Введение к работе
Актуальность работа. При проектировании дорожно - транспортных, гидротехнических и гидромелиоративных объектов часто возникают проблемы, связанные с гидравлическим расчетом водопропускных сооружений, работающих в сложных условиях пропуска высокоскоростных потоков. Одними па наиболее распространенных подобных объектов, входящих в комплекс сооружений, являются сопрягающие сооружений. Это входные, выходные и другие переходные участки сооружений, трамплины, виражи и т.п.
В последнее время вследствие интенсивной разработки теории управления бурными потоками отпала необходимость лабораторного проектирования указанных конструкций. Однако не все вопросы в этой проблеме решены надлежащим образом. Численные методы, используемые для определения координат свободной поверхности, имеют некоторые ограничения, как по кинетичности потока, так и по геометрическим размерам расчетной конструкции. Существующая методика не позволяет проводить гидравлические расчеты конструкций с невертикальными боковыми стенками ( кругового, параболического очертания и т.д.) при заполнении русла более чем ка пятьдесят процентов.
Задача может осложниться в связи с необходимостью проектирования конструкций, геометрические параметры которых не должны превышать заданных размеров при условии сопряжения русел, имеющих в поперечных сечениях различную форму. Эти обстоятельства диктуют необходимость дальнейшего совершенствования расчета конструкций двоякой кривизны, что будет способствовать повышению их надежности и эффективности, а внедрение их в производство - соответствующей экономии средств.
Диссертация посвящена дальнейшему развитию исследований, интенсивно проводящихся каіедрсй гидравлики СТТУ в области управленім бурными потоками, г том числе в связи с выполнением Государственных гаданий 0.01.257.б, ,01.289.6 ГКНТ СМ СССР и проекта программ Госсбразования СССР " Математическое моделирование в научных и технических системах".
Цель и задачи исследований. Основная цель - разработать но-
еый эффективный метод расчета, обеспечивающий проектирование сооружений с поверхностями двоякой кривизны по управлению бур-
ными потоками вязкой жидкости при существенном сокращении длины сложных участков и сопряжении русел с различной формой поперечных сечений. Для ее достижения необходимо было решить ряд задач:
-
Обосновать использование математической модели трехмерного безотрывного установившегося движения вязкой жидкости в координатах, включающих два семейства поверхностей тока.
-
Рекомендовать универсальный и экономичный по затратам машинного времени численный метод расчета координат свободной поверхности потока с плавной и безотрывной его деформацией в пределах пространственной конструкции при условии сокращения его длины по сравнению с решениями, полученными существующими методами.
-
Сформулировать требования к граничным условиям в рамках поставленной задачи.
-
Разработать метод гидравлического расчета плоских потоков на участках искривления напорных водоводов в вертикальной и горизонтальной плоскостях.
Б. Разработать соответствующие алгоритмы и программы вычислений для ЭВМ в виде, удобном для пользователя.
5. Провести численные эксперименты для изучения влияния раз
личных факторов на сходимость и устойчивость вычислительных
процедур.
7. Провести лабораторные эксперименты, позволяющие определить степень достоверности численных результатов.
Защищаемые положения. На защиту выносятся: Усовершенствованная математическая модель пространственно деформированного бурного потока, безотрывно обтекающего конструкции с поверхностями двоякой кривизны. Методы гидравлического рас-чета конструкций для управления бурными потоками, учитывающие невертикальность боковых поверхностей тока и расширяющие реализацию задачи в условиях, когда другие методы расчета оказываются непригодными. Результаты сопоставления расчетных и экспериментальных данных.
Научная новизна. На основе проведенного анализа существующих
методов расчета координат свободной поверхности предложено использование ранее не применявшихся методов(метод Ньютона-Канторовича в сочетании с методами Галеркина и конечных элементов, метода прямых в сочетании с методами Рунге-Кутта, предиктор--корректор и Ньютона-Рафсона). Составлены программы для их pea-
лизации на-ЭВМ к получены результаты.
Для распета геометрических и гидродинамических параметров внутри всей области интегрирования разработан численный метод расчета пространственно искривленного потока в пределах конструкции двоякой кривизны с различной формой поперечных сечений при снятии гипотезы о вертикальности боковых поверхностей тока. Получено экспериментальное подтверждение работоспособности предлагаемого метода расчета.
Практическая ценность и внедрение результатов исследований.
Построенная математическая модель позволяет производить гидравлический расчет конструкций двоякой кривизны с различной формой поперечных сечений при сокращении их геометрических размеров и различных значениях входных параметров без привлечения, в большинстве случаев, трудоемкого и дорогостоящего лабораторного проектирования.
Результаты расчетов использованы при разработке темы "Гидравлические модельные исследования водосбросного соружения плотины Седженан в Тунисской Республике", выполнявшейся кафедрой гидравлики 'ЭТУ по заказу УкрНИИТиМа. Рекомендации и отдельные расчеты, проводимые автором, внедрены в рабочий проект водосбросного сооружения. Произведен гидравлический расчет переходного участка л рассеивающего трамплина водосбросного сооружения на плотине Хаммзм-Буграра в АНДР, что позволило заменить физическое моделирование численным и сократить время, объем и стоимость лабораторных исследований.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы
докладывались на Всесоюзном научно-техническом совещании "Методы исследований и гидравлических расчетов водосбросных гидротехнических сооружений" (ГСВ-84). Ленинград, 1984г.; на IV Республиканской конференции по проблемам гидравлики дорожных водопропускных сооружений. Саратов, 1985г.; на IV Зональной научно-технической конференции "Повышение эффективности мелиорации и водного хозяйства на Дальнем Востоке". Уссурийск, 1387г.; на научно-техническом совещании "Физическое и математическое моделирование гидравлических процессов при исследованиях крупных гидроузлов комплексного назначения." Дивногорск, 1989г.; на конференции "Повышение эффективности использования водных ресурсов в сельском хозяйстве." Новочеркасск, 1989г.: на науч-
но-технических конференциях СГТУ 1980-І995 гг. Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 работ.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав,
описка литературы, приложений. Работа изложена на 190 страницах машинописного текста, содержит 41 рисунок, 24 таблицы, список литературы из 97 наименований, в том числе 9 иностранных, 37 страниц приложения.
