Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 8
I. КРАТКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ
И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ 15
I.I.Конструкция и технология работы механического
рыбоподъемника Краснодарского гидроузла 15
1.2.Исследования и методы расчета структуры потока
в условиях плоской задачи 20
1.2.I.Исследования и методы расчета распределения
скоростей в условиях плоской задачи 20
1.2.2.Исследования затухания повышенной турбулент
ности на послепрыжковом участке 32
1.3.Исследования и методы расчета планового рас
пределения скоростей в нижнем бьефе гидротехни
ческих сооружений 34
1.4.Выводы,вытекающие из рассмотрения литературного
материала 45
1.5.Дифференциальные уравнения движения жидкости ... 46
1.6.Задачи исследований 50
П. ДВИЖЕНИЕ ЖИДКОСТИ В ШБОНАКОПИТЕЛЬНОМ ЛОТКЕ ЗА
ВОДОБОЙНЫМ КОЛОДЦЕМ И В НИЖНЕМ БЬЕФЕ ГИДРОУЗЛА .. 53
2.1.Граничные условия. Приведение уравнений движения
и граничных условий к безразмерному виду 53
2.2.Движение жидкости за водобойным колодцем в ры-
бонакопительнш лотке 56
2.3.Движение жидкости в нижнем бьефе гидроузла 62
стр.
2.3.І.Конечно-разностный аналог системы (2.45) 64
2.3.2.Конечно-разностный аналог уравнения (2.46) .... 74
2.4.Выводы по второй главе 77
Ш. ЭКСПЕЙШЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СТІУКТУШ ПОТОКА В ШБОНАКОІШТЕЛЬНОМ ЛОТКЕ ЗА ВОДОБОЙНЫМ КОЛОДЦЕМ И В НИЗШЕМ БЬЕФЕ ГИДРОУЗЛА В ЗОНЕ ПШВЛЕЧЕНИЯ ШБ ... 78
3.1.Методика проведения лабораторных исследований 78
3.2.Определение длины участка повышенной неравномерности распределения скоростей в рыбонакопительном
лотке за водобойным колодцем 83
3.2.1.Изучение характера и степени влияния гидравличес
ких параметров потока и геометрических размеров водо
бойного колодца на длину участка повышенной неравно
мерности распределения скоростей 84
3.2.2.Нахождение расчетных зависимостей по определе
нию длины участка повышенной неравномерности распреде
ления скоростей 90
3.3.Изучений условий прохождения рыб через водобойный
колодец 96
3.4.Определение коэффициентов турбулентного обмена ... 101 3.4.1.Методы определения безразмерных коэффициентов
турбулентного обмена 101
3.4.2.Результаты исследований по определению безразмерного коэффициента турбулентного обмена за водобойным
колодцем в рыбонакопительном лотке 105
3.4.3.Определение безразмерных коэффициентов турбулент
ного обмена 8. и ^для решения задачи о растекании
потока в нижнем бьефе гидроузла 114
стр.
3,4,3.I.Методика и результаты исследований по
определению Лту '- 114
3.4.3.2.Методика и результаты исследований по
определению .
3.5.Анализ результатов расчетов распределения скоростей в нижнем бьефе гидроузла в зоне
привлечения рыб 126
3.6,Натурные исследования механического рыбоподъем
ника Краснодарского гидроузла 137
3.6.I.Методика исследований 138
3.6.2.Распределение скоростей за водобойным колод
цем в рыбонакопительном лотке 140
3.6.3.Затухание повышенной турбулентности в рыбо
накопительном лотке 144
3.6.4.Гидравлические исследования нижнего бьефа
Краснодарского гидроузла 149
3.6.5.Сопоставление результатов натурных и лабора
торных исследований 152
3.7.Выводы по третьей главе 155
ІУ. ПШМЕШ РАСЧЕТОВ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ СКОГОСТЕЙ В ЗОНЕ
ПРИВЛЕЧЕНИЯ И НАКОПЛЕНИЯ РЫБ. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИ
ЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ОТ. ВНЕДРЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ
ИССЛЕДОВАНИЙ 157
4.1.Подход к составлению прогноза захода рыб
в рыбопропускные сооружения 157
4.2.Примеры расчетов 162
4.2.1.Пример расчета длины участка повышенной неравномерности распределения скоростей за водобойным
стр.
колодцем в рыбонакопительном лотке 162
4.2.2.Примеры расчета распределения скоростей
потока в рыбонакопительном лотке и в нижнем
бьефе гидроузла. Прогноз захода рыб в рыбопро
пускное сооружение 164
4.3.Технико-экономическая эффективность
от внедрения результатов исследований 173
ВЫВОда 175
Список использованных источников ,. 177
Приложение I 188
Приложение II 195
Приложение III 200
ПРЕДИСЛОВИЕ
Гидравлическими исследованиями рыбопропускных сооружений Калининский ордена Трудового Красного Знамени политехнический институт занимается более двадцати лет. Полученные за этот период результаты использованы как при проектировании,так и при эксплуатации сооружений.
Настоящая работа посвящена разработке методики расчета структуры потока в зоне привлечения и накопления рыб в рыбопропускных сооружениях.
Работа выполнялась в течение І976-І98І г.г. на кафедре "Гидравлика и гидравлические машины" Калининского политехнического института и на механическом рыбоподъемнике Краснодарского гидроузла под научным руководством кандидата технических наук,профессора А.Ш.Барекяна. Исследования,связанные с изучением поведения рыб в потоке воды,проводились в лаборатории низших позвоночных Института эволюционной морфологии и экологии животных им.А.Н.Северцова АН СССР и на плавучей экспериментальной базе этого института под руководством доктора биологических наук Д.С.Павлова. Результаты работы докладывались и обсуждались на Координационном совещании по вопросам рыбопропуска и рыбоза-щиты (г.Ffora),научно-технических конференциях в Новочеркасском инженерно-мелиоративном институте,Калининском политехническом институте,в школе передового опыта "Сооружения и устройства для сохранения естественного воспроизводства ценных промысловых рыб при гидростроительстве на внутренних водоемах" (г.Краснодар) и изложены в восьми статьях,опубликованных в трудах института "Гидропроект" им.С.Я.Жука,Межвузовских тематических сборниках "Деловые процессы и гидравлика сооружений",журнале "Рыб-
ное хозяйство",докладах Академии наук.
По теме диссертации составлено два научно-технических отчета, выполненных в соответствии с Координационным планом работ по решению проблемы 0.85.01 задания 10.02.03 "Создать конструкции и устройства для рыбопроцуска и рыбозащиты на водозаборах с большими расходами воды" Государственного комитета по науке и технике Совета Министров СССР.
\
Введение к работе
Зарегулирование рек и возведение каскадов гидроузлов привело к снижению численности ценных промысловых видов рыб во внутренних водоемах Советского Союза. На реках Европейской части страны запасы проходных и полупроходных видов рыб уменьшались в среднем на 40$, а на реках Кубань,Волга,Дон - на 70-75$. К числу компенсационных мероприятий при гидротехническом строительстве на реках относится строительство рыбопропускных сооружений (НІС),позволяющих пропустить к местам нереста производителей проходных и полупроходных видов рыб. Одним из наиболее эффективных рыбопропускных сооружений в Советском Союзе является механический рыбоподъемник Краснодарского гидроузла.
Цель настоящей работы - разработать методику расчета структуры потока в зоне привлечения и накопления рыб в рыбопропускных сооружениях.
В первой главе работы описывается конструкция,технологическая схема работы НІС,требования,предъявляемые к гидравлике рыбопропускных сооружений,литературный обзор,задачи исследований.
Механический рыбоподъемник состоит:из: рыбонакопительного лотка; рабочей камеры; блока питания в виде водослива практического профиля; на гребне которого установлен плоский затвор, с водобойным колодцем; эстакады. ыба, привлеченная потоком воды, в нижнем бьефе гидроузла заходит в рыбонакопительный лоток и постепенно накапливается в нем. По истечении определенного промежутка времени побудительным устройством рыба концентрируется в рабочей камере сооружения и в контейнере перемещается из нижнего бьефа в верхний,где и выпускается.
При обзоре работы Б.С.Малеванчика,Д.С.Павлова,Л.М.Нусенбаума,
А.Ш.Барекяна и других ученых,занимающихся вопросами исследований, проектирования и эксплуатации рыбопропускных сооружений,выявлены требования,предъявляемые к гидравлике НІС,на основе которых сформулированы задачи к обзору литературных источников: исследования и методы расчета структуры потока в условиях плоской задачи (к данному классу задач была отнесена задача о растекании потока за водобойным колодцем в рыбонакопительном лотке); исследования и методы расчета распределения скоростей в нижнем бьефе гидротехнических сооружений.
После критического рассмотрения работ Г.Н.Абрамовича,0.А. Бушмарина, И. М. Коновал ова,М. А.Михалева, Р.И. Российского ,Н .М. Вернадского, Й.И.Леви, Г. В. Востржела,И.Л.Шеренкова, В. Н.Лятхера,Д.И. Кумина и др. были сформулированы задачи исследований: разработать методику расчета длины участка повышенной неравномерности распределения скоростей за водобойным колодцем в рыбонакопительном лотке при больших значениях коэффициента затопления гидравлического прыжка,необходимую для проектирования рыбопропускных сооружений; разработать методику расчета распределения скоростей за водобойным колодцем в рыбонакопительном лотке и в нижнем бьефе гидроузла; изучить затухание повышенной турбулентности за водобойным колодцем в рыбонакопительном лотке и нижнем бьефе гидроузла в натурных условиях.
Для расчета распределения скоростей в рыблнакопительном лотке за водобойным колодцем,в нижнем бьефе гидроузла использовалась система дифференциальных уравнений,состоящая из уравнений движения жидкости в форме Рейнольдса и уравнения неразрывности. При записи касательные турбулентные напряжения,коэффициенты турбулентного обмена (вязкости),входящие в уравнение движения жидкости, задавались по второй гипотезе Прандтля,по которой эти ко- эффициенты постоянны в каждом конкретном сечении и изменяются вдоль потока.
Во второй главе приводятся конечно-разностные аналоги исходной системы для решения задач растекания потока за водобойным колодцем в рыбонакопительном лотке и в нижнем бьефе гидроузла.
При рассмотрении задачи о растекании потока за водобойным колодцем в плоскости осевой симметрии в качестве исходных использованы первое уравнение движения жидкости, уравнение неразрывности и уравнение постоянства расхода. По полученному конечно-разностному аналогу этой системы,используя предложения А.Н. Ширшова,составлена программа для расчета распределения скоростей в рыбонакопительном лотке на ЭВМ,для реализации которой необходимы значения коэффициентов турбулентного обмена. При расчете распределения скоростей в нижнем бьефе гидроузла рассмотрено два случая: первый,когда определяется распределение только продольной составляющей скорости, в этом случае используется только одно уравнение движения жидкости; второй - рассчитывается распределение всех трех составляющих скорости - продольной, поперечной и вертикальной,в этом случае используется система уравнений,состоящая из двух уравнений движения жидкости и уравнения неразрывности. При записи уравнений движения жидкости в конечно-разностной форме значений функций и коэффициентов турбулентного обмена,стоящих перед производными,записывались в /і~-ом сечении,там,где они известны,а сами производные - /L+I, там,где их необходимо определить. По полученным конечно-разностным аналогам уравнений составлены программы для расчета распределения скоростей на ЭВМ,которые приводятся в приложении. Для реализации программ необходимы,так же,как и при решении задачи о растекании потока за водобойным колодцем,значения безразмерных коэффициентов турбулентного обмена.
В третьей главе приводятся методика и результаты лабораторных и натурных гидравлических исследований.
Еасчетные зависимости по определению длины участка повышенной неравномерности распределения скоростей U за водобойным колодцем в рыбонакопительном лотке находились по данным лабораторных исследований. На длину/, изучалось влияние следующих шести факторов: числа Фруда fic ,вычисленного для сжатого сечения; удельного расхода fy ; относительной длины водобойного колодца- р» относительной глубины колодца -^- ; величины коэф-фициента затопления гидравлического прыжка в водобойном колодце 6; угла наклона выходной грани водобойного колодца j5 . Характер и степень влияния перечисленных факторов определялись по планам экспериментов,построенным с использованием теории математического планирования экспериментов. Анализ полученного экспериментального материала показал,что длина ^ при "длинных" водобойных колодцах,т.е.приЛ^>1,2,не зависит от изменения исследуемых факторов,а является функцией глубины потока в рыбонакопительном лотке. В случае "коротких" водобойных колодцев,т.е. а при 0,7 ^ - ^ 1,2 величина/, не зависит от изменения угла наклона выходной грани р и удельного расхода ^ э& является функцией (в порядке возрастания влияния факторов) & , 5^-, 4 , ?ъе . Цроверка на адекватность полученных математических моделей показала,что только в случае "длинных" водобойных колодцев модель адекватна,поэтому она и была использована в качестве расчетной для определения L . При нахождении расчетных зависимостей по определению длины участка повышенной неравномерности распределения скоростей в случае "коротких" водобойных колодцев,т.е. при j^ <1,2 использоваласьтеория рационального планирования эксперимента,разработанная М.М.Протодьяконовым и Р.И.Тедером. Среднеквадратическое отклонение опытных данных от вычисленных по полученным зависимостям составляет 8,7$.
Одновременно с изучением распределения скоростей в рыбонако-пительном лотке находились безопасные условия прохождения производителей рыб через водобойный колодец. Опытами с плотвой и гольяном показана возможность устраивать водобойные колодцы в рыбопропускных сооружениях с углом наклона выходной границе =90.
Коэффициенты турбулентного обмена определялись двумя способами: первый - по методике,разработанной А.Н.Ширшовым; второй -из конечно-разностного аналога первого уравнения движения жидкости, записанного для условий плоской задачи. Безразмерные коэффициенты турбулентного обмена за водобойным колодцем находи-дились по эпюрам скоростей,полученным при определении длины участка повышенной неравномерности распределения скоростей.Для задачи о растекании потока в нижнем бьефе гидроузла в зоне привлечения рыб выполнены специальные эксперименты. Полученные коэффициенты использованы при расчете распределения скоростей для модели гидроузла с рыбопропускным сооружением. Максимальное расхождение опытных и расчетных данных составляло 10$, среднеквадратическое - 8,3$.
Натурные гидравлические исследования механического рыбоподъемника Краснодарского гидроузла выполнены в 1976-77 г.г. Для получения осредненных во времени скоростей потока использовались гидрометрические вертушки ГР-55, пульсационных - микровертушки Х-б (диаметр лопасти 15 мм).
При анализе распределения осредненных скоростей в рыбонако-пительном лотке установлено,что во всех исследованных режимах на входе в лоток коэффициент,учитывающий неравномерность распределения скоростей по живому сечению,выше нормативного,что ІЗ указывает на недостаточную длину рыбонакопительного лотка.Сравнение результатов натурных и лабораторных исследований,выполнена ное по безразмерному коэффициенту турбулентного обмена,показало удовлетворительную сходимость. Максимальное расхождение составляет 20%.
Результаты изучения затухания повышенной турбулентности потока в рыбонакопительном лотке и в нижнем бьефе гидроузла анализировались с использованием данных изучения поведения рыб в потоке воды,полученных,при непосредственном участии автора,сотрудниками Калининского политехнического института и Института эволюционной морфологии и экологии животных им,А.Н.Северцова АН СССР. В связи с тем,что интенсивность турбулентности при одной и той же скорости потока за рыбопропускным сооружением ниже,рыба будет предпочитать уходить в сторону водосбросных отверстий. В рыбонакопительном лотке интенсивность турбулентности потока выше,что оказывает отрицательное влияние на привлечение рыб.
В четвертой главе приводятся методика по определению эффективности работы рыбопропускных сооружений по известной структуре потока в зоне привлечения рыб,разработанная при участии автора в КШ и ИЭМЭЖ АН СССР,примеры расчетов длины участка повышенной неравномерности распределения скоростей за водобойным колодцем в рыбонакопительном лотке рыбопропускного сооружения и распределения скоростей за водобойным колодцем,в рыбонакопительном лотке и нижнем бьефе модели гидроузла в зоне привлечения рыб.
Для конкретного режима работы модели гидроузла по разработанной методике составлен прогноз захода плотвы длиной 25 мм в рыбопропускное сооружение, а также показана область возможного размещения ее в рыбонакопительном лотке. в-Й^Л
Результаты исследований,изложенные в диссертации,переданы институту "Гидропроект" им.С.Я.Жука,вошли в "Пособие по проектированию и расчету рыбопропускных сооружений речных гидроузлов и рыбозащитных устройств" к СНиП П-55-79,используются при эксплуатации рыбопропускных сооружений.
