автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Совершенствование методов расчета крепления нижних блоков водопропускных сооружений низкосредненапорных гидроузлов с учетом эффектов локальной нестационарности течений

/ «*

КСКОВСКИП ОРЛЕНА. ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНШНИ П !ДР01.ЕЛИСРА.Т ИВШП ИНСТИТУТ

На правах рукописи

МАРД1НИ Джан Ханин

УДК £26/627:532.5

ССБЫШГСТЗОЗАНИЕ МЬТОДСВ РАСЧЕТА КРЕПЛЕНИЯ НШШХ БЬ^5СВ ЕСДОПРОПУСИШХ СООРУЖЕНИЯ НИЗКО-1-1 С1-'ЬДй1НАПСГШХ ГИДРОУЗЛОВ С УЧЕТОМ Э5ФНКТ0В

лскл::ьнса иестациснарнссти течений

Со.23.С? - 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 ¿нацени гидромелиоративного института

Научный руководитель - кандидат технических наук,

доцент В.А.ФАРТУКОВ

Официальные оппоненты: - доктор технических наук,

профессор A.B.ffiTEFEIUILXT

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

Ведущая организация: Производственное объединение Совинтервод

Занята состоится " J?/) " . О £ 1992 г. в ftp часов на заседании-специализированного совета К IiO.Ib.GI б ыос-ковскои 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 " О? " • _1992 года'

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОГО СОВЕТА К 120.16.01 кандидат технических наук, доцент

С.Ь.КУЯЬЬКН

СБЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТк

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

Опыт оксплуатэпии показывает, что данные сооружения конструкции нижнего бьефа недостаточно надежны. Результатом итого являются случаи размыва и разрушения крепления в пределах рисберм, что приводит к аварии сооружений. Исходя из птого, дальнейшее совершенствование методов расчета и проектирования конструкций нижнего бьефа актуально. С целью более полного учета факторов-, влияющих на работу конструкций нижнего бьеЬа, а такте возникакгдих при этом эффектов 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 ьэртину потока и не позволяют провести весь комплекс расчетов по определению основных параметров потока в условиях нестационарное™.

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

д.ч.сс.яациЖ

плотин низкого и среднего напоров, работающих в условиях нестационарности .

Научная новизна:

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

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

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

- получены амплитудно-частотные характеристики потока при нестационарными потока;

- определены условия, приводящие к возникновению автоколебательного режима течения потека в никнем бьефе;

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

Практическая ценность:

- разработанные на основе проведенных экспериментальна 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 р обвдй ансамбль нагрузок воздействующих на крепление;

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

при нестационарности, потока.

Апробация работы. По теме диссертации написаны 2 статьи. Основные положения диссертации докладывались на заседаниях к-тТ'едры ГТС МГ'МИ и на научно-технических конференциях МГМИ

( 1690-91 гг.).

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

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЕ

Ео введении обоснована актуальность теш диссертации, I -¡орлулированы ее цель и задачи исследований, показана научная новизна работы.

'В первоГ: главе приводится обзор литературы, содержащей 1:н1ор.Ш!Шп об ибнаруяенных эффектах локальной нестапионарнос-1я потока в нижних бьефах водопропускных сооружений. На оснь-г> аналитического обзора литературных источников сделан вывод о влиянии факторов волнового характера на гидравлические условия работы участков гашения избыточной энергии низко- и с[<?дненапорных гидроузлов. Отмечено, что большинство исследователей 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 ога-них и тех же краевых и начальных условиях. Кроме того рассматриваемый процесс может быть охарактеризован рядом других свойств. Например, изменением интенсивности перемени панин, ростом диссипативности и прочие. Эти свойства существенны для технических приложений и расчетов турбулентных течений. Турбулентные течения имеют сЛуЧЬЙИиё кЛВДсТвмя при детерминированной причине. При построении математических моделей тур^у-лентного движения жидкости Имеется определенная свобода введения дополнительных гипотез о вероятностных характеристиках параметров турбул&нтных течений. За основу взята система уравнений мелкой воды в приближенной форме Сен-Венана, причем эта система уравнений рассматривается в дивергентной форме, которая позволяет охватить и так называемые разрывные решения. Эти уравнения имеют вид:

< за. „ у р(*г ^ л ,. , т ,

р* * (II

В К. д*

дО , д\ы

+

вх

Ь ( 2 )

где - расход потока череа сечение площ«"здь«>

Ь - глубина потока;

•V - средняя по сечению скорость потока; &-0 - корректив количества движения потока;

<ф - уклон дна; •

- уклон гидравлических сопротивлений; интенсивность путевого изменения расхода. Применим'эту систему к неподвижному гидравлическому прыжку па горизонтальном гладком водобзе, и после ряда опе-ргпшП получим:

зЪЛ «К

_2_. I 3

ъ

с/ Ьа о Ч

* 2 4

У ^'-ко

( з )

•( 4 )

где 'ч - первая сопряженная глубина;

Ь? - вторая;

/- - длина прыжка;

- удельный .расход в сжатом сечении;

- удельный расход в нижнем бьефе;

Ь2осредненная вторая сопряженная глубина. Порченная система уравнений ( 3 ) и ( 4 ) представляет с с бе,:"! основную систему нестационарного режима движения потока в понп прыжкового "опряжения. . •

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

В первой части главы мы рассматривали аналитический путь' {ешения с использованием метода малого параметра и после ряда математических операций для уравнений (3} и (4) получили:

♦ к

(&)

где: А = Уо [о]

ы

%

Ь --

Очевидно, что уравнение ( Ь ) является гташат^кскт решением уравнения нестационарного режима течения потока в нижнем бьефе.

Анализ и опыт практических расчетов пок-ады-васт, что использование полученного уравнения ( 5.) при решении конкретных задач гидравлики нижнего бьефа носит весьма трудоемкий характер. В связи с этим целесообразно рассмот^еч^ а»»зк>~ гичным образом второй путь решения - численны"..

Для решения полненной системы дифференииальнкч у].прнст:г описывающих нестационарный процесс водного поток« и «шк;м бьефе, была применена программа явного метода Рунге-Кутта., основанная на формулах Дормана и Прйнса с автоматическим управлением длиной шага ¿< и переменным порядком. Данная программа применима при всех уровнях точности (10"*".. 1С Исследуемая модель систииг из водосброса с дпухпрслстным гладким водобоем, длиной участка нижнего бьефа I- - 44 м, максимальным расходом 7С0 "Vс й 3 шириной отверстии & = 22,5 м.

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

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

В четвертой главе приведены экспериментальные исследования работы нижних бьефов водопропускных сооружений низконапор-инх речных гидроузлов, которые проводились в лаборатории водо-сП[ч еннх и водозаборных соор."жений кафедры гидротехнических сооружений Московского гидромелиоративного института.

Исследуемая модель была смонтирована в специальном гидравлическом лотке и представляла собой водосброс существующего Сурского-гидроузла, выполненного в масштабе 1:70 (рис.4). Она била нами принята в качестве исследуемой, т.к. условия работы отого водосброса отвечали всем "ребоЕаниям задачи, поставленной в нашей работе. Моделирование рассматриваемых явлений осуществлялось по '?руду. '

Измерения величин'волнового процесса в нижнем бьефе производились с помощью спеииального датчика диаметром" 30 мм. Через исследуемое сооружение пропускались расходы в диапазоне 12.2... Гм. .1' л/с, что соответствовало расчетным натурным паводковым ¡ ■исходам ;>00... 1500 м3/сек.

До к после приведения измерений датчик тарировался при прямом и обратном ходе нагрузок На него.

В какдом створе производилась регистрация датчика на магнитную ленту магнитографа со средней продолжительностью примерно ЬО секунд,с параллельным визуальным контролем хода регистрации на электронно-лучевом осциллографе. Общее количество порученных записей составило 45. Эти записи в дальнейшем были обработчик на. ЭВ.\; "СУ-1603.03" по специально разработанной"

программе. Б итоге при каилом режиме был получен ряд характеристик. В результате статической обработки были определены . осредненные амплитуды в зоне второй сопряженной- глубины с пересчетом полученных значений на натурный объект.

Анализ результатов, полученных с помощью численного решения уравнений математической модели, показал, что режим' течения воды в нижнем бьефе рассматриваемого гидроузла лО;,ш; териауется наличием автоколебательного процесса эволюции свободной поверхности потока. Причем, в тексте главы нами билю показано, что отот режим имеет место при следующем диапазоне.' изменения относительных величин расхода, протекающего через водосливную плотину - (0,1...0,-4) Оты. При.дпльнейыеч.; удлинении величины проходящего череа сооружение расхода зто явление Исчезает. Очевидно, что наличие данного явления может- бить объяснено присутствием макро- и микротурбуленгносто?, ксторы е изменяют свои абсолютные величины характеристик течения и их соотношения между собой в зависимости от .величины щ отекающего расхода (рис.Ь,. ,10), Как видно из приведенных рисунке.:-, изменение ширины отверстия £> от 16,Ь до метрег, т.е. примерно в 1,4 рапа,не изменило-частоту волн.

. Кроме того наш анализ показал, что ширина отверстии 3 оказывает существенное влияние на амплитуду возникающих воли.

При расходах,, протекающих через водосливную плотину и равных по величине О У 0,Ь б?тех , данное явление доколь-но-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 натух^у, с данными расчетов, получении^, 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

О, и'/с ! Ни!,

}) насчет

ь

н опыт

! * I расхож) дения

ЬОО 121. С 1С! С С 7 С С 6 СО

8,Ь '7,1

4,Ь

0,83 1,06 2,19 2,71 2,ь6 '

0,75 1,16 1,97 2,44 2,38

10 7 .II 10 ■ II

Дальнейший анализ позволил установить, что на величину интенсивности нарастания оказывает влияние число Фруда у . Его изменение в сжатом сечении в 4 раза приводит к увеличению относительном осредненной амплитуды в зоне второй сопряженной глубины примерно в I, раз (рис.12). Изменение числа Фруда в зоне второй сопряженной глубины приводит к резкому снижению относительной величины амплитуды; например,

изменение Яг- 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 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 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 инструкции водобойной плиты на устойчивость с учетом гидродинамических нагрузок и нестационарных явлений г нижнем бьс-фс.

Рассматривалась малопролетная водосливная плотил с дглуя отверстиями; шириной одного пролета в свету составляла 1С м, толщина бычка была равна 2,5 м. Расчетный напор Т0 = 13,0м, расход <2 = 700 мэ/сек. Первый расчет параметров водобойной плиты был осуществлен по методам'ВНИИГ, второй - с применением предложенного в настоящей работе метода учета ¿тления 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 Л 4)

должна быть толще на 22"?, первая плита рисбермы - на а

вторая плита - на '7С% ( в среднем по креплению - на 40$).

Очевидно, что по-результатам однг-го расчета нельзя судить в целом о целесообразности или нецелесообразности выполнения обсуждаемых прогностических расчетов. Однако достаточно весомые аргументы для этого в наткзй работе были получены.

В Ь. В О Д Ь

Т. На основании анализа изученности проблемы и литератур нкх источников других авторов установлено присутствие явлений волнового характера течения воды п зоне гидравлического прыжка низко- и средненапорных гидроузлев. Отмечено, что абсолютное большинство исследователей и проектированной практически не учитывают эти явления при расчетном обосновании сооружений и креплений нижнего бьефа.

2. На основе уравнений Сен-Бснана 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 составляющих до 0,40 (2„„ , 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 воды в нижнем бьефе гидроузла.

5. Экспериментальная проверка, выполненная на модели.

водосброса Сурского гидроузле., показала, что при расходах до 0,4 Qmai 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 11%.

6. Экспериментальные исследования показали, что существенное влияние на параметры свободной поверхности при возникновении рассматриваемой ностационарности оказывае;т число f~re

в сж&том сечении: рост /vc в четыре раза ведет к увеличению относительной амплитудой в зоне второй сопряженней глубины Ьг в шесть раз. Возникновение волнового характера свободной поверхности выражается в образовании волн, амплитуда которых достигает значений (С1,4...0,7) h2 . Одновременно отмечено отсутстпи-влияние на частоту этих волн значений пропускаемых расходов воды. Величина амплитуд волн зависит как от значений пропусканных расходов, так и от относительных отверстий В . .

7. Разработанная в рамках настоящей работы методика утомления 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 факт рассматривается нами как весомый аргумент целесооб- . разности учета обнаруженного явления. ' .

Лрсведеиные нами исследования показали, что эффекты локальной нестационарноогк течений в нижних бьефах низко- и средяе-непорных водопропускных сооружений до настоящего в] •чмени илучоьч

крайне слабо и их необходимо продолжить. В связи с этим н>м представляется целесообразным развивать эти исследования по с/^дуц-цим направлениям:

- разработка модифицированных математических моделей, решение уравнении которых позволило не только отслеживать чр ансформацию параметров течения к свободной поверхности потока, но и прогнозировать возможные пути эволюции ловерхнос-ти (очного дна ниже крепления в процессе размывов;

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

- проведение лабораторных гидравлических исследований,

ч • ! г.тленных на выявление факторов слияния эффектов локальной !Нч тациснарности. на процессы местных и общих размывов, на-га-п;1Л!1н/ избыточной оперши потока в случае приме зния различных типов гасителей энергии, на плановую устойчивость течения при 1 наличных схемах маневрирования затворами, на возникновение < б,-¡'шых- течении;

--выявление особенностей проявления эффектов локальной ¡;( стационарности при использовании различных схем сопряжения '¡'.с!ор .- денного а поверхностного режимов, отброса, струи; ом нка влияния этого явления на эффективность работы'гидроэнергетического оборудования;

-- разработка рекомендаций по расчетному обоснованию параметров креплений нижних бьефов с учетом ,возникновению локальных н'-о.тоционарностей на гсех этапах расчета - от гидравлического и гидродинамического обоснования размеров плит водобоя и рисберм до оценки требуемых мероприятий по снижению и дополнительней <табилизации дна и откосов на послепрыжкопом участке.

F'.'.c .С

i,с

Рис. О

£.0 1 5.0 10 30 2.0 1.0

IT*

1-

Il Q*726.00*>/«« 8=26.50»

0 10 2ü 30 -»0 5 O 6Q 70 80 30 100

T сек

Рис, 10

h/bM

I. >

/ < t

\ß ù

I

1

1 i • 1

О-расчетное решение ©-эксперимент ■

о 4 а к к га 24 я J2 3S 43 --Frc

t-У.С.-

tyh,e

o.i

Q - численное решение

©■эксперимент

0.2 0.5

0.4 0.5

— . л/ТГг

Риг. 13

Гис. 14. Расчетная схема участка крепления ( размеры р м)