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

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ЩДРОШИОРАТИВНЫЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

МАРДИНИ Джак Ханкн

УД1{ 626/627:532.5

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ РАСЧЕТА КРЕПЛЕНИЯ НЕННИХ БЬЕФОВ ВОДОПРОПУСКНЫХ СООРУЖЕНИЙ НИЗКО- И СРЕДНЕ-НАПОРНЫХ ГИДРОУЗЛОВ С УЧЕТОМ ЭФФЕКТОВ ЛОКАЛЬНОЙ НЕ-СГАЦИОНАРНОСТИ ТЕЧЕНИЙ

05.23.07 - Гидротехническое и гидромелиоративное строительство

Автореферат диссертации на соискание ученой степени каодвдата технических наук

Москва 1992

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

Научный руководитель Официальные оппоненты:

- кандидат технических наук, доцент В.А.ФАРТУКОВ

- доктор технических наук, профессор Д.З.ШТЕРЕНЛМХТ

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

Ведущая организация: Производственное объединение Совинтерв<

Защита состоится "_"___._1992 г. в_часо]

на заседании специализированного совета К 120.16.С/1 в Московском ордена Трудового Красного Знамени гидромелиоративно] 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

УЧЕНиИ СЕКРЕТАРЬ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОГО СОВЕТА К 120.16.01 кандидат технических наук, доцент

С.Е.КУЗЬМИН

СЕДАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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

Опыт эксплуатации показыгаег, что данные сооружения конструкции нижнего бьефа недостаточно надежны. Результатом этого являются слз'чаи размыва и разрушения крепления в пределах. рисбер.м, что приводит к аварии сооружений. Исходя из птого, дальнейшее сорершенствопание методов расчета и проектирования конструкций нижнего бьефа актуально. С целью более полного учета факторов-, влияющих на работу конструкций нижнего бье-М, а также возникающих при этом аффектов взаимодействия водного потока с элементами крепления необходимо рассмотреть возникающие гидравлические явления, с проведением лабораторных 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 не-етациснарнссги.

Научная новизна:

- исследована математическая модель гидравлики потока нижнего бьефа на основе уравнения Сен-Венана, предсгавленно1 в редукционной форме;

- установлена качественная картина влияния микро- и ма1 ротурбулентности на нестационарность потока и автоколебател: ность процесса;

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

- получены амплитудно-частотные характеристики потока при нестационарности потока;

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

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

Практическая ценность;

- разработанные на основс проведенных эксперимснталы-и математических исследований рекомендации позволяют осущес вить прогноз возникновения-и развития волновых процессов в границах крепления нижнего бьефа при рассмотренных условия: сопряжения потока, а также оценить вклад последних в общий ансамбль нагрузок .воздействующих на крепление;

- приведенные в работе зависимости позволяют расечита' толщину крепления плит рисберм с учетом нагрузок, возникаю

I 5

при нестационарности, потока.

Апробация работы. По теме диссертации написаны 2 статьи. Основные положения диссертации докладывались на заседаниях кафедры ГТС ШЛИ и на научно-технических конференциях МГМИ ( 1*590-91 гг.). '

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав,. выводов, списка использованной литературы, насчитывающего 149 наименований. Работа содержит 130 страницу машинописного текста, 38 рисунков и 8 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Ео введении обоснована актуальность теш диссертации, (Лорлулированы ее цель и задачи исследований, показана научная новизна работы.

В первоГ; главе приводится обзор литературы, содержащей ин^ортнии об обнаруженных эффектах локальной нестаиионарнос-1и потока в нижних бьефах водопропускных сооружений. На оснь-г" аналитического обзора литературных источников сделан выгод о влиянии факторов волнового характера на гидравлические условия роботы участков гашения избыточной.энергии низко- и средненапорных гидроузлов. Отмечено, что большинство исследователей и проектировщиков ранее практически не учитывали эти явления при расчетном обосноЬании 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 никнем бьефе. Важнейшей особенностью любых турбулентных течений является неповторяемость 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 'сЛуЧёйШ№ вЛЕДеТв.чя при детерминированной причине. При построений математических моделей турбулентного движения жидкости Имеется определенная свобода введения дополнительных гипотез о вероятностных характеристиках параметров турбул&нтных течений. За основу взята система ура в нений мелкой воды в приближенной форме Сен-Венана, причем эта система уравнениЛ рассматривается в дивергентной форме, которая позволяет охватить и так называемые разрывные решения. Эти уравнения имеют вид:

. / зо. ■/ (ау)

+

Ъ- <эс 2 <?Х ах

+ - ¿о)-0 ( I )

дО Э\ы

+ —

Эх ы

= Ъ ( 2 )

где (2 - расход потока через сечение площадью

Ь - глубина потока;

V - средняя по сечению скорость потока; оС0 - корректив количества движения потока;

Л о - уклон дна; •

4( - уклон гидравлических сопротивлений; ^ - интенсивность путевого и^менония расхода. Применим эту систему к неподвижному гидраялическому прыжку'на горизонтальном гладком водобое, и-после ряда оперший; получим:

.¿.(1,,^) _____^ . Ь> - К?

ЗИЛ М { Н '

{ 3 )

_2_. I- = 3 _ 7 ( 4 )

где - первая сопряженная глубина;

- вторая;

I - длина прыжка;

удельный .расход в сжатом сечении;

- удельный расход в нижнем бьефе;

- осредненная вторая сопряженная глубина.

Порченная'система уравнений ( 3 ) и ( 4 ) представляет

основную систему нестационарного режима движения потока и зоне прыжкового сопряжения.

В третьей гла:'е рассматриваются основные результаты решения уравнений математической модели нестационарного режима течения потока в нижнем бьефе и >1сжет быть решена двумя путями: аналитическим использованием метода малого параметра и численным методом. ' - .

В первой части главы мы рассматривали аналитический путь' ^шения с использопянием метода малого параметра и после ряда математических операций для уравнений (3) и (4) получили:

в

г

i К

----4 ( & )

г=

* ' tJ ' L

Очевидно, что уравнение ( 5 ) являегся шаяяягческлм решением уравнения нестационарного режима течения потока в нижнем бьефе,

" Анализ и опыт практических расчетов покваывг.гт,, что использование полученного уравнения ( Ь ) при решении конкретных задач гидрпвлики нижнего бьефа носит весьма труд омский характер. В связи с этим целесообразно 'рассмоча«!«. зла»'»-гичным образом второй путь решения - численный-

Для решения полученной системы дифференциальных урпрнснн? описывающих нестационарный процесс йодного потока в -шпенем бьефе, была применена программа явного метода Руиго-Кутте., основанная на формулах Дормана и Прйнса с автоматическим управлением длиной шага t< и переменным порядком. Данная программа применима при всех уровнях точности (1С '.. ЛС"°Ч ). Исследуемая модель состоит из водосброса с двухлролетным гладким водобоем, длиной участка нижнего бьЫа L - -U и, максимальным расходом 7С0 . й Е> шириной отверстия

-9 = 22,5 и.

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

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

И четвертой главе приведены экспериментальные исследования работы нижних бьебол водопропускных сооружений низконапор-!«::< речных гидроузлов, которые проводились в лаборатории водо-сбрс снн'< и водозаборных сооружений кафедры гидротехнических гооружяний Московского гидромелиоративного института.

Исследуемая модель была смонтирована в специальном гид-раглическом лотке и представляла,собой водосброс существующего Су{екого гидроузла, выполненного в-масштабе 1:70 (рис.4). Она била нами принята в качестве исследуемой, т.к. условия работы -этого водосброса отвечали всем требованиям задачи, поставленной в нашей работе. Моделирование рассматриваемых явлений осуществлялось по Зруду.

Измерения величин'волнового процесса в нижнем бьефе производились с помощью специального датчика диаметром 30 мм. Через у. г следуемое сооружение пропускались расходы в диапазоне 12.2... 31..'' л/с,, что соответствовало расчетным натурным наводков&м расходом оОО.,.1ЬОО м3/сек.

До я после проведения измерений датчик тарировался при прямом и обратном худе, нагрузок на него.

В каудом створе производилась регистрация датчика не магнитную ленту магнитографа со средней продолжитпьнсстыо примерно 60 секунд,с параллельным визуальным контролем хода регистрации на электронно-лучевом осциллографе. Общее количество порученных записей составило 15.-Эти записи в дальнейшем были обработаны на. ЭЗК "С.М-1803 .03" по специально разработанной

программе. В итоге при кажв.ом режиме был получен ряд характеристик. В резул.'^ате статической обработки били определены осредненные амплитуды в зоне второй сопряженной-глубины с пересчетом полученных значений на натурный объект.

Анализ результатов, полученных г помощью численного ¡е-шения уравнений математической модели, покьзал, что режим течения водь; в нижнем бьефе рассматриваемого гидроузла хп ,ак теризуется наличием автоколебательного процесс а зволт.ции свободной поверхности потока. Причем, в тексте главы нами быль-показано, что этот режим имеет место при следующем диапазоне Изменения относительных величин ¡«схода, протекающего через водосливную плотину - (0,1... 0,4) Отп. При. дгиИ-неУыт уы личинки величины проходящего через сооружение расхода ото явление исчезает. Очевидно, что наличие данного явления можот бить объяснено присутствием макро- и микрсгур^улентностпу, ксто-рые изменяют свои абсолютные величины характеристик течения и их соотношения между собой в зависимости от.величины »¡отекающего расхода (рис.Ь...10). Как видно из приведенных рисунке:, изменение ширины отверстия & от 16,Ь до 2С метр:г, т.е. примерно в 1,4 раза,не изменило частоту волн.

. Кроме того нам анализ показал, что ширина отверстия 3 оказывает существенное влияние на амплитуду возникавших волн.

• При расходах, протекающих через водосливную плотину и равных по величине О У 0,Ь , данное явление доволь-

но-таки интенсивно затухает, а затем перестает иметь место.

Сопоставление данных, полученных опытным и теоретически!» 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 экспериментальных данных определения относительной величины амплитуды в зоне второй сопряженной глубины гидравлического прыжка

Q, м3/с !

ib г:чечет I 11

! * опыт I ра«0*-j дения

1 <--СО 0,83 0,75 10

ш:с ' ■ 'М 1,08 1,16 7

] СС G t,3. 2,19 1,97 II

7С0 ■ 2,71 ' 2,44 10

ьоо 4,5 2,t6 ' ; 2,за ■ И

Дальнейший анализ позволил установить, что на величину интенсивности нарастания оказывает влияние число Фруда ¡~<г . Ьго изменение в сжатом сечении в 4 раза приводит к увеличению относительной осредненной амплитуды в зоне второй сопряженной глубины примерно в и раз (рис.121. Изменение числа Фруда в зоне второй сопряженной глубины приводит к резкому сжшлшю относительной величины амплитуды; например,

изменение ^ от 0,2Ь до 0,38 приводит к снижению от 0,6 до 0,1 ( рис.13). •

Полученные результаты сопоставления лабораторных исследований с данными численных расчетов показали наличие полно-вых явлений на свободной поверхности потока в з.оно гидравлического прыжка, а также 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 гы-сот образующихся при этом юлн.

Вполне естественно, что настоящее исследование является первым шагом в решении поставленной проблемы. В рамках нашей работы впервые показано наким 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 бьс-фе.

Рассматривалась малопролетная водосливная плотина г др\м отверстиями; шириной одного пролета в свету состагляла 1С г/, толщина бычка была равна 2,5 м. Расчетный напор т0 = 13,1'м, расход 0_ = 700 мг/сек. Первый расчет параметров водобойной плиты был осуществлен по методам ВНИИГ, второй - с применением предложенного в настоящей работе метода учета явлении нестационарности в нижнем бьефе.

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

Так в рассмотренном, примере плита водобоя ( рис Л 4)

олжна бьть толще на 22"?, первая плита рисбермы - на 2В?., а торая плита - на 7Ю ( в среднем по креплению - на 40'/.).

Очевидно, что по-результатам одного расчета нельзя су-ить в целом о целесообразности или нецелесообразности вы-олнения обсуждаемых прогностических расчетов. Однако доста-очно вссомнс аргументы для этого в наи'ей работе были полу-

Ы Ш .

В Ь. Б 0 Д Ь

1. На основании анализа изученности проблемы и литера-У}Н|'.х источников других апгорсп установлено присутствие мсний волнового характера течения поды в зоне гидра мяче-^и 1'о прыжка низко- и средненапорных гидроузлов. Отмечено, го абсолютное большинство исследователей и проектировщиков ряктически не учитывают эти явления при расчетном обоснова-:ч1 сооружений и креплений нижнего бьефа.

2. На основе уравнений Сен-Бснана составлена.математиче-кпя модель расчета нестационарного режима течения в нижнем ьефе. низко- и средненапорных гидротехнических сооружений,

3. Установлено, что при расходах, проходящих через эдосливнуп плотину и составляющих до 0,40 йтп, в нижнем ьефе возникает нестационарный режим течения, проявляющийся возникновении волн на свободной поверхности, носящих авто-;лебательннй характер.

4. На основе решения уравнений математической модели элучены качественные и количественные параметры неуствно-5висгося режима течения воды в нижнем бьефе гидроузла.

5. Экспериментальная проверка, выполненная на модели .

водосброса Сурского гидроузла, показала, что при расходах до 0,4 0„ак 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 ностационарности оказывает число ^с

в сжатом сечении; рост />с' в четыре раза ведет к увеличит* относительной амплитудой в зоне второй сопряженной глубины Ьг в шесть раз. Возникновение волнового характера свободной понц ности пыражается в образовании волн, амплитуда которых достиг-' ет зн&чений (С',4... 0,7) Ь? . Одновременно'отмечено отсутстпн влияние на частоту этих волн значений пропускаемых расходов воды. Величина амплитуд волн зависит как от значений пропуска* мых расходов, так и от относительных отверстий 8 .

7. Разработанная в рамках настоящей работы методика ¡уточнения применяемых в настоящее время методов расчетного обоснования параметров креплений нижнего бьефа позволила установить что ее использование вносит до^аточно существенные корректив! в размеры плит водобоев и рисберм прежде всего за счет уточнения действующих на последние нагрузок ( при расходах до 0,4 0. Этот факт рассматривается нами как весомый аргумент целесообразности у^ота обнаруженного явления.

Проведанные нами исследования показали, что'эффекты лока. ной не-стационарногти течений в нижних бьефах низко- и средне-напорных водопропускных сооружений до настоящего времени

1Ь

крайне слабо и их необходимо продолжить. В связи с этим н'м представляется целесообразным развивать зти исследования по с.'.'.дуилдш направлениям:

- разработка модифицированных математических моделей,

ре шение уравнений которых позволило бы не только отслеживать т; он с формацию параметров течения и свободной поверхности потока, но и прогнозировать возможные пути оволюции поверхности ¡очного дна ниже крепления в процессе размывов;

- осуществление специальных исследований, имеющих своей целью уточнение параметров кинематической у. турбулентной стр: кт.., ры потока в рассматриваемых нами случаях;

- провидение лабораторных гидравлических исследований,

"■; ;,1'ленных на выявление факторов влияния эффектов локальной ш■( тационарности. на процессы местных и общих размывов, на га-н.аип: избыточной энергии потока в случае приме -зния различных гипс в гасителей энергии, на плановую устойчивость течения при !азяпчных схемах маневрирования затворами, на возникновение ( б. иных-течении;

- выявление особенностей проявления эффектов локальной !л стм'иснарности при использовании различных схем сопряжения '¡1.1 !ор .- донного и поверхностного режимов, отброса струи;

гч ( нка влияния этого явления на эффективность работы 'гидроэнергетического оборудования;

-- разработка рекомендаций по расчетному обоснованию пара->/с-?рор креплений нижних бьефов с учетом .возникновению локальных о стационарностей на гсех зтапах расчета - от гидравлического и гидродинамического обоснования размеров плит водобоя и рисберм до сценки требуемых мероприятий по снижению и дополнительней стабилизации дна и откосов на лослепрзыжкошм участке. ■

s

Он

о s pl.

" и

л о 6.0 1 5.0 4.0 30

. го 1.0

t

а-726.00 «ус« is 8=26.50» Fr.« 11-54

о to ы го 40 sa 60 ?о go so m

Рис. 10

О-расчетное решение «-эксперимент

0 4 8 iz 16 20 24 28 32 3s « --Fr,

0.7 0.6

Ъ 05

0.4 0.5 0.2 0.1

1

ч\

V

1

о.1 • а.г о.з о.4 0.5

-- У^Г

Риг. 13

о

0 -численное решение 9 - эксперимент

7иящинм, М/ГуЧанНЬ'* » соотяетгтч / с |*еюдом '¡нииг

П^ЛОЖСНИ« П1ДС1Квв( ' 1 8 ¡'чч -■»■ . и',:*

■1С. 14. Расчетная схема участка крепления ( размеры в м)