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

кандидата технических наук
Мардини, Джак Ханин
город
Москва
год
1992
специальность ВАК РФ
05.23.07
Автореферат по строительству на тему «Совершенствование методов расчета крепления нижних бъефов водопропускных сооружений низко- и средне-напорных гидроузлов с учетом эффектов локальной нестационарности течений»

Автореферат диссертации по теме "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