явления.

3. В результате натурных исследований нестационарных процессов на действующих оросительных системах детально изучена физика явления и систематизированы гидравлические характеристики водных потоков в различных режимах эксплуатации насосных станпий. Результаты экспериментов заложены в оонову рекомендаций по примете шиз математических моделей и разработке методов

расчета пероходных процессов в машинных каналах.

4. Системный анализ существующих математических моделей нестационарных процессов с последующим сопоставлением результатов числошшх расчетов с экспериментальными данными позволил определить наиболее оптимальные подхода к методам расчета гидравлических параметров водного потока в машинных каналах.

5. Многократные проверки результатов математического моделирования (численных расчетов на ЭВМ) по методу О.М.Чурмаева и В.Л.Рожанского на действующих оросительных системах показали удовлетворительное соответствие результатов.

По темо диссортании опубликованы следующие работы:

1. Иостационарнио процессы в каналах с насооными станциями. - Гидротехническое строительство. - М., Зноргоатомиздат, 1990 г., )5 V (в соавторстве).

2. Экспериментальные исследования водозаборных сооружений на оросительных каналах. - Сб. трудов 1-го съезда гидроэкологов. - !.!., ПО "Совпнтервод", 1990 г.

3. Совершенствование водораспределешш на открытых оросительных системах машинного водоподъема. - ¿рунзе, 11лим, 1989 г., 220 с. (г соавторстве).