автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Совершенствование методов расчета крепления нижних бъефов водопропускных сооружений низко- и средне-напорных гидроузлов с учетом эффектов локальной нестационарности течений

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ЩДРОМЕЛИОРАТИВНЫЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

МАРДИНИ Джак Ханин

УДК 626/627:532.5

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ РАСЧЕТА КРЕПЛЕНИЯ НИКНИХ БЬЕФОВ ВОДОПРОПУСКНЫХ СООРУЖЕНИЙ НИЗКО- И СРЕДНЕ-НАПОРНЫХ ГИДРОУЗЛОВ С УЧЕТОМ ЭФФЕКТОВ ЛОКАЛЬНОЙ НЕСТАЦИОНАРНОСТИ ТЕЧЕНИЙ

05.23.07 - Гидротехническое и гидромелиоративное строительство

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1992

Работа выполнена на кафедре гидротехнических сооружений Московского ордена Трудового Красного Знамени гидромелиоративного института

Научный руководитель - кандидат технических наук,

доцент В.А.ФАРТУКОВ

Официальные оппоненты: - доктор технических наук,

профессор Д.В.ШТЕРЕНЛИХТ

- кандидат технических наук, старший научный сотрудник Б.Б.ДВОРКИН

Ведущая организация: Производственное объединение Совинтерво;:

Защита состоится "_"___1992 г. в_часов

на заседании специализированного совета К 120.16.01 в Московском ордена Трудового Красного Знамени гидромелиоративном институте по адресу: 127550, Москва, ул.Прянишникова,19.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского ордена Трудового Красного Знамени гидромелиоративного института.

Автореферат разослан "_"_1992 года

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОГО СОВЕТА К 120.16.01 кандидат технических наук, доцент

С.Е.КУЗЬМИН

Г. :•• • '

■

3

сбцая характеристика работы

Актуальность проблемы. Одним из важнейших этапов проектирования гидроузлов, включающих в спои состав водосливную .плотину, является разработка и расчетное обоснование конструкции устройств нижнего бьефа при условии максимального гашения избыточной энергии потока, предотвращения сбойности течения и условиях маневрирования затворами и несимметричных сбросов.

Опыт эксплуатации показывает, что данные сооружения конструкции нижнего бьефа недостаточно надежны. Результатом :>того являются случаи размыва и разрушения крепления в пределах рисберм, что приводит к аварии сооружений. Исходя из , этого, дальнейшее совершенствование методов расчета и проектирования конструкций нижнего бьефа актуально. С целью более полного учета факторов-, влияющих на работу конструкций нижнего бье?а, а такте возникающих при этом эффектов взаимодействия водного потока с элементами крепления необходимо рас-скот]еть возникающие гидравлические явления, с проведением пбораторных исследований.

Применяемые в настоящее время методы расчета креплений нижнего бьефа недостаточно полно учитывают сложную гидравлическую картину потока и не позволяют провести весь комплекс расчетов по определению основных параметров потока в условиях нестационарности.

Цель работы заключается в совершенствовании на основе теоретических и экспериментальных исследований методики расчетов конструкций крепления нижнего бьефа водосливных

плотин низкого и среднего напоров, работающих в условиях нестационарности .

Научная новизна:

- исследована математическая модель гидравлики потока нижнего бьефа на основе уравнения Сен-Венана, представленного в редукционной форме;

- установлена качественная картина влияния микро- и макротурбулентности на нестационарность потока и автоколебательность процесса;

- получены качестренные данные, учитывающие возникающую дополнительную нагрузку на крепление нижнего бьефа в случае нестационарности потока; *

- получены амплитудно-частотные характеристики потока при нестационарности потока;

- определены условия, приводящие к возникновению автоколебательного режима течения потока в нижнем бьефе;

- получены результаты экспериментальных исследований дающие качественную и количественную опенку гидравлики поток; в нижнем бьефе.

Практическая ценность:

- разработанные на основе проведенных экспериментальны и математических исследований рекомендации позволяют осуществить прогноз возникновения и развития волновых процессов в границах крепления нижнего бьефа при рассмотренных условиях сопряжения потока, а также оценить вклад последних в общий ансамбль нагрузок воздействующих на крепление;

- приведенные в работе зависимости позволяют рассчитать толщину крепления плит рисберм с учетом нагрузок, воаникякщи

при нестационарное™ потока.

Апробация работы. По теме диссертации напнсаны 2 статьи. Основные положения диссертации докладывались на заседаниях кафедры ГТС МГМИ и на научно-технических конференциях ЮН ( 1990-91 гг.).

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех ^ глап, выводов, списка использованной литературы, насчитывавшего 149 наименований. Работа содер-хит 130 страницу машинописного текста, 38 рисунков и 8 таблиц.

ССДЕРлАШЖ РАБОТЫ

Ео впадении обоснована актуальность темы диссертации, ( !ог мулирозани ее цель и .задачи исследований, показана научная новизна -работы.

Т, ш.М'РоГ главе приводится обзор литературы, содержащей пнГо^мапип со обнаруженных эффектах локальной нестационарности потока в нижних бьефах водопропускных сооружений. На оснО-¡' аналитического обзора литературных источников сделан вы-

о ьлпянии факторов волнобого характера на гидравлические с.тоеия работы участков гашения избыточной энергии низко- и с■( сдненаиорннх гидроузлов. Отмечено, что большинство исследо-пателой и проектировщиков ранее практически не учитывали эти явления при расчетном обосновании рассматриваемых участков и их креплении.

На основании полученных результатов анализа была сформулирована приведенная выше цель исследований, а также поставлены задачи, решение которых позволяет достичь поставленной

цели.

Во второй главе описывается основной подход для разработки математической модели нестационарного режима течения в нижнем бьефе. Важнейшей особенностью любых турбулентных течений является иеповторяемость событий при трансформации пространственно-временных полей скоростей и давлении при одних и тех же краевых и начальных условиях.'Кроме того рассматриваемый процесс может быть охарактеризован рядом других свойств. Например, изменением интенсивности перемешивания, ростом диссипативности и прочие. Эти свойства существенны для технических приложений и расчетов турбулентных течений. Турбулентные течения имеют 'сЛуЧ&ЙНыб следствия при детерминщо-ванной причине. При построении Математических моделей турбулентного движения жидкости Имеется определенная свобода введения дополнительных гипотез о вероятностных характеристиках параметров гурбул&нтных течений. За основу влята система уравнений мелкой воды в приближенной форме Сен-Венона, причем эта система уравнений рассматривается в дивергентной форме, которая позволяет охватить и так называемые разрьвные решения. Эти уравнения имеют вид:

дО. ¿V

+

дх

= Ь ■ ( 2 )

где 0_ - расход потока через сечение площадып

Ь - глубина потока;

V - средняя по сечению скорость потока; оСо - корректив количества движения потока;

(о - уклон дна;

- уклон гидравлических сопротивлений; ^- интенсивность путевого и^мен^ния расхода. Применим'ату систему к неподвижному гидравлическому прыжку'на горизонтальном гладком водобое, и'после ряда опе-1гишГ: получим:

..£!_ .А.1 Л___¿-,¿=-¿,0 ( з )

зил- ^ 1 н 1 Ы* П

_2_. I =9-7 ( 4 )

3 Н

где ^ - первая сопряженная глубина;

- вторая;

£ - длина прыжка;

^- удельный .расход в сжатом сечении;

- удельный расход в нижнем бьефе;

Ь2- осредненная вторая сопряженная глубина.

Порченная система уравнений ( 3 ) и ( 4 } представляет ссб(,:"! основную систему нестационарного режима движения потока г< .'¡оно прыжкевоге сопряжения.

Б третьей гла;<е рассматриваются основные результаты ре-аепии уравнений математической модели нестационарного режима течения потока в нижнем бьефе и чежет быть решена двумя путями: аналитическим использованием метода малого параметра и численным методом.

В первой части главы мы рассматривали аналитический путь' 1 с::;ения с использованием метода малого параметра и после ряда .математических операций для уравнений (3) и (4) получили:

Г - А-

г

2

-Н^Нг)]2-^

где: Д -- У0 (°)

I

Г:

Очевидно, что уравнение ( Ь ) является виалязючоеким решением уравнения нестационарного режима течения ;потс*ч! в нижнем бьефе.

использование полученного уравнения ( &.) при решении конкретных задач гидравлики нижнего бьефа носит весьма трудоемкий характер. В связи с этим целесообразно рассмот^ся«, 5тил')-гичным образом второй путь решения - числсинь;"«

Для решения полученной системы дифференциальные у] прнгн;:г описывающих нестационарный процесс водного потока в «геном бьефе, была применена программа явного метода Рунго-Куттг, основанная на формулах Дормана и Принса с автоматическим управлением длиной шага ¿< и переменным порядком. Данная

—''С т 1

программа применима при всех уровнях точности (1С"'*'...1С "к ). Исследуемая модель состоит из водосброса с двухиролстнмы гладким водобоем, длиной участка нйжнего бьефа £■ = 44 м, максимальным расходом 700 Й ¿3 шириной отверстия

Анализ и опыт практических расчетов показьшао'г, что

& = 22,5 м.

Геалшзачкд решения системы дифференциальных уравнений ( 3 ) и ( 4 ) была осуществлена на персональном компьютере.

Некоторые результаты решения пречетаплены на рис.1...3.

Ь четвертой главе приведены экспериментальные исследования работы нижних бье-Тюв водопропускных сооружений низконапор-н!::< речных гидроузлов, которые проводились в лаборатории водо-с^р.сннх и водозаборных соор.,гжений кафедры гидротехнических сооружений Московского гидромелиоративного института.

Исследуемая модель была смонтирована в специальном гидравлическом лотке и представляла собой водосброс существующего С."{ского гидроузла, выполненного в масштабе 1:70 (рис.4). Она били нами принята в качестве исследуемой, т.к. условия работы .чтого водосброса отвечали всем "ребованиям задачи, поставленной в нашей работе. Моделирование рассматриваемых явлений осуществлялось ПО '«руду .

Измерения величин1волнового процесса в нижнем бьефе производились с помощью специального датчика диаметром' 30 мм. Через ::голедуемос сооружение пропускались расходы в диапазоне 12.2...

л/с, что соответствовало расчетным натурным паводковьи ] иг ходом оСО..ЛЬОО м3/сек.

гг',о :: после прэпэдения измерений датчик тарировался при прямом и обратном ходе нагрузок На него.

В каждом створе производилась регистрация датчика на магнитную ленту млгинтпграфа со средней продолжительностью примерно секунд,с параллельным визуальным контролем хода регистрации на плектроннс-лучевом осциллографе. Общее количество пс-^енных записей составило 15. Йтн записи в дальнейшем были обработаны на. ЭНМ "С?'-1803.03" по специально разработанной

программе. Б итоге при каждом режиме был полнен ряд характеристик. В резул^ате статической обработки были определены , осредненные амплитуды в зоне второй сопряженной-глубины с пересчетом полученных значений на натурный объект.

Анализ результатов, полученных с помощью численного ]с-шения уравнений математической модели, показал, что ('ежим-, течения води в нижнем бьефе рассматриваемого гидр.оузип теризуется наличием автоколебательного процесса пролкжкп с г-о-бодной поверхности потока. Причем, в тексте глары нами бьше показано, что отот режим имеет место при следующем диапазоне изменения относительных величин расхода, протекающего чо[ез водосливную плотину - (ОД...0,4) Ото*- При.дллышчлел; увеличении величины проходящего через сооружение рае-ходе зто явление исчезает. Очевидно, что наличие данного явления может быть объяснено присутствием макро- и микротурбулентносто'!1, ксте-рые изменяют свои абсолютные величины характеристик течения и их соотношения ме^ду собой в занисимогги от величины п] отекгт-щего расхода (рис.Ь...10). Как г.идно из приведенных рисунке: , изменение ширины отверстия В от 18,Ь до £(',£> уртр-г, т.1 . примерно в 1,4 раза,не изменило частоту волн.

, Кроме того наш анализ показал, что ширина етзе^етин в оказывает существенное влияние на амплитуду возникаю;;^ воли.

При расходах,, протекающих через водосливную плотину и равных по величине (Я У 0,Ь (2та* , данное явление довольно-таки интенсивно затухает, а затем перестает иметь место.

Сопоставление данных, полученных опытным и теоретическими путями, показало, что осредненные величины амплитуды, в зоне .

второй сопряженной глубины, отличались не более, чем II«. В таблице I приведены результаты сопоставления лабораторных данных, пересчитанных на натуру, с данными расчетов, полученными путем решения уравнения математической модели.

На рис. II в целях наглядности представлена биссектрис-ная схема составления расчетных и экспериментальных результатов.

Таблица I

Результаты сопоставления расчетных и окспериментальных данных определения относительной величины амплитуды в зоне второй сопряженной глубины гидравлического прыжка

О., н'/с ! [ 5, м I- I |Ь насчет ! ! " ! Ьм опыт , % ¡ расхож- | делил

1.Х0 8,Ь 0,83 0,75 10

С 7,1 1,06 1,16 7 .

IСС 0 Ь,3 2,19 1,97 II

7С0 2,71 ' 2,14 10

¿СО По 2,16 2,3В И _

Дальнейший анализ позволил установить, что на величину интенсивности нарастания оказывает влияние число £руда /"г . Ьго изменение в сжатом сечении в 4 раза приводит к увеличению относительной осредненной амплитуды в зоне второй сопряженной глубины примерно в с раз (рис.12). Изменение числа Фруда в зоно второй сопряженной глубины приводит к резкому снижению относительной величины амплитуды; например,

изменение || Р*-- от 0,2Ь до 0,38 приводит к снижению Ь2/Ьн5 от 0,6 до 0,1 ( рис.13). -

Полученные результаты сопоставления лабораторных исследований с данными численных расчетов показали наличие волновых явлений на свободной поверхности потока в з.оно гидравлического прыжка, а таьде позволили установить характеристики их интенсивности и продолжительности. Это говорит о том, что при расчетном обосновании водопропускных сооружений целесообразно учитывать это явление и определять величину Действующих нагрузок на крепление нижнего бьефа с коррекцией полученных значений последних в зависимости от результатов прогноза высот образующихся при этом волн.

Вполне естественно, что настоящее исследование является первым шагом в решении поставленной проблемы. В рамках нашей работы впервые показано каким путем такой учет может быть осуществлен. В конце главы приведен пример расчета конструкции водобойной плиты на устойчивость с учетом гидродинамических нагрузок и нестационарных явлений в нижнем бьсч] с.

Рассматривалась малопролетная водосливная плотина ( дтмя отверстиями; шириной одного пролета в свету состагляла 1С м, толщина бычка была равна 2,& м. Расчетный напор Т0 = 13,'л;, расход О. = 700 мэ/сек. Первый расчет параметров водобойНой плиты был осуществлен по методам БНИИГ, второй - с применением предложенного в настоящей работе метода учета явления нестационарности в нижнем бьефе.

Результаты расчета показали необходимость делать плиты крепления существенно толще, чем это получается при традиционно используемых методах расчетов.

Так в рассмотренном, примере плита водобоя ( рис .14)

должна быть толще на 22?, первая плита рисбермы - но 2ВТ,, а вторая плита - на 7С» ( в среднем по креплению - на АС%).

Очевидно, что по результатам одного расчета нельзя судить в целом о целесообразности или нецелесообразности выполнения обсуждаемых прогностических расчетов. Однако достаточно вссомыс аргументы для этого в напей работе были получены.

В Ь. В О Д Ы

Т. На основании анализа изученности проблемы и литера-т.у{ш-.х источников других авторов установлено присутствие явлений волнового характера течения воды в зоне гидравлического прыжка низко- и средненапорных гидроузлов. Отмечено, что абсолютное большинство исследователей и проектировщиков практически не учитывают эти явления при расчетном обосновании сооружений и креплений нижнего бьефа.

2. На основе уравнений Сен-Венана составлена математическая модель расчета нестационарного режима течения в нижнем бьефе.низко- и средненапорных гидротехнических сооружений. ■

3. Установлено, что при расходах, проходящих через водосливную плотину и составляю^дих до 0,40 0„„, в нижнем бьефе возникает нестационарный режим течения, проявляющийся

в возникновении волн на свободной поверхности, носящих автоколебательный характер.

4. На основе решения уравнений математической модели получены качественные и количественные параметры неустановившегося режима течения роды в нижнем бьефе гидроузла.

5. Экспериментальная проверка, выполненная на модели

f-

водосброса Сурского гидроузле., показала, что при расходах до 0,4 Qmoi отмеченные явления также имеют место. Сопоставление результатов численного и экспериментального определения параметров течения и характеристик возникающих волн показало их вполне приемлемое совпадение: расхождение не превышало

П%.

6. Экспериментальные исследования показали, что существенное влияние на параметры свободной поверхности при возникновении рассматриваемой нестационарносги оказывает число Frc в сжатом сечении: рост />с' в четыре раза гедет к увеличению относительной амплитудой в зоне второй сопряженной глубины в шесть раз. Возникновение волнового характера свободной поверхности выражается в образовании волн, амплитуда которых достигает значений (С',4...0,7) bj . Одновременно отмечено отсутетпн. влияние на частоту этих волн значений пропускаемых расходов воды. Величина амплитуд волн зависит как от значений пропускаемых расходов, так и от относительных отверстий В

?. Разработанная в рамках настоящей работы методика ^точ-пения применяемых в настоящее время методов расчетного обоснования параметров креплений нижнего бьефа позволила установить, что ее использование вносит достаточно существенные коррективы в размеры плит водобоев и рисберм прежде всего за счет уточнения действующих на последние нагрузок ( при расходах до 0,4 Этот (}акт рассматривается нами как весомый аргумент целесообразности учета с^нарукешюго явления.

Проведенные нами исследования показали, что оффекты локальной нестационарности течений в. нижних бьефах низко- и средне-напорных водопропускных сооружений до настоящего времени п..ум.;;::

i'jlihii'. слабо и их необходимо продолжить. В связи с этим i-пм п]составляется целесообразным развивать оти исследования но iл.дукл'.пм направлениям:

- разработка модифицированных математических моделей, решение уравнений которых позволило бм не только отслеживать т) ai le формацию параметров течения и свободной поверхности потока, но и прогнозировать возможные пути эволюции поверхности jочного дна ниже крепления в процессе размывов;

- осуществление специальных исследований, имеющих своей целью уточнение параметров кинематической и турбулентной структуры потока в рассматриваемых нами случаях;

- проведение лабораторных гидравлических исследований,

I'1 ! !л;леннь!х на выявление факторов влияния эффектов локальной ж(тациоиарности на процессы местных и общих размывов, на-га-n;i ¡пи.- избыточней снергии потока в случае приме зния различных г:.п! в гасителей онергии, на плановую устойчивость течения при 1 я;'лпчных схемах маневрирования затворами, на возникновение 1 б.-иных - течении; •

- выявление особенностей проявления эффектов локальной ¡л CTiiiuioiiapiocTi! npi использовании различных схем сопряжения '¡m. !ов .- денного и поверхностного режимов, отброса струи;

ом нка влияния 'этого явления на эффективность работы'гидро-^лргетиьч.ского оборудования;

- разработка рекомендаций по расчетному обоснованию пара-,vtTp'!i? креплений нижних бьефов с учетом возникновению локальных п. стлционарностсй на гсех этапах расчета - от гидравлического и гидродинамического обоснования размеров плит водобоя и рисберм до оценки требуемых мероприятий по снижению и дополнительней стабилизации дна и откосов на послепрыжкопом участке. ■

Т, сек

Рис Л

Q L_J Q--726.00«'/«

" ¡8 8 = 26.50» FrcE 11.54

0 10 Zu 30 40 50 60 70 80 90 100

* T, C«K

Рис. 10

О-расчетное решение в - эксперимент -

0 4 в 12 16 2Л 24 28 32 3S 40 --- Fr С

——— т 1—1

I, сек СО

Рис.9