автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Устройство нижнего бьефа с решетчатым гасителем в трапециедальных руслах трубчатых водосбросов-водоспусков

РГ6 од

2 "

БЕЛОРУССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ПОЛИТЕХНИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

УДК 626.08.(01)

ИВАНОВА ТАТЬЯНА ПЕТРОВНА

УСТРОЙСТВО НИЖНЕГО БЬЕФА С РЕШЕТЧАТЫМ ГАСИТЕЛЕМ В ТРАПЕЦЕИДАЛЬНЫХ РУСЛАХ ТРУБЧАТЫХ ВОДОСБРОСОВ-ВОДОСПУСКОВ

Специальность 05.23.07.- Гидротехнические сооружения

Автореферат

диссертации на соискание ученс. "ени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент В.М.ЛАРЬКОВ

Минск 1998

Исследования выполнены в Белорусской сельскохозяйственной академии (БСХА)

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

В.М. Ларьков

Официальные оппоненты: академик Белорусской инженерной академии

доктор технических наук Г.В.Васильченко

кандидат технических наук, доцент Н.М.Кунцевич

Оппонирующая организация - Концерн Белгипроводхоз

Зашита состоится июня 1998 г. в часов на заседанга Совета по защите диссертаций Д-02.05.10 при Белорусской государственной политехнической академии (БГПА), корп.15, зал заседаний, 7 этаж.

Адрес: 220027 г.Минск, пр-т Ф.Скарыны, 65, корп.15, кафедрг гидротехнических сооружений.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке БГПА, на кафедре гидротехнических сооружений БГПА.

Автореферат разослан мая 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета Д-02.05.10 кандидат технических наук, доцент Г. Г. Круг лов

Секретарь Совета: Т.Г. Алексеева, тел. 264-71-74

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И ТЕРМИНОВ

а - угол наклона решетки к плоскости водобоя;

аьау, а^ан.ао -масштабные коэффициенты моделирования;

А- масштабный коэффициент,

В- ширина трапецеидального русла нижнего бьефа по урезу вод Ь - ширина русла по дну;

Ь0- ширина водовыпускной трубы в начальном сечении потока; В

3 - -- относительное расширение русла;

Ьо

Вреш.-ширина решетки;

Врасч.-ширина решетки по средней линии; с10- диаметр выходного отверстия; с! - ширина балки решетки;

Рг0---число Фруда в начальном сечении на выходе труб

т - угол между стенками антисбоиного устройства,

Ф - угол между соседними балками решетки, ф-8/(п-1);

¡Лег глубина потока в начальном сечении на выходе трубы ;

Ькр~ критическая глубина потока ;

й' , И - сопряженные глубины гидравлического прыжка;

И - средняя глубина потока;

ь"/Ъ0- относительная глубина гидравлического прыжка; ¡-]Нб- глубина потока в нижнем бьефе; ЬНб

л--- относительная глубина потока в нижнем бьефе,

¡-¡о коэффициент подтопления, Ь - длина участка сопряжения бьефов;

Ь/Ъо - относительная длина участка сопряжения бьефов;

1б" длина балки решетки;

1 - линейный параметр;

т - коэффициент заложения откоса;

п - количество балок в решетке;

8 - центральный угол расширения решетки в плане;

ц - удельный расход;

0.нат ~ расход воды, пересчитанный в масштабе на натуру; Ом од - расход модели;

---число Рейнольдса;

V

э - расстояние между балками решетки; Уд- осредненная придонная скорость потока; У0- скорость потока в начальном сечении;

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Современная гидротехническая наука и практика располагают целым рядом конструкций нижнего бьефа трубчатых гидросооружений. Большинство из них отличаются материалоемкостью и трудозатратами из-за недостаточной изученности гидравлики сопряжения потоков в нижнем бьефе при сосредоточенном выходе из труб.

В соответствии с Концепцией экономического развития, направленной на энерго- и ресурсосбережение, есть необходимость совершенствовать устройство нижнего бьефа трубчатых водосбросов-водоспусков, наиболее шороко применяемых в гидромелиоративном и рыбо-хозяйственном строительстве Республики Беларусь и в Калининградской области России.

Исследования последних лет подтверждают высокую эффективность решетчатых гасителей энергии воды. Существует несколько типов таких конструкций, применяемых в устройствах нижнего бьефа водосбросных сооружений открытого и закрытого типов. Разработаны основы теории их расчета (Факторович,1956 ; Петров,1964; Ларьков,1987;) Но имеющиеся аналитические зависимости довольно громоздки и сложны, или применимы только для водосбросов открытого типа.

Цель работы и задачи исследований:

Обосновать применимость решетчатых гасителей для низконалор-кых трубчатых водосбросов-водоспусков и разработать устройство нижнего бьефа с решетчатым гасителем на трапецеидальном водобое. Для этого: 1) исследовать влияние конфигурации и параметров решетчатого гасителя на гидравлические характеристики сопряжения бьефов в зависимости от чисел Фруда на выходе трубы, ее размеров, а так же глубины в отводящем русле с учетом его формы; 2) определить рациональные параметры решетчатого гасителя, при которых в трапецеидальном русле за трубчатым водосбросом создается благоприятный гидравлический режим сопряжения по типу поверхностного гидравлического прыжка; 3) установить гидравлические и кинематические характеристики потока за решетчатым гасителем, подтверждающие, что такой гаситель эффективен при различных режимах эксплуатации; 4) разработать методику расчета решетчатых гасителей применительно к трапецеидальным сопрягающим руслам.

Связь работы с крупными научны«« программами. Материалы исследований явились частью научной программы по разработке новых

конструкций нижнего бьефа гидротехнических сооружений с целью внедрения их в типовые проекты ( по заказу Концерна Белгипровод-хоз в 1987-1989 г.).

Научная новизна полученных результатов. На основе комплексных гидравлических исследований получены новые научно обоснованные экспериментальные данные, которые в совокупности дают научный и практический вклад в развитие гидравлики нижнего бьефа трубчатых сооружений.

Диссертация основана на физическом моделировании гидравлических явлений при сопряжении бьефов за однотрубными водопропускными сооружениями круглого и прямоугольного сечения, на трапецеидальном водобое-рисберме при использовании решетчатых гасителей и растекателей типа рассеивающих порогов и стенок. Сопряжение бьефов моделировалось в пространственных условиях для коэффициента относительного расширения русла (0<7) и коэффициентов заложения откосов ( ш-1; 1,5; 2). Диапазон расходов модели: от 0т1п-7>5 я/с До 0шах"15,5 л/с, масштаб модели- 1:20; диапазон чисел Фруда в начальном сечении: Рг0-1...б (в основном и до 12 - в некоторых экспериментах).

Обоснована новая конструкция решетчатого гасителя и разработана методика расчета его параметров, основанная на эмпирических и аналитических зависимостях для определения угла наклона гасителя к водобою, смежного угла между балками решетки, их длина. Установлено, что для трапецеидальных водобоев рациональной формой решетки является веерная.

Определено расстояние, на котором следует устанавливать решетчатый гаситель от выхода из трубы. Установлено также, что при величине удельной энергии потока, с которой сопоставимы числа Фруда более четырех, следует использовать комбинацию гасителя с растекателем. Параметры растекателя новой конструкции и место установки его на водобое относительно выхода из трубы так же получены экспериментально:

Аппроксимацией экспериментальных зависимостей изменения длины зоны сопряжения и второй сопряженной глубины гидравлического прыжка от режима сопряжения и коэффициента заложения откосов впервын получены эмпирические расчетные зависимости.

Практическая значимость полученных результатов. Результаты исследований послужили составной частью научного отчета, на основе которого выпущены Концерном Белгипроводхоз Технические реко-

мендации по проектированию решетчатых гасителей.

Введено в эксплуатации водосбросное сооружение при плотине на объекте Городокский (участок Шииты), модельные испытания которого выполнялись при участии автора.

Экономическое значение. Предлагаемое устройство нижнего бьефа с решетчатым гасителем позволяет на 16% сократить затраты по монолитному и сборному железобетону в сравнении с существующим устройством нижнего бьефа с шашечным гасителем (ТПР: ВШ-Х-15х20) для аналогичных эксплуатационных условий.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

- устройство нижнего бьефа с решетчатым гасителем и растекате-лем новой конструкции, обеспечивающее устойчивый гидравлический режим сопряжения бьефов за водопропускными сооружениями с круглыми и прямоугольными трубами на трапецеидальном водобое;

- экспериментальное обоснование параметров устройства в зависимости от гидравлических и кинематических характеристик потока за гасителем и полученные аппроксимацией эмпирические зависимости для расчета гидравлического прыжка в трапецеидальном русле с решетчатым гасителем;

-методика расчета и проектного обоснования устройства нижнего бьефа с решетчатым гасителем в трапецеидальном сопрягающем русле.

Личный вклад соискателя. Все проведенные исследования и выводы на основе их результатов сделаны без соавторов.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на научных конференциях Белорусской сельскохозяйственной академии в 1988, 1989 г.; на расширенном заседании инженерных кафедр БСХА в 1997 г.; заседании секции Совета Белорусской государственной политехнической академии в 1998 году.

Публикации. По теме исследований опубликованы 4 статьи.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов и рекомендаций, списка литературы (более 100 источников, в том числе 10 иностранных ). Содержит 90 стр. машинописного текста, 80 рисунков и 9 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ВВЕДЕНИЕ

Водопропускные сооружения низконапорных гидроузлов мелиоративного и рыбохозяйственного назначения в Беларуси и Северо-западном регионе России в более, чем половине.технических решений имеют трубчатый водопропускной тракт.

Гидротехническая практика показала, что нашедшие широкое применение водобойные колодцы и прорезные стенки являются далеко не лучшими гасителями для трубчатых водопропускных сооружений.

Далее во введении отмечаются другие типы гасителей энергии потока, указывается недостаточная изученность данного вопроса, подчеркивается значение модельного изучения гасителей и гидравлики сопряжения бьефов и делается вывод о необходимости проведения исследований.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ИЗУЧАЕМОГО ВОПРОСА И АКТУАЛЬНОСТЬ ПОСТАВЛЕННОЙ ЗАДАЧИ

Поток, сбрасываемый в нижний бьеф из труб, обладает значительной кинетической энергией. В целях недопущения местных размывов отводящего русла, сбойности потока, снижения динамических нагрузок на плиты крепления водобоя и рисбермы, устанавливаются соответствующие данной конструкции гасители избыточной энергии потока и растекатели.

Далее в главе приведены характеристики известных гасителей энергии потока, форм сопряжения бьефов; рассмотрены принципы и способы гашения кинетической энергии. Отмечено, что наиболее эффективным является принцип гашения энергии ударом струи в преграду и соударением струй между собой и зависит, как от формы водобойных преград, так и от их взаимного расположения.

Исследованию пространственного сопряжения потоков в нижних бьефах водопропускных сооружений посвящены работы Н.П.Розанова, Н.Т.Кавешникова, Г.А.Петрова, Д.И.Кумина, М.Э.Факторовича,О.Н.Черных, С.К.Кузнецова, Ф.Г.Гунько, И.П. Линчевского, Х.Н.Навояна, И.А.Шеренкова , В.М.Ларькова , В.А.Большакова, Г.В.Васильченко, Н.И.Беляшевского и других авторорв.

В глазе отмечено, что именно решетчатые гасители наиболее эффективно реализуют принцип гашения энергии за счет соударения струй. Установленный под углом к потоку, он наилучшим образом сочетает три основных вида воздействия на поток: реактивное - динамическое воздействие горизонтальных составляющих реакции решетки, направленных навстречу потоку; диссипирующее - разделение потока на большое число струй для интенсификации процесса диссипации его энергии; распределительное - переформирование кинематической структуры потока путем притормаживания придонных слоев потока и отклонение их к поверхности.

Эффективность решетчатых гасителей отмечена в исследованиях Г.А.Петрова (1964), М.Э. Факторовича (1956), С.К.Кузнецова

(1983), Х.Н.Навояна (1975), В.М.Ларькова (1979, 1987), М.Д.Черто-усова (1962), Vischer D. (1384).

Далее в главе приводятся примеры конструкций решетчатых гасителей и дается анализ их достоинств и недостатков. Из всего обзора сделан вывод:

В связи с тем, что в большинстве научных и технических источ-■ ников подчеркивается высокая эффективность решетчатых гасителей, но имеет место их неизученность применительно к трубчатым водопропускным сооружениям, есть необходимость исследовать именно решетчатые гасители в устройстве нижнего бьефа применительно к наиболее распространенным низконапорным трубчатым гидросооружениям.

ГЛАВА 2. СОСТАВ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Исследования проводились в гидравлическом лотке лаборатории кафедры гидротехнических сооружений Белорусской сельскохозяйственной академии. Измерение расходов, скоростей, уровней, глубин и других параметров осуществлялось с помощью стандартных приборов и оборудования: мерного водослива, трубки Пито-Ребока, шпитцен-масштаба, нивелира, пьезометров и др. Далее в главе приводится описание экспериментальной установки.

Методика исследований основана на физическом моделировании и теории подобия гидравлических явлений по критерию подобия Фруда, полученного из соотношения сил тяжести к силам инерции - двух основных сил, действующих в водной среде (Леви,1967), при котором процессы одинаковой физической природы и одноименные величины (линейные размеры, скорости течения и др.) имеют постоянное соотношение. В соответствии с этим положением, для двух рассматриваемых систем (натуры и модели) масштабные коэффициенты постоянны.

При автомодельности по критерию Фруда, согласно расчета, проведенного в диссертации с учетом эффекта моделирования (Василь-ченко, 1985), линейный масштаб модели взят - 1:20, тогда масштабные коэффициенты:

напора : Ннат./НЫОд = const - ан= 20; расхода: 0нат./0мОд « const - sq- 202'5; скорости: Унат./Уыод = const - ay- /20; Для достижения полного динамического подобия необходима еще автомодельность в отношении чисел Рейнольдса, являющихся отношением силы инерции к силам трения. Этого подобия можно было бы достичь, применяя для модели иную, чем вода, жидкость с другим коэффициентом вязкости, что затруднительно.

Для удовлетворения критерия Рейнольдса необходимо, чтобы число Рейнольдса для модели превышало величину, допускаемую по условиям обеспечения режима течения. В диссертации выполнен соответствующий расчет, согласно которому условие выполняется и модельные исследования можно проводить для чисел Рейнольдса больше критического ReKP.- 1245.

Планирование экспериментов. Программа и методика исследований

Задача планирования эксперимента эквивалентна оптимизации неизвестной функции многих переменных. При этом сам процесс оптимизации должен быть оптимален (Круг,1966).

В исследованиях решетчатого гасителя многими переменными величинами являются: 1) форма решетки, 2) количество балок, 3) длина балок, 4) угол между балками, 5) угол наклона решетки к водобою, 6) место установки решетки на водобое относительно выхода из трубы. Неизвестной функцией можно считать благоприятный гидравлический режим сопряжения бьефов при оптимизации всех параметров гасителя.

Для достижения результата целесообразен симплексный канонический метод планирования эксперимента. Применение этого метода позволяет учесть многогранность входящих переменных и повторить серийно для изучения каждой переменной один и тот же способ исследования гидравлических характеристик потока.

Если учитывать все переменные одновременно, то для реализации многофакторного эксперимента при сочетании каждой с каждой потребуется: 6x6x6x3x3x2 - 3888 опытов (где 6x6 - это количество неизвестных параметров решетчатого гасителя; 6 - это количество точек в эксперименте по числу Фруда, 3 -это количество вариантов по коэффициенту заложения откосов : т-1,0; т-1,5; т-2,0; 2 - это два варианта труб: круглые и прямоугольные).

Для оптимизации количества серий эксперимента найдена взаимосвязь и взаимозависимость параметров решетки гасителя. Такие параметры, как угол наклона гасителя, длина балок и центральный угол роспуска веера решетки связаны геометрически в трапецеидальном русле (рис. 1). Из схемы :

h6 h tgO/2 tg 0/2

sin tí ------; (1)

1б m h m

m h

tg 0/2--; he - 1б sinc* ; B- b +2mh; (2)

^ , 4

Первои предпосылкой для определения высоты балок решетки (h6) и угла наклона решетки к плоскости водобоя (а) рационально взять

критическую глубину потока (И^р.), так как при этом значении удельная энергия потока в сечении является минимальной.

Кроме этого, количество балок в решетке и равные смежные углы между ними связаны с центральным углом роспуска всего веера соотношением: 4=0/п, (где п - количество балок в решетке).

Ширина решетки Вреш. в среднем сечении составлена из суммы: Вреш.- г^+Сп-Юб, (где обозначения приведены ранее).

Взаимосвязанность параметров и предварительное определение некоторых из них превращает эскперимент из многофакторного в двухфакторный: необходимо экспериментально определить угол наклона решетки к водобою («) и смежный угол между балками (ф) при их взаимном влиянии на режим сопряжения потока.

Последовательность выполнения программы: 1) определение рационального расположения решетчатого гасителя и растекателя на трапецеидальном водобое методом последовательного поиска и оптимальных параметров устройства в зависимости от гидравлических и кинематических характеристик потока при минимальной длине зоны сопряжения, второй сопряженной глубины гидравлического прыжка и придонных скоростей; 2) изучение возможных гидравлических режимов сопряжения бьефов на трапецеидальном водобое с решетчатым гасителем в зависимости от коэффициента заложения откосов, коэффициента подтопления и сбросного расхода; выявление устойчивости режима и пределов применения решетчатого гасителя; 3) управление потоком с помощью гасителя и растекателя для получения желаемого режима сопряжения бьефов при различных условиях эксплуатации и выявление устойчивости режима ; 4) исследование скоростей потока и характеристики затухания осредненных придонных скоростей; 5) разработка методики расчета параметров решетчатого гасителя на основе полученных экспериментальных данных.

Согласно этой программе была отработана методика проведения экспериментов в модельном гидравлическом лотке: 1) устанавливался необходимый сбросной расход: 7,5; 9,5; 12,0; 14,0; 15,5 л/с по мерному водосливу и глубина в нижнем бьефе от 0,4Ьо до 1,8Ь0, (где: Ь0- высота выходной трубы); 2) достигался необходимый устойчивый режим сопряжения бьефов, при котором гидравлический прыжок находился в начале отогна, предельном, либо надвинутом положении ; 3) измерялась длина зоны сопряжения (от выходного сечения до створа, в котором визуально оценивалась граница повышенной турбулентности в вальце гидравлического прыжка и придонные скорости были близки к скоростям спокойного потока или бытовым); первая и вторая сопряженные глубины гидравлического прыжка, глу-

а 5

растекателем: а) с рассеивающим порогом; б) с растекателем в виде треугольных стенок

бина воды в сжатом сечении, глубина воды в отводящем русле, пьезометрические уровни для построения кривой свободной поверхности; 4) в створах 5Ь0; 8й0; 10Ьо ...20Ьо (на расстоянии соответственно 50, 80, 100...200 см от выходного сечения) замерялись скорости потока на глубине 0,211, 0,6Ь, 0,8Ь (где Ь-глубина потока) в точках, расположенных на этих глубинах по оси потока и близ откосов справа и слева; 5) эксперимент проводился при глубине И-ЬНб/Ьо"1.3...1,6, до начала появления сбойности потока, фиксировалась глубина в нижнем бьефе и расход, при котором начиналось сбойное течение (Ьсе)- предел применимости решетчатого гасителя. 6) оценка точности выполненных измерений проводилась по формулам теории ошибок измерений (Большаков, Маркузе,1984). Согласно проведенных рассчетов, относительная погрешность линейных измерений составляла не более 3%, достоверность результатов измерений скоростей потока составила 96,24£, коэффициент корреляции при аппроксимации экспериментальных данных в аналитические зависимости составил 0,9...0,99.

Устройство представляет собой комбинированную систему, состоящую из прорезного порога-растекателя, либо стенок-растекателей новой конструкции, решетчатого гасителя, опорной балки, водобойной плиты, портального оголовка и рисбермы. Откосы водобоя и рисбермы могут иметь коэффициент заложения ш-1,0;1,5 либо 2,0. (рис.2.). Решетчатый гаситель состоит из системы балок, расположенных веерообразно. Веер решетки имеет уклон в сторону верхнего бьефа. Балки решетки расположены в два ряда с различным углом наклона так, что один ряд имеет меньший, а второй ряд-больший уклон. Верхние концы балок образуют гребенку с зубьями переменной длины.

Порог-растекатель выполняется в виде прорезной стенки. Напорная грань порога вертикальная, а низовая-под углом 60°;наклонным выполняется так же и гребень зубьев. Прорези в пороге направлены радиально в' сторону нижнего бьефа на откосы. Открылки порога делаются наклонными в сторону откосов.

Стенки-растекатели, установливаюгся радиально на выходе из трубы, вертикально таким образом, что напорная часть располагается на водобое, а низовая- на откосе. Вертикальная проекция стенки имеет вид треугольника.

ГЛАВА 3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ УСТРОЙСТВА НИЖНЕГО БЬЕФА С РЕШЕТЧАТШ ГАСИТЕЛЕМ ЗА ОДНОТРУБНЫМИ

ВОДОПРОПУСКНЬМИ СООРУЖЕНИЯМИ С ТРАПЕЦЕИДАЛЬНШ ВОДОБОЕМ

При определении места установки гасителя и растекателя на водобое решающую роль играет расстояние от выхода из трубы до ежа-

того сечения гидравлического прьиска и необходимость уменьшить длину зоны сопряжения и вторую сопряженную глубину. Допустимо принять предварительно параметры решетчатого гасителя согласно расчетной схемы и не оптимизировать их, а только оценить их влияние на получение благоприятного режима сопряжения.

Чрезмерно близкое расположение гасителя приводит к обтеканию его потоком, без эффекта, что приводит к неудовлетворительному гашению энергии потока и влияет на пропускную способность трубы. При удалении гасителя от выхода трубы увеличивается длины зоны сопряжения.

Для выбора рационального местоположения решетчатого гасителя взято произведение исследуемых гидравлических параметров потока и найден экстремум графика зависимости Y Lxh"/h0- f(Fr;n), принимая справедливость утверждения, что при минимальной длине зоны сопряжения и минимальной второй сопряженной глубине их произведение также минимально.

Рационально расположить гаситель на расстоянии 1,5 h0 от выхода трубы, если применять устройство нижнего бьефа без растека-теля, что рекомендуется делать при значениях чисел Фруда в начальном сечении от 1 до 4. При увеличении чисел Фруда следует применять решетчатый гаситель с растекателем и устанавливать рас-текатель на расстоянии равном hQ или l,2d0, а решетчатый гаситель, при этом - на расстоянии 2h0 или 2,5 dQ от выхода трубы.

Определение основных параметров решетчатого гасителя проведено в зависимости их влияния на параметры потока, управляемого гасителем и растекателем при различных коэффициентах заложения откосов.

Сопряжение бьефов изучалось при трех режимах: 1-предельном, II- критическом и III- надвинутом положении гидравлического прыжка при соответствующих коэффициентах подтопления:!- HEhH6/ho"0.6. ..1,0; II- TlshH6/ho-l,0. ..1,3; III- Ti=hH6/ho-l, 3... 1,6.

Решетчатый гаситель веерной формы в отличие от прямоугольной, заменяет расширение водобоя в плане, т.к. диссипация потока происходит благодаря центральному углу расхождения балок решетки.

Для выяснения влияния величины угла роспуска веера решетки на параметры потока экспериментально установлены зависимости изменения длины зоны сопряжения и второй сопряженной глубины от центрального угла (0) и угла между смежными балками решетки (4) от чисел Фруда. При малых смежных углах (от 5° до 7°) длина зоны сопряжения достаточно велика. Поток испытывает скольжение по балкам почти без соударения струй. При больших углах (от 10° до 20°)

- наблюдается бесприпятственное прохождение потока между балок. Это так же увеличивает длину зоны сопряжения.

Оптимальный угол определен по экстремуму графика зависимости длины зоны сопряжения от смежного угла между балками: L/b0 -f(Fro,(j0, приведенного в диссертации, минимальное значение длины зоны сопряжения соответствует смежным углам равным 8° для всех наблюдаемых режимов. При конструктивной компоновке решетчатых гасителей следует соблюдать этот угол, тогда центральный угол роспуска любой решетки равен: 0 - (п-1)х8° ; (3)

Решетчатый гаситель способствует не только гашению энергии потока и роспуску транзитной струи в плане и по высоте, он также создает определенную глубину потока в нижнем бьефе.

Угол наклона решетки (ct) к водобою может быть определен геометрически по формуле (1) и связан с другими параметрами по формуле (2). Выбор оптимального угла наклона решетки к плоскости водобоя и определение, тем самым, рациональной высоты свободных концов балок решетки основан на подтвержденной экспериментами зависимости возрастания второй сопряженной глубины прыжка от угла наклона гасителя к плоскости водобоя. Если глубина возрастает с возрастанием угла наклона, то есть такой угол, при котором глубина будет равна (hKP) критической глубине потока, а это значит, что удельная энергия при этом будет минимальной (Киселев, 1972).

Расчеты критической глубины были проведены по способу Киселева- Агроскина для трапецеидального русла . Аппроксимацией графических зависимостей изменения критической глубины от чисел Fr0 получены расчетные формулы :

hKp-AxO,67Fr0°•237 (m-1.0); hKp~Ax0,54Fro0-187; (m-1.5); (4)

hKp-AxO,51Fro0-178; (m-2.0); Для выявления оптимального угла наклона на основе экспериментальных данных, получены графики зависимости (/Lxh"/h0-f (cc,Fr0) • Минимальное соотношение параметров сопрягающего участка достигается при определенном значении угла ос, величину которого можно рассчитать по формулам, полученным аппроксимацией экспериментальных данных, снятых с обобщающего графика зависимости ct-f(Fro,m). ос -4,286Fro0'839: (m-0); а -г^вбРго1' 374: (m-1,5); се -^бббРго1'1661 (m-1); a-S.OlFro1'01 ; (m-2) ; (5)

или по обобщающей зависимости: « -г.бгрго1'Z2+ т1'37

Рациональный угол наклона находится в пределах: 22°< а < 25°.

Исходя из того, что решетчатый гаситель работает за счет соударения разделенных струй потока, целесообразно компоновать решетку в двух плоскостях: одну с меньшим рассчитанным углом наклона, а другую плоскость- под большим наклоном, выдвигая балки через одну вперед на расстояние (0,1...0,2)ho или 0,2do, тогда решетчатый гаситель универсален для всего указанного диапазона чисел Фруда в начальном сечении.

При известной величине угла наклона решетки к плоскости водобоя, длина балки С1е) определена геометрически (рис.1). Свободные концы балок расположены по линии уреза воды при критической глубине (Ькр): 1б - hKP/sin Ci ; (6)

Роль растекателей и выбор их параметров. Проведенные эксперименты подтвердили необходимость сочетания гасителей и растекателей для пространственных условий сопряжения бьефов при числах Фруда: Fr0>4. Растекатель способствует разделению потока на струи при выходе потока из труб и предотвращает сбойное течение.

В работе в качестве растекателя использовался прорезной рассеивающий порог, параметры и место установки на водобое определены экспериментально: ln-h0; высота порога - hn-0,45ho, прорезные грани скошены под углом в 30° и 60°. форма порога - трапецеидальная с шириной трапеции по низу равной высоте выходной трубы hQ; ширина порога по верху составляет 0,5ho; противосбойные прорези имеют высоту равную 0,35ho, их ширина была принята конструктивно, но не менее 0,8ho для разделения потока на две струи ( здесь можно принять ho - d0 ). размеры и форма растекателя подобраны так, чтобы часть потока направлялась в сторону откосов, но при этом высота наката волны потока не выходила за пределы условных границ крепления водобоя.

В работе предложен растекатель новой конструкции виде стенок треугольной формы, поставленных под углом к оси транзитного потока (рис.2). Напорной гранью стенки направлены к выходной трубе, а боковыми- на откосы. Экспериментально было найдено что высота стенок: (0,4...0,5)ho, а расстояние между ними (0,2...0,4ho). Существенным оказался вопрос о выборе угла между стенками растекателей (т). В экспериментах этот угол изменялся от 50° до 100°. От изменения угла (г) параметры сопряжения бьефов значительно не изменяются. Роль в подборе этого параметра сыграло улучшение гидравлики потока: уменьшение турбулентности и увеличение роспуска струи. Благодаря подбору вариантов и визуальным оценкам гидравлической структуры потока, угол т следует принять равным: г - 80°.

Для сравнения растекателей исследовано изменение основных

гидравлических параметров потока от чисел Фруда при идентичных режимах (графики зависимостей Ц/Ь0- Г(Гг0) и и'/Ъо- Т(Рг0) приведены в диссертации). Вывод: каждый из растекателей позволяет получить удовлетворительные гидравлические характеристики потока, значит лучше применять стенки из-за простоты их конструкции.

ГЛАВЫ 4 и 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННОГО СОПРЯЖЕНИЯ БЬЕФОВ ЗА ОДНОТРУБНЬМИ ВОДОПРОПУСКНЫМ СООРУЖЕНИЯМИ ПРЯМОУГОЛЬНОГО И КРУГЛОГО СЕЧЕНИЯ В ТРАПЕЦЕИДАЛЬНОМ РУСЛЕ С ПРИМЕНЕНИЕМ РЕШЕТЧАТОГО ГАСИТЕЛЯ И РАСТЕКАТЕЛЯ

Использовался комплексный подход: эффективность гашения избыточной кинетической энергии потока оценивалась по характеру эпюр скоростей, измеренных по оси потока и близ откосов; кривым затухания осредненных придонных скоростей; по отсутствию сбойных течений и по изменению длины сопрягающего участка и второй сопряженной глубины гидравлического прыжка от чисел Фруда в начальном сечении при различных коэффициентах заложения откосов водобоя-рисбермы.

Принцип гидравлической работы устройства с решетчатым гасителем и растекателем состоит в разделении потока на отдельные струи и позволяет добиться эффекта гашения энергии за счет соударения струй между собой.

Транзитная струя на выходе из трубы разделяется на части при помощи прорезного порога. Благодаря радиальному расположению прорезей и и наклону сливных граней происходит растекание потока как в плане, так и по вертикали, что позволяет получить сравнительно равномерное распределение удельных расходов.

Антисбойные стенки-растекатели разделяют поток на выходе на три части: центральную- по оси русла и две боковых- в сторону откосов. Они' не только разделяют и изменяют направление потока в плане, но и осуществляют трансформацию потока по вертикали. Одновременно они работают в качестве порога-трамплина, кроме этого, они также создают некоторый подпор в начале водобоя у боковых открылков. Благодаря этому подпору и динамическому воздействию боковых потоков происходит противосбойная стабилизация потока. Особенно это хорошо влияет на поток при подтоплении.

Такой предварительно трансформированный поток набегает на решетчатый гаситель,где происходит вторичное дробление потока и соударение струй и значительное гашение кинетической энергии потока.

Сопряжение бьефов в обоих случаях происходит по типу пространственного поверхностно-донного гидравлического прыжка, которы: наблюдается в трех различных положениях, о которых было упомянут! ранее. Веерообразное распределение струй на решетчатом гасител! обеспечивает стабильность режима сопряжения.

Определение параметров потока и диапазона устойчивой работ] гасителя с растекателем применительно к прямоугольным и круглы] трубам заключалось в установлении пределов применения решетчатол гасителя и соответствующих этому глубин в нижнем бьефе, а так ж< основных гидравлических параметров потока: длины зоны сопряжени; и второй сопряженной глубины гидравлического прыжка.

В диссертации приведен целый ряд графических зависимосте) этих параметров потока от чисел Фруда в начальном сечении, режимов сопряжения и формы русла в относительных параметрах ( к высоте выходного сечения (Ь0) или диаметру трубы с10).

По ним можно установить минимальную глубину воды в отводяще1 русле, при которой обеспечивается стабильный режим сопряжения бьефов и спокойное движение потока в отводящем русле. Глубину самозатопления, которая наблюдается в диапазоне чисел Фруда: 1< Гг0 < 4 следует рассматривать, как нижний предел применимости решетчатого гасителя без растекателя.

Верхний предел применимости установлен из условия образована сбойного потока при подъеме уровня в отводящем русле. Глубины ] расходы, при которых начинался сбой представлены в диссертации н; графике зависимости (Гг0,т). Глубины нижнего бьефе

|-|-16,2 см, (2,84 м), при максимальном расходе 15,5 л/с(модели] 27,5 м3/с "натуры" для прямоугольной трубы и 10,2 см (2,04 м дл! "натуры") для круглой трубы являются предельными.

Графики зависимости Ь/Ь0~ f (Fr.ni,л), не имеют ярко выраженной тенденции к нарастанию. Это подтверждает,что длина участке сопряжения склонна к незначительному возрастанию в зависимости от расхода и к стабилизации на водобое.

Из графика зависимости второй сопряженной глубины прыжка оч чисел Фруда [У/Ио-Г(Гг0,т,ц) заметно схождение кривых этой зависимости с возрастанием чисел Фруда для любого из наблюдаемых положений гидравлического прыжка. Это еще одно подтверждение стабилизации гидравлического прыжка в зоне расположения гасителя.

Коэффициент заложения откосов оказывает особое влияние Не вторую сопряженную глубину гидравлического прыжка и длину зонь сопряжения. При увеличении коэффициента от ш - 1,0 до т- 2,0 вто-

рая сопряженная глубина гидравлического прыжка уменьшается, а длина зоны сопряжения наоборот увеличивается. Самым благоприятным режимом сопряжения бьефов можно считать второе (критическое) положение гидравлического прыжка, когда он находится на решетке при Ьнб/Ьо_1.0-•-1.3 и коэффициенте заложения откосов ш-1,5.

Аппроксимацией опытных данных с помощью программы на ПЭВМ были получены эмпирические зависимости для расчета длины зоны сопряжения бьефов и второй сопряженной глубины гидравлического прыжка, по которым можно сделать оценку величины крепления водобоя-рисбермы по высоте и по длине.

Для решетчатого гасителя с рассеивающим порогом: L/ho-A.7,08 Fro0'185; (m-1.0); h"/ho-A.0,987.Fro0'237;(m-1,0); L/ho-A.8,64.Fro0'161; (m-1,5); h"/ho-A.0,865.Fro°'278;(m-1,5); L/ho-A.8,55.Fro0'181; (m-2,0); h"/ho-A.0,763.Fro0'3o5;(m-2,0);

Обобщающие зависимости для Ш-1...2 : L/ho=A 7,07 Fro°-166+ m1-37;^); h"/h0-A 0,832Fro°-248+m0'75;(8);

Для расчета со стенками-растекателями: L/ho-A 7,52Fro0'266; (m-1,0); h"/ho-A.l,076.Fro0'285; (m-1,0); L/ho-A 8,02Fro0'255; (m-1,5); h"/ho-A.l,024.Fro0'283; (m-1,5); L/ho-A 9,26Fro0'215; (m-2,0); h"/ho=-A.0,977.Fro0'290; (m-2,0);

Обобщающие зависимости для m-1...2: L/ho-A.7,46.Fro0'232+m; (9); h"/h0-A. 1,025.Fr0°' 286+m°-63;(10)

Стабильная работа решетчатого гасителя с растекателем, применительно к трубе круглого сечения наблюдалась в режиме самозатопления прыжка и режиме небольшого (hH6/do<1.3) подтопления со стороны нижнего бьефа. Но при третьем критическом режиме, когда подтопление со стороны нижнего бьефа приближалось к hH6/d0~l,4...1,5 начинали появляться сбойные течения. Устойчивая работа гасителя наблюдается при расходах до 17 м3/с (для натуры) и чисел Фруда до 9, при этом глубина нижнего бьефа должна быть в пределах 1,8...2,0 м. При большей глубине наступает сбойное течение при коэффициенте заложения откосов m-2,0. Для коэффициентов заложения откосов m-1,0 и m-1,5 глубина самозатопления решетки несколько выше и предел устойчивой работы наблюдается при глубине в нижнем бьефе 2,2...2,4м ("натуры"). Предельный расход, который можно пропускать при отсутствии сбойного потока составляет около 21 м3/с для натуры и числа Fr0<14.

Аппроксимируя экспериментальные данные относительной второй сопряженной глубины прыжка от чисел Фруда для различных коэффици-

ентов заложения откосов получены расчетные зависимости, по которым можно оценить высоту крепления откоса трапецеидального русла, увеличив результат расчета по формуле на 15...20% для гарантии oí всплесков турбулентного потока за круглой трубой:

h'Vdo-A 0,558 Fro0,446, (m-2,0); L/d0-A 7.625 Fro0-262: h"/do-A 0,841 Fro0,305, (m-1,5); L/d0-A 7,609 Fro0'242: h"/d0-A 0,938 Fro0,282- (m-1,0); L/d0-A 7,363 Fro0-212: Обобщающие зависимости для m-1...2: h"/do-A 0,852Fro°'293+ni0'75; (11); L/d0-A 7,303Fro0'^m1' 27; (12 Результаты исследований кинематической структуры потока получены путем измерений скоростей потока в точках по методике, изложенной ранее. В диссертации приведены характерные эпюры скоростей и профили свободной поверхности потока для расхода 0мах-15,5л/с.

Анализируя эпюры скоростей при любых исследованных режимах \ расходах, получаем, что осредненная скорость по динамической oci потока на расстоянии 10...20 критических глубин от выходного сечения не превышает 1,5 величины средней скорости, вычисляемой пс живому сечению потока. Такой критерий оценки работы гасителей бы:. дан Н.П.Розановым и Д.И.Куминым (1984). Используя его можно считать работу предлагаемого устройства удовлетворительной.

Эпюры скоростей имели треугольную (параболическую) форму i створе, расположенном на расстоянии 5h0 и трансформировались i прямоугольные в створе 12h0...14h0.

Решетчатый гаситель обеспечивает практически равномерные эпюры скоростей в концевом створе 20ho. Небольшая неравномерность скоростей интенсивно выравнивается вдоль русла. Причем, эта неравномерность характерна для условий самозатопления прыжка, т.е. для самого низкого уровня в отводящем русле.

С увеличением подтопления "П-ЬНб/Ьо-1 и выше, фронт прыжкг возникает в пределах решетки (П-е критическое положение). Для него характерна практическая равномерность скоростей и глубин пс живому сечению и вдоль русла.

При дальнейшем подъеме уровня в нижнем бьефе и npv n-hH6/ho-l.3 и выше, наступает режим подтопления выходного отверстия. Для этого режима характерна трапецеидальная (параболическая) эпюра скоростей на водобое, причем скорости потока меньшие, чем при I и II режимах, а придонные скорости- наименьшие. Подтопленный режим наиболее благоприятен в скоростном отношении, но при превышении расхода 16 л/с (для натуры 28 м3/с) наступает сбойное течение и решетка перестает влиять на режим.

По опытным значениям придонных скоростей в диссертации преде-

тавлены графически кривые затухания относительных (Уд/Vo) придонных скоростей потока (осредненных по оси и по откосам) по относительной длине отводящего русла (lx/h0) в зависимости от изменения чисел Фруда и режимов сопряжения.

Из поведенных исследований следует вывод: решетчатый гаситель с растекателем позволяет погасить указанные скорости при максимальном сбросном расходе воды на участке сопряжения до минимальных, порядка 5-10 см/с (для натуры 0,2...О,5 м/с) или даже практически до нулевых скоростей. Это позволяет с гарантией ожидать получение неразмывгиощих (для суглинков) скоростей потока уже в створе 15h0, и уменьшение длины водобоя-рисбермы при наличии решетчатого гасителя с растекателем на 1/4...1/3 длины соответствующих участков по другим устройствам нижнего бьефа, имеющимся в научной и технической литературе. Наличие отрицательных придонных скоростей потока в зоне расположения решетки подтверждает, что решетчатый гаситель на трапецеидальном водобое реалирует сопряжение бьефов по типу поверхностного гидравлического прыжка с присущими ему малыми придонными и большими поверхностными скоростями.

Одним из существующих методов оценки размыва русла служит его прогноз по затуханию осредненных придонных скоростей. По кривым затухания скоростей по длине отводящего канала можно предварительно оценить необходимую длину крепления водобоя-рисбермы. Она считалась достаточной до того створа, где была зафиксирована ос-редненная придонная скорость безопасная неразмывающая суглинки и супеси величиной 0,7...1,0 м/с, (для "модели" это составляет О,15...О,22 м/с.). Величина такой скорости соответствует равномерному установившемуся движению потока и наблюдалась она в створе 22h0 от выходного сечения при максимальном расходе Омах-15,5 л/с. Для меньших расходов- соответственно в створах 10ho...15ho.

Эпюры скоростей на протяжении водобоя-рисбермы от выходного сечения до створов 20ho...22h0 полностью трансформировались из треугольных и параболических в трапецеидальные и прямоугольные с небольшими значениями скоростей, что свидетельствует об отсутствии сбоя потока и о равномерном установившемся течении.

Анализируя гидравлику потока, эпюры скоростей и кривые затухания осредненных придонных скоростей, убеждаемся в том, что решетчатый гаситель с растекателем позволяет получить стабильный поверхностно-донный пространственный гидравлический прыжок, в котором эффективно гасится кинетическая энергия потока.

- 18 -

ГЛАВА 6.МЕТОДИКА РАСЧЕТА РЕШЕТЧАТОГО ГАСИТЕЛЯ, ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ СРАВНЕНИЕ И ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

Методика расчета решетчатого гасителя:

1. Составляется расчетная схема, исходя из необходимых параметров водопропускного отверстия и сопрягающего русла (рис.1).

2. Определяются необходимые параметры потока в отводящем русле в частности: критическая глубина потока Икр. (по формулам (4) ширина русла по урезу воды при критической глубине (Вреш.) пр выбранном коэффициенте заложения откоса. Эта ширина принимаете за максимальную ширину решетки в плане по концевым частям балок а величину критической глубины - за высоту решетки (рис.1).

3. Определяется длина балки решетки \в согласно расчетной схем по формуле (6): 1б- Икр./БШ а; (6).

4. Определяется угол наклона решетки к плоскости водобоя по од ной из приведенных зависимостей (5) или по обобщающей зависимое ти: « -2,52 Рго1'2^1-37; (5).

5. Принимая ширину решетки по верху, равной ширине канала п урезу воды при глубине Ькр, а ширину реиетки, закрепленной у дна равную ширине канала по дну, определяется величина центральног угла расширения решетки в плане:

(т 1"1Кр.)/1б; при условии: 8 - 8°(п-1)

6. Число балок решетки (пб) должно удовлетворять двум условиям

А) Пб < в/Ф (13)

Б) Е (с!+з)-Врасч.=- пс!+(п-1)з; (14)

7. Расчетная ширина решетки по средней линии равна:

Вреш.+Ьреш.

Врасч.™ > (15.)

2

8. Скважность решетки (р) определяется по формуле (Ларьков,198

Б Б

Р= - , Porvr.-0.42; (16); тогда: р= - - 0,42 ,

эк! Б+с1

откуда: б- 0,72с1; или с1- 1,38з,

Врасч.-0,72 с1 из условия (Б) находим: п= - (17);

1,72 с!

9. Высота опорной балки решетки определяется из условия:

Ьб-1б-31п й Ькр; 1б-(тЬкр)^е(0/2)-!-1кр/з1п «; (18) 10. Длина сопрягающего участка и вторая сопряженную глубина вь числяется по зависимостям (для круглых труб) (И) и (12): Обобща ющие зависимости для ш-1.,.2:

Те же параметры для прямоугольных труб: (9) и (10):

Обобщающие зависимости для Ш-1....2: 1/Ьо=А.7,46.Рго0-232+т; (9); Ь"Л1о-А.1,025.Ргоо'286+т°- бз;(10)

11. Для сбросных расходов, которым соответствуют числа Фруда от 1 до 4 применяется решетчатый гаситель без растекателя; причем решетку из 5 балок следует применять при коэффициенте заложения откосов ш-1,0; из 7 балок - при т- 1,5; а из 9 балок - при ш-2,0.

12. Для чисел Фруда свыше 4 следует применять - гаситель из количества балок не менее 7 шт. и растекатель. Если коэффициент заложения откосов более 1,0 , следует увеличить количество балок в соответствии с расчетной формулой (17).

13. Решетчатый гаситель без растекателя при числах Фруда 1<Гг0<4 следует устанавливать расстоянии 1,5Ь0 (или 2,0'с1о) от выходного отверстия.

14. При числах Фруда более 4 применяется система гасителя с растекателем. Рекомендуются стенки-растекатели, установленные на расстоянии от 0,5'с)а до 1,4 от выхода из круглой трубы, или от 0,51")о до Ио прямоугольной трубы, а за ними на расстоянии 2,5'с10 или 2Ь0 устанавливается решетчатый гаситель.

15. Устойчивый гидравлический режим сопряжения бьефов за прямоугольной (а так же круглой) трубой по типу поверхностного и поверхностно- донного гидравлического прыжка наблюдался при числах Фруда в начальном сечении от 1 до 6 для прямоугольной и от 1до 19 для круглой труб. Причем при ..0,8 гидравлический прыжок находился в предельном положении; при Ьнв/^о-0,8... 1,3 - во втором (критическом) положении (на середине решетки), а при Ьнб/^о""!.3...1,7- в надвинутом. Когда подтопление со стороны нижнего бьефа приближалось к значению Ьнв/<10=1,5...1,6, начинали появляться сбойные течения. При указанных глубинах нижнего бьефа наступает предел применимости решетчатого гасителя с растекателем; соответствующий диапазон чисел Фруда: от 14 до 19 для круглой трубы и от 5 до 6 - для прямоугольной трубы.

Технико-экономическое сравнение. В качестве устройства нижнего бьефа для сравнения с предлагаемым устройством был выбран типовой проект Белгипроводхоза ВШ-Х-15х20 (1987), как наиболее часто применяемый в строительстве.

На модели шашечного гасителя проведены аналогичные исследования, что и для решетчатых гасителей, при тех же режимах и числах

L/do-A 7,303 Fr0°'232 + m1'27 (11):

h"/d0-A 0,852Fro°-293 + m0'75 (12): Фруда. По результатам экспериментов следуют выводы: 1) эффект гашения скорости потока решетчатым гасителем выше, чем шашечным гасителем; 2) величины придонных скоростей потока в исследуемы)! створах в 1,5...2 раза ниже при устройстве нижнего бьефа с решетчатым гасителем и растекателем, чем при устройстве с шашечным гасителем; 3) длина сопрягающего участка при решетчатом гасителе меньше, чем при шашечном в 1,3...1,4 раза.

Сравнительные характеристики, представленные в диссертации, такие как: кривые затухания придонных скоростей, эпюры скоростей, графики зависимостей гидравлических параметров потока от чисе: Фруда, данные технико-экономического сравнения устройств с шашечным и решетчатым гасителями для аналогичных условий по затрата», железобетона, позволяют с уверенностью утверждать, что решетчатый гаситель с растекателем более эффективен и экономичен,чем шашечный гаситель.

Технические рекомендации:

При строительстве разработанного устройства необходимо выполнить следующие указания:1) балки решетки выполняются из железобетонных свай (брусьев, шпунта и т.п.) сечением 25x15 или 25x25 см; 2)заделка балок в водобойную плиту может быть шарнирной:они могут быть установлены в заранее подготовленные наклонные приямки i днище; 3) опорная балка выполняется из того же материала, что i балки решетки, однако предпочтительнее для этих целей использовать элементы железобетонного шпунта, укладывая его горизонтальнс на закладные опоры гребнем вверх по течению. Она заделывается i откосы, концы ее опираются на закладные опорные плиты; 4) водобойная плита выполняется из монолитного железобетона. 5) рисберм; выполняется из сборного железобетона и заканчивается зубом из каменной наброски; 6) роль растекателей выполняют стенки-растекате-ли, установленные радиально на выходе из трубы вертикально такт, образом, что напорная часть располагается на водобое, а низовая-на откосе; вертикальная проекция стенки имеет вид треугольника.

ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ

1. Несмотря на широкое распространение трубчатых водосбросов-водоспусков конструкции гасителей избыточной энергии потоке за ними, условия их работы и методы расчета изучены и разработай недостаточно. Анализ конструктивных особенностей и работы гасите-

лей позволил выявить наиболее перспективные решетчатые гасители, обеспечивающие за счет соударения струй интенсивное гашение избыточной кинетической энергии и выравнивание скоростей потока по длине и в поперечном сечении отводящего канала.

2. Выполненные на основе модельных экспериментов исследования обеспечили выяснение сложного гидродинамического взаимодействия сбросного потока с решетчатым гасителем, отработку его конструкции и параметров. Представленные в работе результаты исследований доказывают возможность эффективного использования устройств с решетчатыми гасителями для трубчатых низконапорных водосбросов-водоспусков.

3. Для различных эксплуатационных условий и формы трапецеидального водобойного участка определены рациональные параметры решетчатого гасителя: угол наклона решетки к плоскости водобоя, длина балок и высота опорной балки. Установлено, что для трапецеидальных русл наиболее приемлемой является веерная форма решетки с центральным углом, зависящим от оптимальной скважности и количества балок; при этом смежные углы между балками равные между собой и величиной 8° определены экспериментально, исходя из минимальной длины зоны сопряжения и второй сопряженной глубины гидравлического прыжка, так же, как и другие параметры решетчатого гасителя.

4. Оценено влияние параметров русла на режим сопряжения и характеристики потока в нижнем бьефе, что позволило получить графические и эмпирические зависимости для определения местоположения и параметров решетчатого гасителя, рациональных размеров водобоя и рисбермы. Путем аппроксимации экспериментальных данных получены расчетные зависимости для определения длины зоны сопряжения и второй сопряженной глубины гидравлического прыжка и критической глубины потока в трапецеидальном русле.

5. Исследованы возможные режимы сопряжения бьефов за трубчатыми водопропускными сооружениями круглого и прямоугольного сечения в пространственных условиях трапецеидального водобоя для разных степеней подтопления. Установлено, что при числах Фруда в выходном сечении более 4 и определенном колебании уровня воды в отводящем русле режим сопряжения может переходить в неустойчивый. Для этих условий предложено новое ангисбойное устройство в виде треугольных струенаправляющих стенок, обеспечивающих надежное сопряжение бьефов.

.6. Диссипационные качества системы антисбойных стенок и ре шетчатого гасителя реализуют смешанный поверхностно-донный режи сопряжения, при котором происходит интенсивное затухание придон ных скоростей. Это подтверждено эпюрами скоростей, составленным на основе исследований.

7. Разработана методика расчета параметров решетчатых гасите лей в трапецеидальных руслах нижнего бьефа водосбросов-водоспус ков и приведено технико-экономическое обоснование преимуществ предлагаемой констркуции гасителя над гасителями шашечного типа.

8. Полученные результаты исследований вносят вклад в Познани гидравлики нижнего бьефа водосбросов-водоспусков и имеют практа ческое использование.

1. Иванова Т.П. Исследование устройства нижнего бьефа грубчг тых водопропускных сооружений с решетчатым гнасителем.//Сб.нау^ тр. "Актуальные проблемы агропромышленного комплекса БССР".- Гор ки, БСХА, 1988,- с.20...22.

2. Иванова Т.П. Исследование решетчатого гасителя на модел? и выяснение гидравлических характеристик потока // 02890063516 "Биологические основы рационального ведения прудового рыбоводстЕ в условиях Калининградской области": отчет о НИР КТИРПХ, Сб. pe<j НИРиОКР, Рыбное хозяйство, 1990, N 4, с.8.

3. Иванова Т.П. Новое устройство нижнего бьефа с решетчать гасителем./ Сб.науч. трудов КГТУ "Гидравлика и гидромеханика' Калининград, 1997. -с. 205".. 2*3.

4. Иванова Т.П. Устройство нижнего бьефа с решетчатым гасите лем однотрубных водосбросов //сб.науч.тр. КГТУ "Современные ас пекты агрономии и природопользования", Калининград, КГТУ, 1998 г с.90...112.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ИССЛЕДОВАНИЙ

1ванова Гаццяна Пятроуна УСТРОЙСТВА Н1ЖНЯГА Б'ЕФУ 3 РАШОТЧАТШ ГАС1ЦЕЛЕМ У ТРАПЕЦЫЙНЫХ РУСЛАХ ТРУБЧАТЫХ ВАДАСБРОСАУ-ВАДАСПУСКАУ

Гас!цель, рашотка, расцякацель, сбойнасць, дысс!пацыя, паток, сапражэнне, б'еф, вадазброс, мадэлираванне, г1драул1ка, эпюра, л1чба Фруда, параметар, методика, аппракс!мацыя.

У дыссертацы1 разгледжана праблема прымян!масц! рашотчатых гас!теляу да трубчатых г!драмел1яратыуных вадапрапускных саару-жэнняу круглага, ц! прамавугольнага сячэння з трапецыядальным ва-дабоем-рысбермай.

Работа заснавана на ф!з!чным мадэл!раванн! г1драул1чных рэжы-мау сапражэння б'ефау у прастрансцвенных умовах з выкарыстаннем маделяу рашотчатых гнасЩеляу.

У працягласц! зскперыментау был! атрыманы г!драул!чныя 1 к1нематычныя характарысц!к1 патока за рашотчатым гасЩелем, прык-ладна розным умовам эксплуатацы!.

Распрацавана методыка разл!ку рашотчатага гас!целя у залеж-насц1 ад г1драул1чных характарысц!к патока 1 формы канала. Атрыманы разл!ковыя параметры рашотчатага гасЩеля: вугал наклона ра-шотк! да дна вадабою-рисбермы, цэнтральны вугал расхаджэння вееру. колькасць балак, 1х працягласць 1 месца знаходжання рашотк1 на вадабою адносна выхыда з трубы.

У ходзе даследвання перал!чаныя разл!ковыя параметры был! ап-рабаваны пры розных глыб!нях у н!жн!м б'ефе, ц! бытавых гльШнях, розных расходах вады 1 каэфф!цыентах бакавых аткосау вадабоя-рые-бермы. Было падцверджана, што найбольш прыгоднай формам рашотк! да трапециядальних каналау з'яуляецца веерная. Акрамя гэтага, быу распрацаваны расшчап!цель (або расцякацель) патока у форме двух сценак, напрауленных напорным бокам у выхад стру1 з трубы, а ба-кавым1 краям! трохкугн1кавага акрэсл1вання - на аткосы трапецыя-дальнага вадабою.

Аппракс1маиыяй опытных данных при дапамозе ПЭВМ атрыманы эмп1рычныя залежнасц! для разл!ку даужын! 1 глыбШ вадабою-рыс-бермы, прыкладна да практычных напрамкау у залежнасц! ад неабход-нага дыяметра трубы 1 расходау вады у адносных вел!чынях (ад л!чбау Фруда в перваначальным сячэнн1 на выхадзе з грубы) з цэллю зраб1ць разл!кавыя залежнасц! ун!версальным1.

Акрамя навуковых выкладау у рабоце дадены практычныя напрамк! для праектыравання ! будавання распрацаванага устройства н!жняга б'ефу.

RESUME

Ivanova Tatijana Petrovna CONSTRUCTION LOVER PART DRAIN-PIPE WITH DISSIPATORS AS FORM AS LATTIC AND FAN SIMULTANEOSLY ON TRAPEZIUM CHANNEL

Dissipators, hudraulic, desing, trapezium, lattic, channel, parameters, experiment, drain-pipe, bottom, outlet, empirirical, Froud's number, lattic-fan, stream.

This master's thesis has dedikated research hydraulik energ dissipators to stream belong to hudrotechnikal construktions wit pipes and with low water lewel.

Subjekt of investigate was hydraulic energy dissipators a form as lattic and fan simultaneously.

Master's thesis was basis on physical desing hudrauli conditions connekt stream outlet fnd calm spatial trapeziu channel on lover part drain-pipe hudrotechnical constructions.

There by experiments success ascertain hydraulik an kinetic description stream on local sector bottom trapeziu channel, which put place dissipator and out thet along channe for difference exploitation conditions.

Was determinationed parameters to dissipators: corne slanting plane boottom, centre corner divergence lattic-far quantity element and length.

There by experiments was found plase installation dissipate and speader comparatively outlet water-pipe. Was receive methodics to calculation elements to construction by empiriric; formuls, which was cupled hydraulic descriptions of strei trapezium channel and Froud's number on primary cross cectic outlet pipe.

Was worked out a problem of spead spurt outlet water-pipe ai dissipation kinetic energy stream by lattic-fan dissipator ax wall-speader triangle form aply applianc water-system whis roui andrectangular pipe on trapezium channel.

There by experiments established improvement hydrotechnic; appliance. Was made practical recomendation to designing ai building applians lower sector of hydrotechnical construction: This recomendation has enclosed theory to calculation lattic-f. dissipators, wall-speader, length and height timbering bottom ai walls on lower sector channel; besides advices for practic, building.

РЕЗЮМЕ

Иванова татьяна Петровна УСТРОЙСТВО НИЖНЕГО БЬЕФА С РЕШЕТЧАТЫ* ГАСИТЕЛЕМ

В ТРАПЕЦЕИДАЛЬНЫХ РУСЛАХ ТРУБЧАТЫХ ВОДОСБРОСОВ-ВОДОСПУСКОВ

Гаситель, решетка, растекатель, сбойность, диссипация, поток, сопряжение, бьеф, водосброс, моделирование, гидравлика, эпюра, число Фруда, параметр, методика, аппроксимация.

В диссертации исследованы решетчатые гасители диссипации кинетической энергии потока в нижнем бьефе гидромелиоративных низконапорных водосбросных сооружений с прямоугольными либо круглыми трубами с трапециедальным водобоем-рисбермой.

Работа основана на физическом моделировании пространственного сопряжения бьефов в трапецеидальном русле с решетчатым гасителем.

В ходе исследований определены гидравлические и кинематические характеристики потока, управляемого решетчатым гасителем с растекателем для различных условий эксплуатации. Обоснованы параметры решетчатого гасителя в зависимости от конфигурации русла и размеров активной турбулентной зоны сопряжения бьефов. Экспериментально подтверждено, что для трапецеидальных водобоев лучшей формой решетчатого гасителя является веерная, в сравнении с прямоугольной.

Разработана методика расчета решетчатого гасителя. Определены расчетные параметры: угол наклона к плоскости водобоя, центральный угол расхождения веера, смежные углы между элементами, их количество, длина, а также место установки одного гасителя и системы гасителя с растекателем относительно выхода из трубы.

Предложена новая конструкция антисбойных растекателей в виде стенок, напорная грань которых направлена на струю потока при выходе из трубы, а края - на откосы. Две стенки, имеющие форму треугольника, расположены радиально оси потока с углом между собой.

Решетчатый гаситель опробирован для различных эксплуатационных условий: сбросных расходов и глубин в отводящем русле с разными коэффициентами заложения откосов. Получены эмпирические зависимости параметров потока за гасителем от чисел Фруда, которые применимы в практических расчетах для определения длины и высоты крепления откосов водобоя-рисбермы.

Даны рекомендации для практического применения устройства нижнего бьефа с решетчатым гасителем и растекателем.