Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Анализ существующих предложений по расчету сужений бурного потока
Глава 2. Теоретическое исследование движения бурного потока на участке прямолинейного сужения 57
Глава 3. Экспериментальные установки и методика исследований 71
Глава 4. Экспериментальное исследование прямолинейных сужений бурного потока 106
Глава 5. Расчет параметров бурного потока на участке сужении и оденка эффективности внедрения преджгаешй методики расчета
Литература
Приложение. Акты внедрения результатов диссертационной работы . 2,03
- Анализ существующих предложений по расчету сужений бурного потока
- Теоретическое исследование движения бурного потока на участке прямолинейного сужения
- Экспериментальное исследование прямолинейных сужений бурного потока
- Расчет параметров бурного потока на участке сужении и оденка эффективности внедрения преджгаешй методики расчета
Введение к работе
В соответствии с планами одиннадцатой пятилетки и научно-технической программы Минэнерго СССР, одобренной Госкомитетом по науке и технике СССР, необходимо решение проблемы 0.55.08 "Разработать и внедрить новые технические решения и технологию строительства гидроэлектростанций в сложных природно-климати -ческих условиях".
Данная диссертационная работа связана с решением задания 0.7 НЗ "Усовершенствовать расчетные и экспериментальные методы гидравлических исследований гидротехнических систем, подгото -вить проект указаний по гидравлическим расчетам водосбросных гидротехнических сооружений" проблемы 0.55.08.
При проектировании водосбросных сооружений нередко возникает необходимость устройства участков сужений бурных потоков.
Сужающиеся поверхностные водосбросы были построены на Ну-рекской гидроэлектростанции, Храм-ГЭС, гидроузлах Эль-Мате и Лае-Мерседес. Туннели с участками сужений имеются, например, на Нурекской, Чарвакской, Рогунской ГЭС. Пример такой компоновки приведен на рис. B.I.
Переходные участки, по мнению М.М.Гришина /36/, Н.П. Розанова /84/, СМ. Слисского /94/ и др. ученых, являются весьма ответственными элементами водопропускных сооружений, от их совершенства в значительной мере зависит как надежность работы сопряжений в целом, так и их стоимость.
Устройство участков сужения бурного потока в водопропускных сооружениях обусловлено необходимостью уменьшения ширины русла искусственного сооружения, что приводит к уменьшению стоимости бетонных и земляных работ при подготовке основания под
///////////////// г
У/////////////УУУ_ /////////////////Л \
7/////// / / // // """»»»»»4»)»>i,„tw/ 6т
Рис. B.I Затворная камера безнапорного туннеля (схема) водосброс.
При сужении бурного потока происходит возрастание его глубины, более интенсивное, чем уменьшение ширины, что приводит к увеличению живого сечения бурного потока, которое, в свою очередь, позволяет уменьшить интенсивность возрастания скорости воды. Устройство сужающихся участков позволяет получить улучшенные характеристики потоков в сечениях, т.к. при этом увеличивается отношение глубины к ширине русла.
Целесообразность устройства участков сужения бурного потока обусловлена также необходимостью получения более устойчивого течения вода на быстротоках с точки зрения отсутствия катящихся волн. Это следует из анализа критериев волнообразования, полученных Н.А. Картвелишвили /52/, Т.Г. Войнич-Сяноженцким /28/ и др. учеными /12,82/.
Уменьшение интенсивности возрастания скорости движения бурного потока позволяет также предотвратить появление участков размыва искусственного русла, снизить воздействие кавитации на дно и стенки сооружения, уменьшить степень аэрации.
Участки сужения бурного потока нередко входят: и в состав дорожных и мелиоративных водопропускных сооружений Срис.В.2). В ряде случаев участок сужения устраивают и за трубой, перед отводящим быстротоком.
Сужение бурного потока и увеличение глубин на входе в безнапорную трубу позволяет повысить ее пропускную способность за счет более эффективного использования всего сечения трубы, появляется также возможность использовать трубу с меньшей шириной и получить немалый экономический эффект.
По данным наблюдений сотрудников МАДИ многие построенные участки сужения косогорных водопропускных труб работают неудов-
Рис. В. 2. Косогорная водопропускная труба (верхний бьеф)
I. Подводшций быстроток (часть) 2« Сопрягавдий участок 3« Звенья трубы летворительно.
Использование прямолинейных плоских конструкций для участков сужений нередко позволяет уменьшить стоимость, сроки строительства и протяженность таких элементов сооружений.
Цель работы - исследование движения бурного потока на участке прямолинейного симметричного сужения с плоским наклонным дном и вертикальными стенками, а также разработка способа расчета переходных сужающихся участков водопропускных сооружений.
Научная новизна. I. Получено уравнение для определения сопряженных глубин косого гидравлического прыжка на участке сужения при наклонном дне.
Предложено уравнение, описывающее изменение глубин на фронтальной поверхности косого прыжка-волны, из которого получены зависимости для определения характерных глубин и расстояний до них в прямом и косом прыжке-волне.
Получены формулы для определения максимальных глубин и их плановых положений вдоль стенок и на оси участка сужения.
Проведено экспериментальное исследование распределения глубин на участках прямолинейных сужений в широком диапазоне определяющих параметров (Чисел Фруда от 4 до 49, углов сужений от 3 до 30, уклонов дна от 0,00 до 0,30, степеней сжатия от 0,75 до 0,25).
Исследована трансформация распределения местных осреднен-ных скоростей и давлений в бурных потоках на участках прямолинейных сужений.
Практическая ценность работы заключается в разработке инженерной методики расчета участков прямолинейных сужений бурных потоков при наклонном дне для гидротехнических, дорож- ных и гидромелиоративных сооружений. Полученные в диссертации зависимости для определения глубин и давлений в бурном потоке позволяют более обоснованно выполнять гидравлические расчеты участков прямолинейных сужений.
Внедрение результатов работы осуществлено институтом Гид-ропроект им.С.Я.Жука (Тбилисское отделение) при проектировании безнапорного участка сужения глубинного водовыпуска Жинвали-ГЭС.
Материалы диссертации использованы ШИИГ им.Б.Е.Веденеева при составлении Указаний по гидравлическим расчетам водосбросных гидротехнических сооружений.
Результаты диссертации в виде расчетов непризматических участков дорожных водопропускных сооружений использованы институтом Согоздорпроекг при разработке типового проекта дорожных водоотводных сооружений.
Апробашя работы. Результаты проведенного исследования докладывались на заседаниях научно-технических конференций МАДИ (1976.г., 1977 г.) и МИСИ (1978 г.) на республиканском научном семинаре по гидравлике открытых русел при КАДИ (1978г.), на лабораторном совете отдела гидравлических исследований НИСа Гидропроекта (1983 г.), на научном семинаре кафедры гидравлики СІМ (1983 г.), на лабораторном совете комплексной лаборатории гидравлики БНИИГ им.Б.Е.Ведеяеева (1984 г.),йа Всесоюзном научно-техническом совещании ГВС-84 (1984 г.).
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 8 печатных работах.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы (157 наименований). Основное содержание работы изложено на 143 стр.машинописного текста, содер- жит 55 рисунков, 17 таблиц. Приложение к работе включает акты внедрения.
На защиту выносятся:
I.Расчетная модель движения бурного потока на участке прямолинейного сужения.
Зависимости для определения максимальных глубин и их плановых положений на участке сужения при горизонтальном и наклонном дне.
Результаты экспериментального исследования движения бурного потока на прямолинейном участке сужения.
Методика гидравлического расчета участков прямолинейных сужений водопропускных сооружений.
Работа выполнена на кафедрах гидравлики МАЛИ и МИСИ им. В. В. Куйбышева.
Экспериментальные исследования проводились автором в отделе гидравлических исследований НИСа Гидропроекта им.С.Я.Жука.
Автор выражает глубокую признательность научному руководителю профессору Н.М.Константинову за внимание и большую помощь при работе над диссертацией и благодарит профессора, доктора технических наук А.Д.Альтшуля и старшего научного сотрудника, кандидата технических наук Ю.П.Правдивца за ряд ценных замечаний по настоящей работе.
Анализ существующих предложений по расчету сужений бурного потока
Анализ литературных данных показывает,что участок сужения бурного потока для водопропускных сооружений может быть выполнен в виде конструкций трех типов: 1. криволинейные стенки и дно двоякой кривизны; 2. плоское дно и криволинейные стенки; 3. плоское дно и прямолинейные стенки. Правильно рассчитанное сужение бурного потока, имеющее криволинейные дно и стенки, несомненно является самым совершенным с точки зрения гидравлики.
Теория управления бурным потоком на криволинейных по -верхностях была заложена работами советского ученого Н«Е. Кондратьева /65, 66/. Дальнейшее развитие она получила в трудах Л.И. Высоцкого /29 31/, Б.Т. Бмцева /40, 47,50/ А.А. Турсунова /109, НО/, А.Д. Гиргидова /34, 35/, К.Сабрамани /152/, A.M. Тужилкина /108/, Б.й. Юдина /133, 134/ и др..
Так называемое уравнение бесциркуляционного поворота бурного потока, определяющее положение кривой свободной поверхности в каждой точке, Н.Е. Кондратьев получил в 1940 году в виде: где J"=f(S) - радиус кривизны;S -продольная координата; 2=4(S) " отметка свободной поверхности Для решения этого уравнения Н.Е. Кондратьев вводит упрощающие допущения и дает конечно-разностную схему расчета.
Однако в применении этих методов имеются практические трудности, т.к. для решения задачи требуется провести довольно сложный подбор так называемых характеризующих функций, определяющих плановое очертание линий тока на участке суже -ния. Интегрирование дифференциальных уравнений в криволинейных координатах сопряжено с длительными вычислениями с помощью ЭНй. Технологическая сложность не всегда приемлема для реализации криволинейных конструкций.
Методы расчета конструкций с дном двоякой кривизны А,А. Турсунова и А.Д. Гиргидова, основанные на теории "мел -кой" воды, не нашли пока широкого распространения ввиду еде -данных авторами ограничений, которые существенно сужают об -ласть применения этих решений. Опыты А.Д. Гиргидова показали, что применение его метода к случаям значительных продольных уклонов приводит к заметному расхождению расчетных и опытных данных.
Сужение бурного потока конструкцией с криволинейными стенками и плоским дном, с точки зрения гидравлики, является менее совершенным водопропускным сооружением, чем конструкция с дном двоякой кривизны. Управление бурным потоком в этом случае осуществляется только с помощью боковых стенок /45/. Такое сужение может быть рассчитано по одномерной теории на заданное изменение гидравлических параметров, например) по методу Б.Т. Емцева /42/ на линейный закон увеличения глубины: где U) и u) площади в произвольном (расстояние Ь ) и начальном сечениях быстротока; причем 11 L , h h с - уклон, длина, глубина в начальном и конечном сечении быстротока; г— _ - среднее значение параметра, учитывающего потери напора на длине участка Ъ В.Г.Вереземский в своей работе /20/ применяет уравнение одномерного плавноизменяющегося течения для построения плановых очертаний участков сужений для случаев: h=fc №,i) Fl-0)n j V=tOttst Р.И.Вагапов получил дифференциальное уравнение движения жидкости в непривматическом канале /16/, по которому также можно рассчитать участок сужения бурного потока. Расчет криволинейных сужений с плоским дном по одномерной теории допустим при весьма малой кривизне стенок и относительно небольших параметрах кинетичности бурного потока, т.к. замена параметров течения их средними значениями в живых сечениях, как это показано в работе В.Б.Холодкова /121/, может привести к значительному отличию расчетных и опытных данных, или к очень большой длине участка сужения. Более обоснованным является применение двухмерной теории к расчету криволинейных участков сужения с плоским дном.
Теория двухмерных бурных потоков была заложена работами советских ученых Н.Т.Мелещенко /74/т Г.И.Сухомела /105/, в которых дан анализ особенностей движения бурных течений в непризматических горизонтальных руслах. С.Н.Нумеров /81/ и Ф.И.Франкль /115/ расширили решение Н.Т.Мелещенко на случай учета сил трения и малого уклона дна русла.
В ряде случаев методы расчета бурных потоков основываются на понятии линии возмущения, которая представляет собой остановившуюся волну малой высоты, возникающую в бурном потоке вследствие отклонения боковой стенки на малый угол. Физическая линия возмущения в потоке математически описывается при помощи характеристик, "вытекающих" из уравнений движения. Уравнения направления и изменения параметров потока вдоль характеристик могут быть получены из системы уравнений (1.4).
Б.Т.Емцев и В.В.Холодков использовали метод характеристик для расчета симметричных сужений бурного потока /48, 49, 118, 119/ при больших уклонах дна с учетом сил трения. Как показали эксперименты, такой способ построения криволинейного участка сужения с плоским дном удовлетворительно согласуется с требованием минимальных деформаций свободной поверхности бурного потока.
Теоретическое исследование движения бурного потока на участке прямолинейного сужения
Рассмотрим схему образования косого прыжка-волны на горизонтальном дне (рис.2.4) как основу решения задачи определения местных глубин и их положений на участке симметричного сужения. Учет влияния продольного наклона дна водовода на изменение максимальных глубин и их плановых положений будет сделан в главе 4 на основе результатов экспериментальных исследований. Течение бурного потока после взаимодействия со стенками участка сужения или поворота можно представить в виде сложения двух потоков, направленных взаимно ортогонально.
Первый поток направлен перпендикулярно (линия h-Ц ) фронту косого гидравлического прыжка, расположенного под углом р . Второй поток движется вдоль фронта ( t ). Как было показано в параграфе 2.1, при горизонтальном дне изменения параметров движения в нем не происходит.
Подробно рассмотрим движение первого потока для случая образования в направлении ( П-П ) прыжка-волны. Именно для этого случая возможны максимальные отклонения глубин от рассчитанных по зависимостям полученным в разделе 2.1.
При рассмотрении задачи предполагается, что в направлении ( h-n ) происходит движение идеальной жидкости, у которой на любой вертикали векторы скорости компланарны и их горизонтальные составляющие постоянны по глубине. При X 0, из основного уравнения получаем вначале профиль глубин, соответствующий обратному склону уединенной волны, далее, при h h этот профиль плавно переходит в про-филь типа кноидальнои волны. Доказательство существования такого комплекса уединенной и кноидальнои волны приводится, например, в работах И.Ивасы и В.Г.Вереземокого /138,22/. Подробному изучению кноидальных волн посвящены работы Р.Ви-гела /157/, И.Сандовера и С.Тейлора /150/ и др. Из основного уравнения косого прыжка-волны (2.26) получим формулу для определения условной длины фронтальной поверхности прыжка. Расстояние t0 (рис, 2.4) от вершины волны до точки перегиба кривой свободной поверхности найдем из условия равен-ства нулю второй производной - . При этом угол наклона свободной поверхности достигает максимального значения, а кривизна минимальной величины. В окрестностях этой точки расположено вертикальное сечение, в котором давление распределяется по гидростатическому закону и линия свободной поверхности пересекает пьезометрическую линию.
Необходимо отметить, что при увеличении глубины невозмущенного потока h4 , расстояние ХДОп увеличивается, т.к. і и v0 есть возрастающие функции от глубины. В одномерной постановке поток с параметрами Нг и Рг встречает осевую, воображаемую, стенку под углом в и образу 65 ет вторичный фронт под углом $г . За этим фронтом параметры потока будут Ц и hb . В случае рассматриваемого решения задачи расчета сужения бурного потока (рис. 2.5), как указывалось выше, вместо однородного потока с Ь2 и в имеет место движение воды с переменными глубинами и скоростями. Максимальная глубина при этом равняется Kg , а число Фруда Fig . В результате взаимодействия такого потока с осевой "непроницаемой стенкой" возникает косой прыжок не с глубиной hs , а с переменными глубинами. Максимальная глубина этого косого прыжка h или чаще ее обозначают hrp , т.н. по сути это будет глубина потока под гребнем на оси сооружения. Эта максимальная глубина на оси будет образовываться в результате взаимодействия эле -ментарного потока шириной ДУ и параметрами hg , &% с осевой, "непроницаемой стенкой".
Анализ векторного соотношения скоростей показывает, что элементарные потоки в косом прыжке, имеющие различные глуби -яы, встречают осевую линию под углом близким к0, но не всегда равным углу сужения.
Экспериментальное исследование прямолинейных сужений бурного потока
Экспериментальные исследования участков сужений бурного потока состояли из 43 серий, по 5+6 опытов в каждой серии,проведенных при различных Фрудах ( 1. = 4+49), углах сужения (9= 3+30), уклонах дна ( Le= 0,00+0,30), начальных глубинах (h(= 2+7,5 см), степенях сжатия Е= 0,25+0,75. Как отмечалось в главе 3, одной из задач экспериментальных исследований является опытная проверка в широких пределах hi » правильности определения параметров -rf- и р косого гидрав лического прыжка.
Для большинства экспериментов отношение глубин -г и угол фронта р4 определялись следующим образом.Строился график экспериментальных данных, в котором вид определяемого сечения в плане представлялся в одинаковом продольном и поперечном масштабе. Затем на график наносили профили волн при соответствующих продольных расстояниях Xі; значения действительных глубин, наносимых на график в том же вертикальном масштабе, не зависело от продольного масштаба. Результирующий график дает "перспективный1 вид фронта прыжка, оставляя вое размеры в действительном масштабе, причем единственным ограничением являлось то, что углы измерялись в плоскости дна лотка. На рис. 4.1 приводится график этого типа при числе Фруда R4 = 16 для угла сужения 9=6. На этом же рисунке приводится характерная форма волнооб разного прыжка. В случае волнообразных прыжков, как показали эксперименты, глубину \\г можно определить как глубину равновесия первоначальной и последующих волн. В случае совершенного прыжка глубина определяется сложнее вследствие интенсивного волнения вблизи его фронта. В этом случае используется глубина около отклоняющей стенки. Окончательная величина Ь2 для каждого опыта представляет собой среднее значение отдельных отношений для нескольких глубин поперечных профилей.
Экспериментальное определение угла фронта косого прыжка - общепризнанный метод, применимый как для гидравлических прыжков волнообразного типа, так и для прыжков с вальцом.
Место фронта волны приближенно воспроизводится вертикальной линией так, чтобы треугольные зоны (выше и ниже профиля волны), образуемые горизонтальными линиями с глубинами п4 и Избыли равными. Пересечение этих линий с дном лотка отмечается для каждого профиля,и через эти точки проводят прямую для определения угла фронта стоячей волны. Преимущество этого метода заключается в определенности и возможности устранения ошибки, это весьма важно в случае прыжков с вальцом, где измерение профиля весьма затруднительно.
Линия, от которой измеряется угол волны, не может проходить точно через точку отклонения стенки в связи с конечной толщиной фронта прыжка. В случае прыжка малой высоты поток изменяется довольно медленно, тогда как при больших высотах поверхностный уклон приближается к вертикальному и возможно опрокидывание или разрушение волны. Крутые фронты вызывают большие вертикальные ускорения и,следовательно,значительные отклонения от предпо лагаемого гидростатического распределения давления под фронтом. Таким образом, фронты прыжков имеют глубины больше расчетных. Однако на некотором расстояния от фронта линии тока становятся параллельными дну и глубины достаточно близко подходят к теоретическим.
При сравнений измеренных профилей глубин вдоль стенки с теоретическими можно отметить, что, во-первых, измеренные профили показывают замедленное и постепенное повышение глубин по сравнению с теоретическими, резко изменяющимися на изломе стенки; во-вторых, в конце сужения не наблюдается резкого изменения глубины, как при вычислении, профиль сохраняется широким и скругленным. Оба различия объясняются действием распределения скорости вдоль стенки, а скорость увеличивается от 0 до средней скорости в пределах определенного конечного расстояния от стенки, которое указывает, что узловое измене -ние непосредственно не передается от стенки к основному потоку. Первоначальное угловое изменение д9 происходит в пределах пристенного слоя с меньшим числом Фруда и поэтому с меньшим изменением уровня поверхности. Крутое повышение про -филя замедляется в связи с тем, что зона больших скоростей уже подверглась некоторому воздействию. Действие этого пограничного слоя более заметно при проведении экспериментов на уменьшенных моделях, т.к. размеры пограничного слоя соизмеримы с глубиной.
Расчет параметров бурного потока на участке сужении и оденка эффективности внедрения преджгаешй методики расчета
Методика решения вышеуказанных задач, несмотря на их различие, может быть единой с некоторыми особенностями, учитывающими специфику проектирования данного типа сооружения. Последовательность проведения расчетов покажем на примере методики решения задачи 2. Необходимо отметить, что данную методику можно применять в диапазоне изменения чисел Фруда R4 =4+50, углов сужения В =3 30, уклонов дна LD= 0,00+0,30, сте -пеней сжатия бурного потока , = 0,25+0,75. Дано: расчетный расход воды тсч CPQ№E& уклон лога1&, необходимая длина подводящего быстротока L% , общая длина звеньев трубы, коэффициент шероховатости "П". Определить: размеры подводящего быстротока, участка прямо.-линейного сужения и звеньев трубы. Решение По заданному расходу GLaC4 определяем, используя данные типового проекта /107/, ширину стандартного быстротока &S прямоугольного сечения. Для повышения эффективности берем ширину трубы 0тр ближайшего меньшего сечения, чем это указано в типовом проекте /107/.
Данная методика расчета позволяет достаточно быстро определять компоновку, глубины и средние скорости воды на участках сужений бурных потоков как в области дорожно-транспортного, гидромелиоративного, так и гидротехнического строительства. Примеры использования методики, результаты расчетов и проверочных исследований приведены в работах /64, 88/. Так, расчет глубинного водовыпуска из водохранилища Жинвали-ГЭС по данной методике позволил улучшить его компоновку, условия эксплуатации и экономические показатели (приложение I). Получено удовлетворительное подтверждение результатов расчетов данными экспериментальных исследований, проведенных сотрудниками кафедры гидротехнических сооружений МГМИ. На расстоянии X = 400 мм от начала сужения скоростная структура бурного потока почти сформировалась (рис. 4.32). Эпюры скорости почти на всех вертикалях имеют вид весьма близкий к прямоугольному, направление векторов скорости параллельно отклоняющей стенке. Величина скорости под вершиной волны практически совпадает с расчетным значением скорости по теоретическому решению.
В экспериментальных исследованиях лазерный доплеровский измеритель скорости (ЛВДС) использовался, как контрольный инструмент, для определения величин местных скоростей воды на участке подводящего быстротока.
В процессе экспериментальных исследований распределения местных скоростей воды на быстротоке предложена рациональная конструкция для сопряжения бурного и спокойного потоков, на которую получено авторское свидетельство /32/.
Таким образом, в результате экспериментальных исследований подтверждены расчетная схема и формулы для определения глубин и углов фронта косого прыжка в одномерной постановке при горизонтальном и наклоненном дне. Следует отметить, что вышеуказанные формулы проверены в широком диапазоне изменения чисел Фруда (4 49), углов сужения (3 30) и уклонов дна (0,0 0,3). Дано физическое объяснение отличий результатов расчетов и экспериментов.
Полученные в главе 2 зависимости для определения характерных глубин и длин косого прыжка-волны подтверждены, яри FLVZ.3 4, данными опытов автора и других исследователей. По результатам экспериментальных исследований получена зависимость для величины максимальных давлений вдоль откло -няющей стенки при углах сужения от 3 до 30. Как показали опыты, изменение уклона дна в широком диапазоне (0,0 0,30) не влияет на величину максимального давления воды вдоль стенки.
Проведенные опыты позволили выявить характерные изменения структуры местных скоростей в пространственном бурном потоке. На основе полученных расчетных схем и зависимостей, с учетом экспериментальных данных, создана методика гидравлического расчета участков прямолинейных сужений бурного потока, изложенная в следующей главе.
