Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ возможных причин и сценариев аварийных ситуаций на судоходных шлюзах
1.1 Причины аварийных ситуаций и задачи, требующие решения для устранения возможности их возникновения 8
1.2 Анализ причин повреждения и вывода из эксплуатации западной нитки Пермского шлюза 10
1.3 Общая оценка технического состояния судоходных сооружений Новосибирского шлюза
2 Некоторые теоретические и экспериментальные исследования нестационарных гидродинамических процессов в открытых руслах и судоходных шлюзах 23
2.1 Теоретические и экспериментальные исследования волн перемещения 23
2.2 Экспериментальные исследования волн перемещения в наклонном лотке 45
2.3 Волны перемещения в прямоугольном лотке с уступом на дне 51
3 Экспериментальные установки и измерительные системы 58
3.1 Большой и малый гидравлические лотки 58
3.2 Измерительные системы 65
4 Экспериментальное исследование распада разрыва над уступом дна горизонтального лотка 70
5 Экспериментальное исследование распада разрыва над порогом на дне горизонтального лотка 110
6 Экспериментальное исследование волнового воздействия на судно в случае возникновения аварийных ситуаций в процессе шлюзования 132
Заключение 147
Литература 150
- Анализ причин повреждения и вывода из эксплуатации западной нитки Пермского шлюза
- Экспериментальные исследования волн перемещения в наклонном лотке
- Экспериментальное исследование распада разрыва над уступом дна горизонтального лотка
- Экспериментальное исследование распада разрыва над порогом на дне горизонтального лотка
Введение к работе
Исследование гидродинамических аспектов развития аварийных ситуаций, являющихся причиной нарушения устойчивого функционирования водохозяйственных и гидроэнергетических объектов и обусловленных разрушением гидротехнических сооружений, их отдельных конструкций или элементов механического оборудования, является весьма актуальной задачей, требующей выполнения комплексных исследований, включающих математическое и физическое моделирование нестационарных гидродинамических процессов. Судо-пропускные сооружения не являются в этом смысле исключением.
Спектр задач, требующих решения при выполнении анализа последствий аварий, возникающих в тех или иных ситуациях и развивающихся по различным сценариям, достаточно широк и подразумевает в первую очередь необходимость исследования нестационарных процессов, развивающихся* в камерах и подходных каналах судоходных шлюзов. Последнее позволяет оценить величину гидродинамического воздействия «на суда (или составы), находящиеся в их пределах в момент аварии; усилия, возникающие в швартовных тросах; ударные нагрузки на элементы шлюза и конструкции ворот, что в свою очередь дает возможность прогнозировать,направленность событий при дальнейшем развитии аварии и обосновать мероприятия по устранению причин ее возникновения, что в конечном счете позволит обеспечить устойчивое функционирование судоходных шлюзов.
Математическому моделированию неустановившегося движения водных потоков в открытых руслах посвящены работы В.А. Архангельского, С.А. Хри-стиановича, Б.Л. Историка, В.М. Лятхера, А.Н. Милитеева, Л.С. Кучмента. Значительное развитие теоретические основы вычислительной гидравлики применительно к рекам и каналам, методы построения соответствующих математических моделей получили благодаря О.Ф. Васильеву, А.А. Атавину, А.Ф. Воево-
дину, М.Т. Гладышеву, B.C. Никифоровскон, А.С. Овчаровой, В.Г. Судобичеру, СМ. Шугрину, В.В. Остапенко, В.Ю. Ляпидевскому.
Основы математического моделирования и численных расчетов нестационарных гидродинамических процессов в камерах судопропускных сооружений (шлюзов и судоподъемников) заложены в работах А.В. Михайлова, О.Ф. Васильева, А.А. Атавина, А.П. Яненко, М. Моквы, В. Шульжевского и др. Экспериментальные исследования нештатных ситуаций при эксплуатации судоподъемников выполнены В.П. Сапциным.
Дальнейшее развитие математических моделей определяет необходимость проведения специальных экспериментальных исследований, результаты которых позволят устранить и некоторые трудности, появляющиеся при реализации численного решения. Экспериментальные исследования необходимы и для формулирования краевых условий, определяемых сценарием, особенностями и временной разверткой аварийной ситуации. Последнее относится к моделированию работы элементов шлюза - порогов и ворот, являющихся с гидравлической точки зрения водосливами, пропускная способность которых и ее изменение при различных условиях сопряжения потока во многом определяет условия на верхней и нижней границах.
Экспериментальные, а тем более натурные исследования нестационарных гидродинамических процессов — движения волн пере*мещения, в силу сложности и трудоемкости реализации, немногочисленны и зачастую позволяют получить лишь качественные результаты.
Вместе с тем, физическое моделирование подобных гидродинамических явлений имеет огромное значение и необходимо не только при решении задач, касающихся разрушения гидротехнических сооружений или их элементов, но и других, например, воздействия гравитационных волн на преграды, взаимодействия неустановившегося водного потока и размываемого русла и т.д. В последние годы экспериментальные исследования волн перемещения, выполненные в Московском государственном строительном университете (Московский
инженерно-строительный институт) представителями научной школы А.В. Мишуева и в Институте гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН в лаборатории экспериментальной прикладной гидродинамики под руководством В.И. Букреева, позволили решить ряд не только прикладных, но и фундаментальных проблем. Экспериментальные исследования нестационарных потоков на разномасштабных моделях были проведены В.В. Дегтяревым (мл.). Тем не менее, остались не рассмотренными в достаточном объеме некоторые вопросы, в частности касающиеся моделирования аварийных ситуаций для условий, соответствующих формированию нестационарных гидродинамических процессов в камерах судопропускных сооружений.
Таким образом, экспериментальные исследования гидродинамических аспектов аварийных ситуаций необходимо вести в нескольких направлениях, подразумевающих изучение следующих вопросов:
работы различных типов водосливов в сложных условиях формирования нестационарных процессов в камере. В качестве таковых следует рассматривать головы шлюзов, ворота, верхнюю часть камерных стен (парапеты);
волновых процессов в камерах шлюза и подходных каналах при отсутствии и наличии судов (составов) в случае разрушении ворот;
гидродинамического воздействия на корпус судна, находящегося в камере в момент возникновения аварийной ситуации, оценки прочности швартовых.
Специальным направлением исследований является оценка ударных нагрузок в случае обрыва швартовных тросов и навала судна на ворота или бетонные конструкции шлюза, что определит дальнейшее направление развития и масштаб аварийной ситуации.
Целью для настоящей диссертационной работы является: экспериментальное исследование гидродинамических аспектов аварийных ситуаций, возникающих в случае разрушения ворот, что соответствует решению одной из сложных задач гидравлики открытых нестационарных потоков - изучению распада разрыва, обусловленного устранением преграды, создающей сосредото-
ченный перепад уровней воды, при наличии высотных перепадов дна; оценка усилий в швартовных тросах, соответствующих рассматриваемым условиям, что позволит прогнозировать сценарии дальнейшего развития аварии и обосновать мероприятия по обеспечению устойчивого функционирования транспортных гидротехнических сооружений - судоходных шлюзов.
Работа выполнена на кафедре гидротехнических сооружений и гидравлики Новосибирского государственного архитектурно-строительного университета (Сибстрин) и в лаборатории экспериментальной прикладной гидродинамики Института гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН при финансовой поддержке:
- научно-технической программы «Научные исследования высшей школы
по приоритетным направлениям науки и техники» (подпрограмма «Архитектура
и строительство»);
Российского фонда фундаментальных исследований (гранты 01-01-00846, 04-01-00040);
научно-технической программы «Интеграция науки и высшего образования России на 2002 - 2006 гг»;
грантов Министерства образования Российской Федерации.
Автор приносит глубокую благодарность сотрудникам Института гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН д.ф.-м.н., профессору В.И. Букрееву, к.ф.-м.н., с.н.с. А.В. Гусеву, к.ф.-м.н., с.н.с. В.А. Костомахе, с.н.с. В.В. Зыкову, ст. инженеру Е.Ф. Ведерникову; к.т.н., директору Новосибирского филиала Института водных и экологических проблем СО РАН А.А. Атавину за большую помощь в выполнении работы, замечания и пожелания, сделанные при подготовке диссертации к защите.
Анализ причин повреждения и вывода из эксплуатации западной нитки Пермского шлюза
Двухниточный шестикамерный шлюз Камской ГЭС построен в период 1949 - 1954 г. Общая длина шлюза между наружными гранями устоев голов 1556,7 м, габаритные размеры камер 252,7x30,0 м, полезные размеры 239,7x29,82 м, глубина на пороге первой головы 8,8 м. Максимальный расчетный напор на гидроузел 21,8 м.
Шлюз оборудован плоскими металлическими рабочими воротами пространственной сварной конструкции ригельного типа, вес подвижной части 2548 кН, дина ворот 34;42 м, высота 9,5 м. Аварийно-ремонтные ворота представляют собой откатные одностворчатые пространственные металлические сварные конструкции треугольного сечения стоечного типа. Длина полотнища ворот 34,7 м, высота 9,5 м, вес подвижной части 1401,4 кН.
Из акта расследования причин повреждения и вывода из эксплуатации западной нитки Пермского шлюза госпредприятия «Водные пути Камского бассейна» (Министерство транспорта РФ, Департамент речного транспорта, Главное управление водных путей и гидросооружений, 1995г.) следует:
Что утром 4 ноября 1994г. в Камском водохранилище выше Пермского шлюза находились два теплохода проекта №112 типа «Дунайский» каждый с двумя баржами проекта №1745 грузоподъемностью по 4500т. Теплоходы «Дунайский 32» с двумя порожними баржами и «Дунайский 31» с баржами №3802 и 3808, гружеными хлористым калием по 3300 и 3000 т с осадкой 320 и 300 Сх\і соответственно, прибыли в район верхнего бьефа шлюза и должны были проследовать вниз. Температура воздуха была - И С, без осадков, видимость хорошая, отметка верхнего бьефа 108,4 мБС. Габаритный размер состава 145,7x28,4 м, надводный габарит 12,1м. Теплоход «Дунайский 31» с баржами, учаленными в два пыжа, на одной левой машине, работающей в режиме «малый вперед», двигался вдоль причальной стенки шлюза.
На момент аварии расстояние от носовых оконечностей барж до ворот №2, по заявлениям очевидцев, составляло 60-65 м, движение каравана практически прекратилось. Находящиеся на барже №3808 члены команды были готовы подать швартовы. В этот момент раздался сильный треск со стороны вторых рабочих ворот и конструкция ворот разломилась на две части. Баржа №3808, оторвавшись от баржи 3802, устремилась через образовавшийся проран во вторую камеру. Баржа №3802 сорвалась с автосцепа т/х «Дунайский 31» и устремилась следом за баржей №3808. Потоком воды и ударами барж разрушены ворота №№ 3,4, 5, 6, 7. Вал воды вышел за пределы территории шлюза. Металлоконструкция ворот в районе 4-го ригеля разошлась и в образовавшийся проран устремилась вода. Была дана команда закрыть аварийные ворота. С центрального пульта управления (ЦПУ) был включен привод аварийных ворот. Аварийные ворота пошли на закрытие и, пройдя 20 м, остановились из-за отключения электроснабжения западной нитки шлюза в результате срабатывания защиты от короткого замыкания на подстанции КамГЭС. Причиной короткого замыкания явилось поступление воды от прорывной волны в трансформаторную ячейку в здании механизмов головы №5.
Повторным включением со щита управления ЦПУ был введен в работу отключившийся масляный выключатель и восстановлено электроснабжение западной нитки шлюза.
Аварийные ворота были дозакрыты с местного пульта на верхней голове шлюза, при этом время (полное) закрытия аварийных ворот составило 6-7 минут. Поступление воды из Камского водохранилища прекратилось.
Впервые в практике эксплуатации судоходных сооружений на внутренних водных путях России аварийные ворота в напорном фронте водохранилища были закрыты в потоке при полном напоре. Была устранена угроза катастрофического затопления нижележащих территорий.
Осмотром на месте конструкций ворот, строительных элементов, электромеханического оборудования, ж/д путей западной нитки шлюза и состояния судов, находящихся в камерах № 1 и 6, установлено: - металлоконструкции ворот № 2, 3, 4, 5, 6 и 7 разрушены и восстановлению не подлежат; - опорно-ходовые части, уплотнения, цепной привод ворот № 2, гидроприводы клинкетных затворов восстановлению не подлежат; - бетон верховых граней устоев голов №№ 2, 3, 4, 5, 6 разрушен, нарушены крепления закладных частей ворот, требуется вырубка старого и укладка нового бетона; - теплоход «Дунайский 31», находящийся на расстоянии 25 м от створа вторых ворот, получил незначительные повреждения корпуса и автосцепа, находится в технически годном состоянии; - баржа № 3808 находилась в камере № 6 в полузатопленном состоянии, корпус переломлен между первым и вторым трюмами, имеются многочисленные повреждения. Судно восстановлению не подлежит; - баржа № 3802 находится в камере № 6 также в полузатопленном состоянии, корпус переломлен на расстоянии 1/3 длины судна от кормовой оконечности, восстановлению не подлежит.
В результате выполненных экспертных проработок установлено следующее: 1) химический состав, механические свойства и микроструктура материала силовых элементов конструкции ворот характерна для горячекатаннои стали СтЗсп, что соответствует проекту, за исключением материала стенки и пояса первого ригеля, структура и механические свойства которого отличаются от проектных значений в худшую сторону; 2) в данной конструкции в ее проектном исполнении общие растягивающие напряжения в силовых элементах на безнапорной стороне значительно превышают по абсолютной величине сжимающие напряжения с напорной стороны; 3) лимитирующими по прочности являются растягивающие напряжения в полках ригелей с безнапорной стороны, исчерпание несущей способности которых предрасполагает к лавинообразному разрушению конструкции в целом; 4) анализ фактического состояния ворот выявил утончение элементов конструкции вследствие общей коррозии, а также коррозионное растрескивание металла различной протяженности и глубины. Полностью разрушены в результате коррозионного растрескивания оказалось сварное соединение стенки первого ригеля, что привело к существенному «догружению» несущих полок нижнего ригеля, причем напряжения в них оказались максимальными не в средней части ворот, а в районе их разрушения; 5) ворота эксплуатировались в условиях циклического нагружения (более 80 тыс. циклов). В 50-х годах понятие о малоцикловой выносливости в строительных нормах еще не утвердилось, поэтому конструкция была рассчитана без учета этого фактора; 6) визуальным осмотром установлено, что на поверхностях наблюдаются участки кристаллического излома, что характерно для хрупкого разрушения; 7) лабораторные испытания образцов подтвердили это и показали, что при температуре -10 4--12" С доля кристаллического излома достигает 70 -г 90%. Фрагмент такого излома обнаружен в поясе первого ригеля; 8) по направлению деформации и по излому элементов конструкции ворот сделан вывод, что разрушение началось с безнапорной стороны. Скачкообразное возрастание напряжений привело к катастрофическому разрушению конструкции в целом.
Экспериментальные исследования волн перемещения в наклонном лотке
Экспериментальные исследования неустановившегося движения водного потока, вызванного устранением затвора, создающего первоначальный перепад уровня в лотке прямоугольного поперечного сечения с переменной шириной и наклонным дном, были выполнены в работе К. Белл оса и др. [79]. Стенки и дно лотка, длиной 21 м и высотой 0,6 м были выполнены из полированной нержавеющей стали.
Затвор, создающий начальный перепад уровней быстро открывался вручную с помощью присоединенного к нему стальным тросом рычага. Затвор был выполнен из оргстекла. Время подъема затвора не превышало 0,1с. В нижнем бьефе могли быть обеспечены условия движения волны, как по сухому, так и наполненному на определенную глубину руслу.
При проведении экспериментов измерялись как уровни свободной поверхности с помощью восьми волномеров, установленных в нижнем и в верхнем бьефах (рис. 2.13), так и давление на дне лотка. Два волномера были установлены непосредственно у затвора со стороны верхнего и нижнего бьефов.
Принцип действия волномеров основан на изменении электропроводимости воды между двумя стержнями из нержавеющей стали диаметром 3 мм и длиной 500 мм, расположенными на расстоянии 8 мм друг от друга. Частота реагирования волномеров ІкГц. В нижнем бьефе давление и его изменение во времени, изхмерялось в четырех точках. Для этого были использованы, просверленные перпендикулярно дну лотка, выпуски давления диаметром 4 мм. Из предположения, что распределение давления подчиняется гидростатическому закону, последнее напрямую зависит от глубины воды. Однако, это с большой натяжкой может быть принято для фронта волны перемещения.
Для измерения гидродинамического давления были использованы пьезо-преобразователи. Они характеризуются - высокой чувствительностью, хорошей линейностью и стабильностью, а также имеют малые размеры.
Продолжительность одного эксперимента составляла величину порядка 70 с, в течение которых с одного датчика (канала аналого-цифрового преобразователя) считывалась информация в объеме около 5000 сигналов.
При первоначальном отсутствии воды в нижнем бьефе было выполнено шесть серий экспериментов: для русла с горизонтальным дном, а также с положительными уклонами, равными 0,002; 0,004; 0,006; 0,008; 0,010.
В условиях «сухого» русла в целях выявления влияния на параметры нестационарного потока силы тяжести уклон дна лотка задавался равным 0,002 и 0,008. Изменение уровней свободной поверхности фиксировалось в точках с координатами х = -8,5 м; -4,0 м; 0,0 м; +2,5 м; +5,0 м; +10,0 м. В качестве примера на рис. 2.14 приведен график изменения уровня в точке с координатой равной -8,5 м при уклоне дна лотка і0 = 0,002.
Результаты выполненных экспериментов указывают на то, что во всех сечениях верхнего бьефа лотка прослеживается влияние изменяющихся по длине размеров, что проявляется в замедлении понижения уровня свободной поверхности по сравнению с изливом при аналогичных начальных условиях без поджатая потока.
На рис. 2.15 приведен график, показывающий изменение уровня в сечении с координатой х = - 0,0 м при уклоне дна лотка i0 = 0,002 из которого следует, что происходит достаточно быстрое уменьшение глубины до значения приблизительно 4/9 от начальной глубины наполнения, соответствующей аналитическому решению А. Риттера [42]. Ход изменения уровня в сечениях х = -0,0 м и х = +0,0 м происходит практически одинаково.
Изменение уровня в точке с координатой х = -0,0 м, i0 = 0,002 [79] На рис. 2.16 в качестве примера показан график, иллюстрирующий изменение уровня в точке с координатой х = +10,0 м в горизонтальном лотке при начальном наполнении Н2 = 10,1 см. Анализ подобных графиков показывает, что влияние водослива, установленного в конце лотка начинает сказываться ранее, чем прямая волна его достигнет, что было доказано в работе [43]. h, м%
В рассматриваемой работе [79] выполнено также сравнение результатов эксперимента и расчетов, выполненных на основе двухмерной модели неустановившегося движения несжимаемой жидкости с учетом силы тяжести и трения, но в пренебрежении влиянием ветра и силы Кориолиса. В этой модели принят гидростатический закон распределения давления по глубине потока. Подробно все аспекты реализации вычислительных операций приведены в [78]. На рис. 2.17 и 2.18 сравниваются результаты расчета и экспериментов в сечениях, расположенных как до, так и после затвора (точками показаны измеренные значения, сплошными линиями - результаты вычислений). Сопоставление результатов показало хорошее соответствие их. -10 0 10, 20 ЗО -40 50 60 t, С
Результаты экспериментальных исследований в наклонном лотке с существенно большим диапазоном изменения уклонов приведены в работе Г. Лобе-ра и У. Хагерта [81]. Лоток имел постоянную ширину В = 500 мм, а быстроот-крывающийся затвор был установлен вертикально. Для фиксации параметров прямых и обратных волн перемещения использовалась видеосистема, что позволяло определять как глубину в различных сечениях и в различные моменты времени, так и скорость распространения фронта волны. Эксперименты выполнялись для условий отсутствия воды в нижнем бьефе при различном наполнении верхнего. Экспериментальная установка позволяла производить запись с помощью видеокамеры отдельно для каждой секции лотка, что определило необходимость повторения экспериментов и изменения места установки камеры. По утверждению авторов статьи, качество воспроизведения экспериментов было идеальным с отклонениями в глубинах потока менее 2 мм.
Влияние дополнительных факторов может сказываться на значительно больших расстояниях х. Следует отметить, что максимальная высота волны, как и все другие ее параметры, не зависит от молекулярной вязкости и подчиняется закону подобия Фруда. Влиянием трения о дно можно пренебречь при выполнении условия і0 0,025 и Х 30. Влияние уклона дна и молекулярной вязкости проявляется при перемещении фронта волны. Показано, что фронт положительной волны, распространяясь по лотку, формирует тело волны, движение которого асимптотически приближается к условиям квазиравномерного движения.
Экспериментальное исследование распада разрыва над уступом дна горизонтального лотка
Термин «задача о распаде разрыва» используется в газовой динамике и гидравлике [2] при анализе задачи Коши для гиперболических уравнений с разрывными начальными данными. В случае канала с ровным дном этот термин в определенном смысле аналогичен классическому термину «задача о разрушении плотины» [50]. В данной работе рассматриваются задачи в которых начальный перепад уровня свободной поверхности создается уступом и порогом. В этом случае термин «разрушение плотины» неуместен, поскольку на практике плотины над уступом или порогом не располагаются. Поэтому здесь, как и в работе [4], отдается предпочтение термину «распад разрыва».
В данном разделе приведены результаты экспериментального исследования распада разрыва уровня свободной поверхности над уступом [58, 61 — 65, 69], выполненные с целью анализа диапазона применимости математической модели, разработанной О.Ф. Васильевым и А.А. Атавиным [4].
Схема эксперимента. Размеры в см Следует иметь ввиду следующую особенность принятых обозначений. По определению глубина есть расстояние от дна лотка до свободной поверхности. В данной работе дно до и после уступа расположено на разных уровнях. Поэтому фигурирующие в работе глубины в верхнем бьефе (в частности Н]) и непосредственно над уступом h0 измерялись от дна перед уступом, а глубины в нижнем бьефе — от дна за уступом.
В работе [4] проанализированы теоретические автомодельные решения рассматриваемой задачи в рамках гидравлического приближения при условии, что распределение давления по глубине подчиняется гидростатическому закону, а над уступом устанавливается глубина h0, равная первой критической глубине .
Предлагаемое решение [4] применимо лишь при неподтопленном режиме сопряжения бьефов. По определению [56] режим сопряжение называется не-подтопленным, если процессы в нижнем бьефе не влияют на процессы в верхнем бьефе. В данной задаче смена неподтопленного режима на подтопленный происходит, когда глубина над уступом достигает первой критической глубины, т.е. h0 = h.. С учетом данного выше определения глубины граница применимости теории [4] по глубине нижнего бьефа определяется условиями: Н2 Н либо h2 Н , где Н = b + h„, b - высота уступа, h2 показана на рис.
Теория [4] выделяет четыре автомодельных решения для профиля свободной поверхности: одно для волны понижения уровня в верхнем бьефе и три для положительных волн перемещения, формирующихся в нижнем бьефе. Теория позволяет также определить глубину отраженной от закрытого конца лотка волны h3 (рис. 4.1) и скорость ее распространения. Автомодельное решение, полученное для h3 можно использовать лишь до момента времени добегания отраженной волны до уступа, причем только в случае волны типа А (смотри ниже).
Начальная глубина покоящейся воды в верхнем бьефе Н, устанавливалась с помощью быстрооткрывающегося плоского затвора, расположенного над уступом, а начальная глубина нижнего бьефа Н2 - посредством щита, расположенного в конце лотка. Начальные уровни свободной поверхности определялись мерными иглами с абсолютной погрешностью не более 0,05 см. Быстрооткрывающийся затвор удалялся с помощью рычага, за время не более 0,1 с при наименьшем времени распространения волны от уступа до закрытого конца лотка, составлявшем 2,3 с. Поскольку продолжительность эксперимента составляла 10 с, следовательно, при частоте опроса 500 Гц, количество зафиксированных АЦП электрических импульсов от каждого датчика было равно 1250. Выполнены две серии экспериментов: при Hi = const и различных глубинах в нижнем бьефе (Hi = 30 см; Н2 = 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 19, 22, 25 см) и при Н2 = const и различных глубинах в верхнем бьефе ( = 6,5 см; Hi = 6, 11, 14,17,21,25,27,30 см).
На рис. 4.3 - рис. 4.21 приведены результаты экспериментов и расчетов (по формулам 2.4) волны понижения уровня, распространяющейся по верхнему бьефу. Показано изменение во времени глубины потока h(x,t) над уступом (х = -3,3 см) и в трех сечениях верхнего бьефа. Время отсчитывалось от начала движения затвора.
В дополнение к пояснениям в подрисуночных надписях отметим следующее. На графиках вертикальными линиями показаны четыре характерных момента времени ti —14. Значения ti, t2, t3 - расчетные времена добегания волн до волномеров соответственно Д1, Д2 и ДЗ (показаны цветом, характерным для соответствующего волномера). Значение t4 - расчетное время добегания волны в верхнем бьефе до левого на рис. 4.2 конца лотка. В теории [4] канал влево от уступа бесконечен. В эксперименте при t t4 граничные условия на левом конце отличаются от теоретических. Поэтому при t t4 сравнение с теорией [4] становится некорректным, и теоретические зависимости на графиках приведены лишь при t t4.
Сравнение с теорией некорректно также после прихода к датчику волны, отразившейся от правой торцевой стенки лотка. На экспериментальных кривых приход этой отраженной волны сопровождается резким увеличением глубины.
В подтопленном режиме следует обратить внимание также на момент времени, при котором волна в нижнем бьефе только начинает отражаться от правой торцевой стенки лотка. В этом случае течение всюду докритическое, и изменение условий в нижнем бьефе переносится и в верхний бьеф. К сожалению количественные оценки скорости такого переноса в настоящее время осуществить невозможно из-за отсутствия теории.
Суммируя сказанное, отметим, что сравнение теории и эксперимента корректно лишь на таких интервалах времени, когда зеленые линии на графиках расположены ниже линии критической глубины h, (или на этой линии).
На графиках наряду с h, приведена горизонтальная линия, соответствующая второй критической глубине h„. Смысл второй критической глубины поясняется в [6, 10, 11, 14]. Эта глубина появляется наряду с h, при анализе установившихся резко изменяющихся течений вследствие отклонений от гидростатического закона распределения давления по глубине. В указанных работах получено h„ » h, /1,3.
Экспериментальное исследование распада разрыва над порогом на дне горизонтального лотка
При теоретическом анализе [4] осуществлялась схематизация профиля дна лотка в месте расположения ворот. Принималось, что дно резко понижается вниз по потоку с одного постоянного значения на другое. В реальных конструкциях здесь имеется выступ сложной формы. Поэтому следующий логически разумный шаг при схематизации реальной конструкции - заменить выступ так называемым широким порогом. Конкретизация термина «широкий порог» содержится в [49, 56].
В этом случае возникает самостоятельная задача о распаде разрыва уровня свободной поверхности над широким порогом [60]. Теоретически упомянутая задача не изучалась. Здесь приведены некоторые экспериментальные данные [см. также 59]. По сравнению с классической задачей о распаде разрыва над ровным дном [2] в которой имеется только два геометрических параметра: начальные глубины Hi и Н2, соответственно верхнего и нижнего бьефов, в рассматриваемой задаче дополнительно необходимо учитывать ширину и высоту порога, а также место расположения затвора над порогом, а в конкретных опытах также расстояния от затвора до концов экспериментального лотка. Существенное значение имеют граничные условия на концах лотка.
Опыты выполнялись в описанном выше малом лотке в лаборатории гидравлики кафедры гидротехнических сооружений и гидравлики НГАСУ (Сибст-рин). Схема эксперимента приведена на рис. 5.1. Размеры на схеме указаны в см. Начало координат расположено в створе быстрооткрывающегося затвора. Использовался только один порог из оргстекла шириной 48 см и высотой 11 см. Начальные глубины верхнего и нижнего бьефов Hi и Нг варьировались. Символами Д1, Д2, ДЗ отмечены поперечные сечения лотка, в которых располагались волномеры. Левый конец лотка был также закрытым.
В сериях 1-3 волномеры располагались так, как показано на рис. 5.1 и их сигналы регистрировались самописцем Bryans XY Recorder 26000 A3. В серии 4 изменено только положение волномера Д2. Он располагался не в верхнем, а в нижнем бьефе при х = 168 см. Кроме того, в этой серии сигналы волномера регистрировались с помощью агалого-цифрового преобразователя АЦП PCL 1731 -А. Продолжительность эксперимента составляла 15 с, следовательно, при частоте измерений 100 Гц, количество зафиксированных АЦП электрических сигналов от каждого датчика было равно 500 (при наличии трех датчиков).
На рис. 5.2 - 5.32 приведены записи колебаний уровня свободной поверхности во времени t в трех точках по продольной координате х (рис. 5.1). На этих графиках величина z — отметка уровня свободной поверхности, отсчитываемая от дна лотка до порога (или после порога, поскольку отметки дна на этих участках совпадали). Случаю сухого дна в нижнем бьефе соответствует значение z = 0. Следует обратить внимание на то, что значение z нельзя отождествить со стандартным понятием «глубина жидкости». Глубина определяется как расстояние от дна до свободной поверхности. В данной задаче отметка дна на пороге и вне его различна. В приведенном выше определении z фигурирует одно и то же значение отметки дна (вне порога). Если для глубины использовать обозначение h, то вне порога z = h, а над порогом z = h + b, где b — высота порога.
В опытах с глубиной нижнего бьефа, меньшей высоты порога (рис. 5.2 — 5.4, рис. 5.12 — 5.14, рис. 5.20 - 5.22, рис. 5.26 - 5.30), значение z для датчика ДЗ оказывается неопределенным вплоть до момента добегания возмущения до этого датчика. Это отражено на графиках, соответствующих х = 24 см, разрывом функции z(t) при t = ід, где t, - время добегания.
Анализ полученных данных показывает следующее. Волномер ДЗ регистрировал процессы в середине порога. В стационарном течении при неподтоп-ленном режиме здесь устанавливается первая критическая глубина h, [49]. Рассмотрим для примера случай Hi = 50 см, Нг = 10 см (рис. 5.4). В стационарном течении этим значениям соответствует неподтопленный режим. На графике, соответствующем ДЗ на рис. 5.4, имеется интервал времени, где значение z постоянно и равно 27 см. при b = 11 см это соответствует глубине над порогом h = 16 см. Если принять, что она равна h,, то получим qc = /h3g = VI б3 981 = 2004 см /с. При распаде разрыва над ровным дном расход в неподтопленном режиме определяется формулой ч=АНЛ/ён;, (5.1) где Hi — начальная глубина верхнего бьефа. В случае обтекания порога наряду с Hi характерным параметром является напор на гребне порога AHj = Hj - b. Вычислим расходы q! и q2 по формуле (5.1), подставляя в нее Hi = 50 см и АН, = 39 см: q, =— 50 981-50=3281 см2/с, 1 27 q2 = -?-39V981-39 = 2260 см2/с. М2 27
Оба эти значения существенно превышают qc. При анализе распада разрыва над ровным дном [50] или над уступом дна [4] постулат о том, что в начальном сечении устанавливается первая критическая глубина (из которого следует формула (5.1)) играет существенную роль. Приведенные оценки показывают, что при наличии порога использование этого постулата может привести к существенной ошибке. Это затрудняет получение аналитических зависимостей для волн. Необходимо дополнительно использовать эмпирическую информацию, например, о коэффициенте расхода.
При получении аналитических зависимостей принимается, что автомодельный режим течения устанавливается мгновенно. Приведенные графики показывают, что реальные процессы достаточно инерционны даже при очень быстром удалении затвора.
Снова рассмотрим в качестве примера график для сечения над порогом при Ні = 50 СхМ, Нг = 10 см (синяя линия на рис. 5.4). Расстояние от начала координат до вертикальной штриховой линии на этом графике соответствует времени распространения возмущения на расстояние х = 24 см. это время равно 0,2 с. возмущение распространялось по сухому руслу. В случае распада разрыва над ровным дном скорость распространения такого возмущения равна ст = Зд/gH, .
Если для обсуждаемого графика снова использовать в качестве Ні глубину либо над дном либо над порогом, то получим соответственно, два значения cyi = 442 см/с и Су2 = 391 см/с. В опытах получено значительно меньшие значения Сэ = 120 см/с.
При наличии порога весьма сложный характер носит картина отражения волн. Они отражаются от торцевых стенок, от передней и задней кромок порога. В этой связи можно отметить, что информация, приведенная на рис. 5.2 -5.32 представляет интерес для апробации численных методов расчета процессов на больших временах не только в судоходных сооружениях, но и в других прикладных проблемах, связанных с волновыми процессами в ограниченном объеме, например, в танкерах или наклонных судоподъемниках.
