Введение к работе
Актуальность темы. Экосистемный комплексный подход к управлению водными ресурсами требует качественного улучшения работы всех звеньев открытой сети оросительных систем. При проектировании,строительстве,эксплуатации и реконструкции ОС главными проблемами становятся оптимизация водоотборов из естественных водных источников и разработка,внедрение новых высокоэффективных водбсберегающих и энергосберегающих технологий. Решение этих проблем непосредственно связано с улучшении оперативного контроля,недоучета и управления технологическими процессами Еодораспределения с динамическим регулированием с целью минимизации непроизводительных сбросов воды на ОС.
При разработке и исследовании технологических процессов во-дораспределения и водоучета на оросительных системах большое значение имеют расчеты переходных гидравлических процессов течения воды в открытых каналах.Характер и интенсивность протекания этих процессов зависит от состава и структуры сети каналов, образующих ОС,особенностей функционирования на каналах регулирующих перегораживающих сооружений и других факторов.
Но точные расчеты переходных гидравлических процессов в большинстве случаев невозможны',. из-за громоздкости или отсутствия аналитических решений дифференциальных уравнений неустановившегося течения воды з открытых каналах.Полевые исследования и измерения этих процессов в натурных условиях трудны и дороги. Кроме того,число возможных вариантов,как правило, во много раз превышает число реально существующих типовых объектов. Поэтому актуальными становятся имитационные исследования переходных гидравлических режимов на математических и физических моделях, позволяющие оценивать количественные характеристики волновых процессов в разветвленной системе открытых каналов ОС,необходимых как для рационального проектирования,так и для эффективной эксплуатации оросительных систем.
Цель и задачи исследований. Целью работы является исследование свойств и особенностей гидравлических переходных процессов в открытых каналах ОС на математических и физических имитационных моделях при динамическом регулировании Еодораспределения.
Задачи исследовании:
-получить аналитические решения начальных характеристик, позволяющие рассчитывать кривые свободной поверхности в открытых призматических водотоках и время добегания начальных возмущений до контролируемых створов;
-выполнить численные эксперименты гидравлических переходных процессов на имитационной математической модели с исследованием их особенностей при динамическом регулировании водораспределе-ния при различных начальных и граничных условиях;
-разработать новый способ измерения расходов воды в открытых каналах ОС на основе применения полученных аналитических решений дифференциальных уравнений характеристик;
-выполнить экспериментальные исследования на физической модели процессов формирования,развития и затухания различных волн перемещений;
-разработать методику расчета и прогнозирования параметров гидравлических переходных процессов, соответствующих условиям динамического регулирования ТП водораспределения для существующих и проектируемых оросительных систем.
Методы исследований. Имитационные физические эксперименты выполнялись на большой физической модели, оснащенной специальным попусковым механизмом в головной части, с применением современных средств для регистрации и записи характеристик гидравлических переходных процессов.В качестве датчиков скоростей использовались микровертушки системы САНИИРИ, а в качестве датчиков уровней - емксстные датчики уровней. В качестве записывающего устройства использовался многоканальный осциллограф о фотографической лентой.
Имитационные численные эксперименты выполнялись на математической модели неустановившегося движения воды в открытых каналах на основе метода характеристик.Выбор задач исследований, постановка начальных и граничных условий осуществлялись с учетом анализа работы реальных оросительных систем и современных требований к их функционированию.
Научная новизна работы заключается в том, что на основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований получены следующие новые результаты:
-получены аналитические решения дифференциальных уравнений начальных характеристик,позволяющие рассчитывать кривые свобод-
най поверхности в открытых призматических водотоках и время до-бегания начальных возмущений до контролируемых створов;
-разработан новый способ измерения расходов воды в открытых каналах на основе применения аналитических решений дифференциальных уравнений начальных характеристик;
-выполнены исследования гидравлических переходных процессов на имитационной математической модели с выявлением особенностей их при динамическом регулировании водораспределения;
-выполнены экспериментальные исследования на физической модели процессов формирования,развития и затухания различных волн перемещений;
-разработана методика расчета и прогнозирования параметров гидравлических переходных процессов на имитационной математической модели для Лево-Егорлыкской (действующая ОС) и Южно-Омской (проект) оросительных систем.
Практическая ценность. Выполненные разработки дали возможность:
-повысить точность гидравлических расчетов установившихся и неустановившихся течений в открытых призматических водотоках;
-обосновать методику расчета времени добегания начальных возмущений до контролируемых створов открытых водотоков;
-разработать новые способы определения расходов воды в открытых каналах ОС;
-обосновать методику применения имитационной математической и физической моделей для расчета характеристик переходных гидравлических процессов при динамическом регулировании водораспре деления на ОС;
-показать на примере существующих и проектируемых систем орошения возможность и необходимость применения имитационных математических моделей неустановившегося течения воды для разработки водосберегзющих и энергосберегающих технологий водорас-пределения на ОС.
На защиту выносится комплекс вопросов имитационных исследований на математических и физических моделях .включая полученные зависимости для расчета гидравлических переходных процессов в системе открытых каналов ОС,которые могут служить основой для разработки водосберегающих и энергосберегающих технологий.
Достоверность научных положений диссертации
- 4 -подтверждается использованием стандартных численных процедур интегрирования,удовлетворительным совпадением результатов расчета по разработанным методикам о результатами экспериментальных исследований, применением при выполнении исследований современной электронной измерительной и вычислительной аппаратуры.
Внедрение результатов исследований. Результаты работы использованы проектными институтами Севкавгипроводхоз.Южгипроводхоз для оптимизации конструктивных, параметров .при разработке технологий водораопределения,согласования режимов работы технологического оборудования на Лево-Егорлыкской и Южно-Омской (конкурсный проект Южгипроводхоа) ОС. Результаты исследований вошли в специальные разделы следующих нормативных и регламентирующих документов,разработанных при непосредственном участии автора: "Инструкция для диспетчерского управления водораспределением на магистральных и межхсзяйствен-ных каналах (на примере ЛЕОС)" (Новочеркасск,1987г.); "Инструкция по расчету параметров неравномерного режима течения воды в открытых каналах" (Новочеркасск,1988г.); "Временное руководство по проектированию и эксплуатации автоматизированных оросительных систем" (часть 1,Новочеркасск,1989г.).
Аппробация работы. Основные положения диссертации докладывались: на X научной конференции по сельскому і хозяйству (Ташкент,1980г.); на объединенной научно-технической конференции ВАСХНИЛ, СКНЦВШ, НИМИ, ЮжНИИГиМ и Южгшрсводхоз (секция гидравлики),(Новочеркасск,1988г.); на региональной научно-технической конференции "Экологические вопросы мелиорации Северного Кавказа" (Новочеркасск,НИШ,1990г.).
Публикации. Па материалам диссертации опубликовано 8 научных статей и получено авторское свидетельство на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения,пяти глав,списка литературы из 104 наименований и содержит 138 страниц машинописного текста, в том числе 28 рисунков и 15 таблиц.