УДК 627.83-192(075)
ГАШЕНИЕ ЭНЕРГИИ ПОТОКА В НИЖНЕМ БЬЕФЕ ВОДОПРОПУСКНЫХ
СООРУЖЕНИЙ, ОБОРУДОВАННЫХ КОНУСНЫМИ ЗАТВОРАМИ
,
ФГОУ ВПО МГУП, г. Москва, Россия
В составе компоновок гидроузлов любого назначения всегда имеются водопропускные гидротехнические сооружения, отличающиеся чрезвычайно большим функциональным и конструктивным многообразием. Характерной особенностью условий их работы является наличие в пределах сооружений нескольких участков со сложными гидравлическими режимами, которые зачастую существенно влияют на конструкцию водоводов и их концевых частей.
Для обеспечения надежной и безаварийной работы водосбросных гидротехнических сооружений весьма важно иметь надежные устройства, позволяющие регулировать сбросной расход воды и эффективно гасить энергию при минимальных материальных затратах. К этим устройствам можно отнести конусные затворы. Обычно эти затворы применяют в тех случаях, когда необходимо относительно точное регулирование сравнительно небольших расходов воды, причем их можно использовать практически при любых напорах.
Механическое оборудование водоводов, оборудованных конусными затворами, отличается простотой и индустриальностью в изготовлении, эксплуатационной надежностью, а главное - малыми усилиями при маневрировании (по сравнению, например, с плоскими затворами). С помощью конусных затворов можно подавать как минимальные, так и расчетные расходы воды, что не всегда удается сделать с помощью затворов других типов.
Редкое использование конусных затворов вызвано слабой изученностью их гидравлических, кавитационных характеристик, а также устройств гашения энергии в нижнем бьефе при истечении потока в атмосферу, мало разработано надежных гасящих устройств.
Сокращение размеров участка нижнего бьефа, в котором осуществляется переход потока из бурного состояния в спокойное и завершается гашение избыточной кинетической энергии потока, составляет основную задачу, возникающую при проектировании и расчете конструкций крепления русла за водосбросными сооружениями.
Одним из решений этой задачи является установка на водобое гасителей энергии, преобразующих поток в равномерно распределенное по ширине концевого участка водосброса движение.
Применение гасителей в виде водобойных стенок, разрезных порогов, водобойных пирсов различных очертаний в один и несколько рядов позволяет в отдельных случаях повысить отметку водобоя за счет снижения второй сопряженной глубины на 20…25%.
Все это позволяет судить об актуальности методов гидравлического расчета различных типов гасителей, учитывая, что до настоящего времени расчету поддаются лишь некоторые из них.
Расширение области применения конусных затворов достигается изучением конструктивных устройств для гашения избыточной энергии. Это дает возможность запроектировать более рациональные конструкции для гашения энергии в нижнем бьефе водопропускных сооружений.
Для решения затронутых выше вопросов были выполнены необходимые теоретические и экспериментальные исследования гидравлических характеристик потока в нижнем бьефе сооружений, оборудованных конусными затворами.
Основная цель работы заключается в определении влияния различных типов гасителей энергии на гашение избыточной энергии потока в нижнем бьефе водопропускных сооружений, оборудованных конусными затворами.
Для достижения этой цели необходимо было решить следующие основные задачи:
экспериментально обосновать параметры гидравлического прыжка за конусным затвором;
подобрать рациональные конструкции гасящих устройств нижнего бьефа, улучшающих кинематическую структуру потока на водобое и рисберме;
изучить изменение второй сопряженной глубины в зависимости от типа и размера гасителей энергии при работе одним конусным затвором;
определить коэффициент лобового сопротивления для гасителей энергии различных типов, что позволяет выполнить гидравлическое обоснование по сопряжению бьефов.
Научная новизна работы заключается в том, что нами экспериментально определено влияние гасителей различных типов на вторую сопряженную глубину за сооружениями, оборудованными конусными затворами.
При изучении и проектировании гидротехнических сооружений лабораторные модельные исследования получили широкое распространение. Они позволяют с высокой достоверностью прогнозировать работу сооружения в натуре и решают многие вопросы гидравлики сооружений, которые еще не удается решать с необходимой для практики точностью и надежностью.
Известно, что моделирование потока, протекающего через сооружение, как правило, осуществляется с одновременным соблюдением условий подобия по Фруду и Рейнольдсу.
При моделировании был принят критерий Фруда
Fr = 
, (1)
где V, h – соответственно, средняя скорость и глубина потока в рассматриваемом створе; g – ускорение свободного падения.
В этом случае:
; (2)
, (3)
где Qм, Vм и Qн, Vн – расход и скорость потока на модели и натуре; М - масштаб модели.
Наряду с этим необходимо соблюдать автомодельность исследуемых явлений, то есть выполнить условия
Reм>Reм. кр., (4)
где Reм – число Рейнольдса на модели, Reм. кр. – граничное значение числа Рейнольдса для зоны квадратичного сопротивления.
Числа Рейнольдса на модели при масштабе (1:22,5) составляли 
.
Для различных участков исследованных сооружений Reм. гр составлял 2340…4890, что существенно меньше чисел Рейнольдса, которые имели место на модели и составляли , и они находятся в автомодельной области.
Таким образом, пересчет результатов модельных исследований на натуру можно производить по закону гравитационного подобия.
Расходы воды соответствовали натурным расходам 26…36 м3/с (при масштабе модели 1:22,5).
Комплексное изучение влияния гасителей различных типов на гидравлические характеристики потока за конусным затвором производилось на стенде для исследования конусных затворов кафедры гидротехнических сооружений МГУП.
Устройства для гашения энергии потока в нижнем бьефе представлены на рисунке. Положение гасителя на водобое определялось расстоянием от места соударения струи, вытекающей из конусного затвора, с дном лотка до оси ряда гасителей. В опытах ряд гасителей располагался непосредственно за сжатым сечением.
При наличии на водобое гасителей необходимая минимальная глубина нижнего бьефа определяется из уравнения количества движения, составленного для отсека жидкости единичной ширины, ограниченного сжатым сечением 1-1 и сечением в нижнем бьефе 2-2
, (5) где h1 и h2 – сопряженные глубины прыжка в предельном состоянии; q – удельный расход на водобое; Rx – реакция гасителя (горизонтальная составляющая):
; (6)
; (7)
, (8)
где Кс – коэффициент лобового сопротивления гасителя; v – скорость набегающего потока, принимая равной скорости в сжатом сечении; w - площадь миделевого сечения тела, которая определяется по формуле
, (9)
где с – высота гасителя; s – ширина гасителя; s0 – расстояние между гасителями в ряду.
Реакция гасителей при заданных величинах удельного расхода и сжатой глубины также зависит от следующих факторов: высоты и ширины гасителей; угла наклона их передней грани к горизонту; числа рядов гасителей и расстояния их до сжатого сечения.
Нами предлагается для рассмотренных типов гасителей аналитический метод расчета по определению коэффициента лобового сопротивления гасителей с учетом лабораторных исследований, который учитывает вышеперечисленные факторы, влияющие на реактивность гасителя.
Зная значения вторых сопряженных глубин, определенных в результате модельных исследований, была определена реакция гасителя по зависимости (6), а затем определялся коэффициент лобового сопротивления по формуле (8) для трех рассматриваемых типов гасителей. Результаты вычислений приведены в таблице. Расчет проводится на один погонный метр для плоской задачи с учетом следующих допущений:
толщина струи на сходе с передней грани гасителя равна сжатой глубине;
равномерное распределение скоростей в струе на сходе с передней грани гасителя;
допускается, что при установке гасителей в любом сечении гидравлического прыжка скорость в данном сечении не изменяется.
Тип 1. Пирамидальный Тип 2. Гаситель энергии с Тип 3. Гаситель энергии
гаситель энергии a==45º наклонной передней гранью с вертикальной передней
a==45º гранью a==45º
Конструктивные схемы гасителей энергии
Результаты расчета реакции и коэффициента лобового сопротивления
для трех типов гасителей высотой с = 0,45 м
Qм, л/с | Qн, м3/с | h1н, м | hб. г.н м | Тип 1 | Тип 2 | Тип 3 | ||||||
h2н, м | Rx | Кс | h2н, м | Rx | Кс | h2н, м | Rx | Кс | ||||
10 | 24,0 | 0,17 | 1,46 | 1,3 | 1,97 | 0,28 | 1,23 | 3,51 | 0,33 | 1,18 | 4,72 | 0,44 |
11,5- | 27,6 | 0,2 | 1,53 | 1,38 | 1,79 | 0,26 | 1,33 | 3,15 | 0,30 | 1,28 | 4,19 | 0,41 |
13 | 31,2 | 0,23 | 1,62 | 1,49 | 1,7 | 0,25 | 1,44 | 2,87 | 0,28 | 1,4 | 3,99 | 0,39 |
15 | 36,0 | 0,25 | 1,8 | 1,63 | 1,86 | 0,24 | 1,6 | 2,78 | 0,27 | 1,55 | 4,04 | 0,37 |
На основе выполненных аналитических и модельных исследований можно сделать следующие выводы.
1. Коэффициент лобового сопротивления гасителей с увеличением расхода уменьшается для 1 типа от 0,28 до 0,24, для 2 типа от 0,33 до 0,27, для 3 типа от 0,44 до 0,37;
2. Гасители энергии уменьшают значение второй сопряженной глубины в зависимости от их типа: для гасителей 1 типа это уменьшение составляет 10…12%, для гасителей 2 типа – 12…18% , для гасителей 3 типа – 15…23%.
3. Влияние гасителей 1 и 2 типа на вторую сопряженную глубину гораздо меньше, и, соответственно, значение коэффициента лобового сопротивления для них меньше, чем для 3 типа гасителя.
4. По результатам проведенных экспериментальных исследований можно построить зависимости, позволяющие определить значение коэффициента лобового сопротивления для гасителей энергии рассмотренных типов при других гидравлических параметрах потока.
Библиографический список
1. , Куприянов конусных затворов в гидромелиоративном строительстве. М.: Агропромиздат, 19с.
2. , Тази бьефов при свободном истечении потока из конусных затворов в атмосферу. //Гидротехническое строительство, 1997. №7.
3. Сивак обстановка в нижнем бьефе за сооружениями, оборудованными конусными затворами. /Глобальные экологические проблемы современности. //Материалы 6-й научно-практической конференции учащихся школ, студентов, аспирантов и профессорско-преподавательского состава. Духовность и экология. М.: МГУП. 2004. С.70-72.
4. Сивак различных типов гасителей энергии на экологическую обстановку за водопропускными сооружениями. /Экология и экологическая культура. //Материалы 7-й научно-практической конференции учащихся школ, студентов, аспирантов и профессорско-преподавательского состава. Духовность и экология. М.: МГУП, 2004. С.105-109.
5. Штеренлихт . М.: Энергоатомиздат. 1991 (в 2-х книгах). С. 713.
