Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Способы формирования закрученного потока воды в проточном тракте турбины средне- или высоконапорной ГЭС и его гидравлический расчет . 10
1.1. Разработка технической идеи о пропуске холостого расхода воды через проточный тракт гидротурбины средне- или высоконапорной ГЭС с применением закрутки потока. Опыт предыдущих исследований. 10
1.2. Оценка возможности пропуска высокоскоростного закрученного потока через изогнутую отсасывающую трубу 13
1.2.1. Особенности движения закрученного потока воды в изогнутых водоводах 13
1.2.2. Особенности движения закрученного потока воды в изогнутых трубах с коленами нормализированной формы и отводящими диффузорами и разделительным бычком 19
1.2.3. Оценка воздействия закрученного потока воды на стенки колена и отводящего диффузора с разделительным бычком
1.3. Моделирование характера движения жидкости и характеристики воздействия потока на элементы проточного тракта гидротурбины. 25
1.4. Разработка и анализ вариантов пропуска холостых расходов через 38
проточный тракт гидротурбины средне- или высоконапорной ГЭС 38
1.5. Гидравлические расчеты вариантов пропуска холостых расходов через турбинные водоводы ГЭС 49
1.5.1. Расчет течения для случая отсутствия направляющего аппарата и рабочего колеса. 49
1.5.2. Расчет течения при снятом рабочем колесе и смонтированном 57
направляющем аппарате 57
1.5.3. Расчет течения при установке контрвихревого гасителя между 58
турбинным напорным водоводом и спиральной камерой 58
1.5.4. Расчет течения при монтаже контрвихревого гасителя в пределах 66
конуса отсасывающей трубы 66
Выводы по главе 1 70
ГЛАВА 2. Исследования конструкции отводящего водовода с регулируемым вихревым затвором и дефлектором в выходном сечении 72
2.1. Расчет течения при сбросе холостых расходов через регулируемый 72
вихревой затвор 72
2.2. Расчет закрученного течения в выходном сечении отводящего водовода с дефлектором 77
2.3. Оценка объемов капельной влаги, генерируемой работой вихревого.водосброса с дефлектором. 87
Выводы по главе 2 93
ГЛАВА 3. Технические основы и результаты методических исследований физических моделей контрвихревых гасителей энергии 95
3.1. Используемые средства измерения и методика испытаний. Испытанные модели 95
3.1.1. PIV –метод трассерной визуализации потока 95
3.1.2. LDA – метод лазерной доплеровской анемометрии
3.2. Критерии моделирования 109
3.3. Методика проведения эксперимента и испытанные модели контрвихревых гасителей 123
3.3.1. Методика проведения эксперимента 123
3.3.2. Испытанные модели контрвихревых гасителей 127
3.4. Результаты исследований структуры потока в камере смешения контрвихревых гасителей 130
Выводы по главе 3 144
Заключение 146
Список литературы 148
- Оценка возможности пропуска высокоскоростного закрученного потока через изогнутую отсасывающую трубу
- Гидравлические расчеты вариантов пропуска холостых расходов через турбинные водоводы ГЭС
- Расчет закрученного течения в выходном сечении отводящего водовода с дефлектором
- Методика проведения эксперимента и испытанные модели контрвихревых гасителей
Введение к работе
Актуальность темы настоящего исследования определяется
целесообразностью дальнейшего исследования и применения в новых ситуациях уникальных гидравлических устройств, основанных на использовании эффекта взаимодействия соосных противоположно закрученных потоков воды в круглой трубе, предложенных А.П. Мордасовым в Московском инженерно-строительном институте, которые ранее подробно исследовались последние 40 лет в целях создания эффективных, надежных и компактных гасителей избыточной энергии высокоскоростных потоков воды в водосбросных трактах высоконапорных гидроузлов. Такие гасители получили название контрвихревых (КВГ). Они были исследованы применительно к высоконапорным водосбросам ряда отечественных гидроузлов в МИСИ, НИС Гидропроекта, ВНИИГ, Мосгидростали. В качестве одного из выводов этих исследований была установлена возможность их конструктивного приспособления к самым разнообразным условиям, применения их при разных расходах воды, напорах, в строительный и эксплуатационный периоды.
В настоящее время традиционное направление исследований и разработок КВГ приобрело новую актуальность в связи с катастрофой, произошедшей на Саяно-Шушенской ГЭС (СШ ГЭС) 17 августа 2009 года. Крупнейшая в нашей стране ГЭС после техногенной аварии перестала вырабатывать электроэнергию, и возникла опасность затопления расположенных в нижнем бьефе населенных пунктов. Одним из способов пропуска холостых расходов через энергетический водопропускной тракт ГЭС было предложено применить уже достаточно хорошо исследованные к тому времени КВГ. В ходе исследования возможности их применения в сложившейся ситуации выяснилось, что возникшие после катастрофы условия – уникальны и не имеют мировых аналогов. Все проведенные ранее исследования по пропуску холостых расходов через проточный тракт ГЭС изучались преимущественно применительно к низконапорным ГЭС и для условий высоконапорных ГЭС были не применимы.
Этой ситуацией обусловлена актуальность разработки новых
конструктивных решений для гашения энергии высокоскоростного потока воды в существующем энергетическом водопропускном тракте высоконапорной крупной ГЭС, а также дополнительного изучения на физических моделях характеристик контрвихревого течения с целью обеспечения эффективности и компактного гашения энергии, повышения безопасности работы как существующих, так и проектируемых ГЭС.
Степень разработанности проблемы. Вопросы пропуска холостых, а именно строительных расходов через проточный тракт гидротурбины, как правило, недостроенный, ранее изучались преимущественно на гидравлических моделях применительно к низконапорным ГЭС. Результаты многих из этих исследований опубликованы в специальной технической литературе; наиболее подробный их обзор дан в Справочном пособии "Гидравлические расчеты водосбросных гидротехнических сооружений". Модельные исследования пропуска строительных расходов через турбинный блок при напорах от 50 до 100
м были выполнены применительно к Братской и Асуанской ГЭС. Исследовательский и практический опыт пропуска холостых расходов через турбинные блоки с радиально-осевыми турбинами, которые устанавливаются на ГЭС при напорах 80-300 м, отсутствует.
Цель работы: создание и обоснование эффективности и возможности применения на средне- и высоконапорных ГЭС усовершенствованной конструкции КВГ на основе уточненных закономерностей распределения скоростей и характеристик турбулентности взаимодействующих закрученных потоков.
Задачи исследования:
Разработать и исследовать различные инженерные решения, основанные на использовании отечественного и зарубежного опыта, применительно к решению задачи пропуска холостого расхода через энергетический водопропускной тракт высоконапорной ГЭС.
Выполнить гидравлический расчет разработанных решений применительно к условиям высоконапорных ГЭС.
Выявить достоинства и недостатки разработанных инженерных решений и разработать рекомендации по их расчету.
Выполнить физический эксперимент на основе применения лазерной системы трассерной визуализации (PIV).
Установить особенности распределения характеристик закрученных потоков для классического двухпоточного КВГ и для многопоточных КВГ.
Установить особенности гашения энергии высокоскоростного потока в зависимости от количества взаимодействующих потоков в гасителе.
Метод исследований - экспериментально-аналитический, опирающийся на использование апробированных методов расчета и измерения характеристик, закрученных и взаимодействующих закрученных потоков с применением современных средств измерения, таких как система цифровой трассерной визуализации и система лазерной допплеровской велосиметрии.
Научная новизна:
Впервые выполнен гидравлический расчет различных конструктивных решений контрвихревых гасителей применительно к энергетическому водоподводящему тракту высоконапорной ГЭС.
Выполнен научный анализ гидравлических характеристик контрвихревого гасителя в пределах энергетического водоподводящего тракта высоконапорной ГЭС и разработаны рекомендации по выбору оптимального решения.
Разработан принципиально новый способ сброса холостых расходов через дополнительный водовыпуск с использованием вихревого водосброса.
Экспериментально обоснована возможность исследования взаимодействующих закрученных потоков с применением метода цифровой трассерной визуализации.
Получены характеристики взаимодействующих закрученных потоков в камере гашения для различных конфигураций контрвихревых гасителей.
Экспериментально установлена зависимость интенсивности гашения
энергии от количества взаимодействующих закрученных потоков в камере
гашения.
Теоретическая и практическая значимость:
Результаты экспериментальных исследований подтверждают достоверность примененных методов расчета, что, в свою очередь, позволяет говорить о возможности применения этих методов для получения характеристик реальных объектов.
Полученная информация об интенсивности гашения энергии в КВГ с увеличенным количеством взаимодействующих закрученных потоков позволяет дать рекомендации о применении таких гасителей в условиях укороченной камеры гашения.
Разработанные практические рекомендации позволяют принять конструктивные решения по применению контрвихревых гасителей для размещения в энергетическом водоподводящем тракте существующих и проектируемых высоконапорных ГЭС
На защиту выносятся:
Общая техническая идея об использовании построенного проточного тракта гидротурбины средне- или высоконапорной гидроэлектростанции для пропуска холостых (строительных или аварийных) расходов воды путем формирования в проточном тракте закрученного потока воды с целью снижения влияния динамических нагрузок на стенки тракта со стороны высокоскоростного потока воды.
Технические способы формирования закрученного потока воды в условиях существующих элементов проточного тракта гидротурбины средне- или высоконапорной ГЭС.
Результаты гидравлических расчетов характеристик закрученных потоков и их потерь энергии в проточном тракте гидротурбины высоконапорной ГЭС, приспособленном для пропуска холостых расходов воды.
Результаты гидравлического расчета формы факела распыла закрученного потока воды в соответствии с патентом РФ 2483158 «Вихревой водосброс»
Результаты методических аэродинамических исследований взаимодействующих закрученных потоков.
Апробация работы. Основные результаты исследования доложены автором на международной конференции International Conference on Mechanical Engineering, Automation and Control Systems (MEACS 2014), Томск, 2014 г.
Достоверность: полученных результатов подтверждается применением апробированных расчетных методов и сходимостью расчетных результатов с данными экспериментальных исследований.
Публикации: Соискатель имеет 6 опубликованных работ по теме диссертации объемом 4 п.л. (лично автором 1,25 п.л.), опубликованных в рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК - 5 работ объемом 3,5 п.л. (лично автором 1,1 п.л.) и один патент на изобретение РФ.
Структура и объем работы:
Диссертация включает введение, три главы, основные выводы и рекомендации и список литературы из 125 источников, и изложена на 159 страницах машинописного текста, включает 76 рисунков и 7 таблиц.
Оценка возможности пропуска высокоскоростного закрученного потока через изогнутую отсасывающую трубу
Ситуация, заключающаяся в необходимости (целесообразности) пропуска холостых расходов через проточный тракт высоконапорной турбины при неработающем гидроагрегате и возникшая, как следствие, в результате катастрофы гидроагрегатов в здании Саяно-Шушенской ГЭС, является уникальной в мировой гидроэнергетической практике и поэтому прямых аналогов не имеет.
Использование проточного тракта недостроенных зданий ГЭС гидроэлектростанций для пропуска строительных расходов воды бывает оправдано, особенно при возведении гидроузлов в узких створах и отсутствии в их составе водосливных плотин [81]. Чаще всего пропуск строительных расходов осуществляется через здания ГЭС совмещенного типа [1, 66, 73].
Осуществленные при строительстве гидроузлов схемы пропуска расхода через здания ГЭС разнообразны [66, 73]. При этом условно могут быть выделены следующие схемы: – через отсасывающие трубы и турбинные камеры при разной степени их готовности; – через полностью или частично возведенные водосбросы и водосливы; – через турбинную шахту со статором и без него, с рабочим колесом и без него, с направляющим аппаратом и без него.
Для гашения энергии при пропуске расходов через недостроенные блоки здания ГЭС обычно используют различные гасители и крепления нижнего бьефа, предусмотренные на период постоянной эксплуатации [81, 97].
Вопросы пропуска холостых, а именно строительных расходов через проточный тракт гидротурбины, как правило, недостроенный, ранее изучались преимущественно на гидравлических моделях применительно к низконапорным ГЭС [1, 32, 37, 61, 65, 70, 72, 80]. Результаты многих из этих исследований опубликованы в специальной технической литературе; наиболее подробный их обзор дан в Справочном пособии "Гидравлические расчеты водосбросных гидротехнических сооружений", Москва, "Энергоатомиздат", 1988, глава 38; "Пропуск строительных расходов воды и льда через временные водосбросы", стр. 571-595, 38.4, стр. 581-590.
Модельные исследования пропуска строительных расходов через турбинный блок при напорах от 50 до 100 м были выполнены в 64–65 гг. прошлого века применительно к Братской и Асуанской ГЭС в Научно-исследовательском секторе Института «Гидропроект» им. С.Я. Жука (ныне ОАО «НИИЭС»). Исследования в целом показали, что пропуск холостых расходов через турбинный блок при таких напорах возможен при обеспечении напорного режима движения в подводящем водоводе. Для этого требуется погасить избыточную энергию потока в пределах проточного тракта на гидравлическом сопротивлении, создаваемом специальным временным напорным гасителем любой известной или специально разработанной конструкции, впоследствии демонтируемым при вводе ГЭС в постоянную эксплуатацию, а также необходимо закрыть турбинную шахту штатной крышкой гидротурбины с выполненным в ней воздуховодом для срыва вакуума. Материалы этих исследований, представляющие большой интерес, до настоящего времени не опубликованы.
Исследовательский и практический опыт пропуска холостых расходов через турбинные блоки с радиально-осевыми (Френсиса) турбинами, которые устанавливаются на ГЭС при напорах 80-300 м, отсутствует.
Заключение относительно самой возможности пропуска холостых расходов через проточный тракт высоконапорной турбины неработающего агрегата, пропускной способности отверстия и возникающих при этом нагрузок на элементы сооружения пока может быть сделано только умозрительно на основании анализа ранее выполненных исследований, проведенных применительно именно к недостроенным турбинным блокам низконапорных турбин, возведенным из железобетона и рассчитанным на значительно более низкие скорости потока. Об этом совершенно четко сказано в [34, с. 581]: "Для гашения энергии при пропуске расходов через недостроенные блоки здания ГЭС обычно используют гасители и крепления нижнего бьефа, предусмотренные на период постоянной эксплуатации". Важной информацией является тот факт, что удельные расходы при сбросах воды достигают 100 м2/с; =, (1.1) где q – удельный расход при длине водосбросного фронта b, при этом имеющийся отечественный опыт указывает на значение перепадов бьефов не более 40 м. Литературные источники отмечают возникновение кавитационных проявлений и гидродинамических нагрузок в виде пульсации давления на элементы проточного тракта [5, 21, 24, 53, 112].
При пропуске расходов по турбинному тракту с целью уменьшения гидродинамических нагрузок и кавитационных явлений используются решетки, устанавливаемые на входе в турбинную камеру или на выходе из отсасывающей трубы, либо частично прикрывают затвором выходное сечение отсасывающей трубы [24, 27, 39, 82].
Вследствие разнообразия и отличия конфигурации водопропускных отверстий недостроенных блоков ГЭС от распространенных форм водосбросов, использование при определении их пропускной способности значений коэффициентов расходов, полученных для известных типов водосбросов, оказывается практически невозможным. Значения коэффициентов расхода для недостроенных блоков устанавливаются экспериментальным путем [1, 26].
Наиболее интересная схема для рассматриваемого случая показана на рисунке 1.1. Здесь сброс воды в нижний бьеф осуществляется через проточный тракт турбинного блока, причем сброс может производиться при наличии рабочего колеса либо с демонтированным колесом. Однако ясно, что приведенная схема пропуска лимитирована напором, который и определяет общую энергетику потока воды. Как уже было сказано, подобных схем пропуска холостых расходов для напоров свыше 40 м нами не было найдено, и необходимый опыт отсутствует.
Гидравлические расчеты вариантов пропуска холостых расходов через турбинные водоводы ГЭС
Варианты 3 и 4 (табл.1.2) с контрвихревым гасителем могут рассматриваться как спаренный вихревой затвор. В общем случае контрвихревое сооружение, как правило, состоит из двух завихрителей (позиции 2, 3), формирующих коаксиальные течения со встречным вращением, далее эти течения выводят в общую камеру взаимодействия потоков (7), в которой происходит гашение избыточного напора [16, 17, 30, 31, 32, 46, 51, 55, 59].
Предлагаемая по варианту 3 схема содержит контрвихревой гаситель с неповоротными направляющими лопастями, установленный перед спиральной камерой. Конструкция является жесткой, нерегулируемой. Регулирование расхода осуществляется направляющим аппаратом гидротурбины. В период холостого сброса воды сама турбина отсутствует. Контрвихревой гаситель с пропускной способностью до 350 м3/с при напоре 200 м, предполагается, будет гасить до 50% действующего напора. Рисунок 1.22 – Контрвихревой гаситель по варианту 4 (табл.1.2); 1 – внутренний закрученный поток, 2 – обтекатель, 3 – периферийный закрученный поток
В контрвихревом гасителе по варианту 4 (рисунок 1.22) один из коаксиальных закрученных потоков (внутренний – 1) формируется непосредственно спиральной камерой и направляющим аппаратом гидротурбины. РК гидротурбины отсутствует, вместо него в конусе отсасывающей трубы устанавливается обтекатель (2) с жестко закрепленными на нем неповоротными лопастями (3), формирующими закрученный периферийный поток встречного по отношению к внутреннему потоку вращения. Применительно к СШ ГЭС гаситель может быть рассчитан на расход до 550 м3/с при действующем напоре 200 м.
Вариант с вихревым затвором (вариант 5), показанный на рисунке 1.23, представляется оптимальным, поскольку это идеальная гидравлическая система. Проточный тракт может работать как энергетический, так и как водосброс простым переключением направления потока, разворотом направляющих лопаток гидротурбины и вихревого затвора. Переход из одного режима в другой занимает несколько минут, система остается полностью регулируемой при любом режиме. Пропускная способность в режиме водосброса может достигать 1050 м3/с при действующем напоре 200 м. Проточный тракт не подвержен динамическим нагрузкам и кавита-ционному воздействию при всех режимах работы системы. Гашение избыточного напора осуществляется в атмосфере отбросом потока от сооружения на значительное расстояние, причем место падения отброшенной струи может быть задано формой направляющего дефлектора на выходе в атмосферу. Сам вихревой затвор – надежная конструкция, аналогичная направляющему аппарату гидротурбины. Вместо вихревого затвора возможно использование глубинных затворов традиционных типов (плоских, сегментных, конусных).
Таким образом, сравнительный анализ составленных умозрительно возможных схем пропуска холостых расходов через турбинный тракт средне- или высоконапорной ГЭС позволил выявить перспективный вариант, пригодный для последующей конструктивной проработки.
В условиях отсутствия направляющего аппарата и рабочего колеса турбины ее проточный тракт работает как вихревой водосброс с завихрителем в виде турбинной спиральной камеры. Гидравлический расчет такой системы выполняется в соответствии с методикой [31, 35]. Расчетная схема приведена на рисунке 1.25. Расчет начинается с определения гидравлического сопротивления на участке от водоприемника до спиральной камеры, схема напорного водовода приведена на рисунке 1.24. Рисунок 1.24 - Схема напорного водовода 1, = М+Л —, (1.9) где " - суммарный коэффициент гидравлического сопротивления подводящего напорного тракта; С,М - коэффициент местных гидравлических сопротивлений в водоприемнике и поворотах трубопровода, принимаются равными в сумме М = 0,5; L - длина подводящего тракта, L = 200 м; D - диаметр водовода, D = 6,5 м; Л– коэффициент гидравлического сопротивления по длине (вычисляется по формуле Б.Л. Шифринсона)
Расчет закрученного течения в выходном сечении отводящего водовода с дефлектором
При этом гашение избыточного напора осуществляется далеко за пределами сооружения отбросом потока и распылением в атмосфере в веерной струе в форме однополюсного гиперболоида вращения. Максимальное расстояние отброса потока от сооружения составляет L = 340 м. Система остается в постоянной эксплуатации и, таким образом, представляет собой совмещенный энерговодосбросной тракт.
Вместе с тем, эта конструкция может быть излишне сложной, а, следовательно, дорогой. Высокая стоимость гидромеханического оборудования здесь вполне оправдана целями надежности. Если речь идет о высоких напорах, то малая уступка качеству может обернуться немалыми последствиями. Как показывает опыт, стремление к удешевлению конструкций сопровождается потерями в их надежности, что в результате приводит к авариям.
Надежность вихревого затвора заложена в принципе регулирования расхода этим устройством, которое достигается не только путем дросселирования водопропускного отверстия, но и за счет изменения поперечной циркуляции потока.
Переведя значительную или основную часть механической энергии потока в энергию циркуляционного движения и избыточное центробежное давление, их затем можно погасить по длине отводящего водовода или распылить поток при выбросе в атмосферу. Обладая малым гидравлическим сопротивлением, вихревой затвор оказывает на поток соответственно малое воздействие, направляя его поворотными хорошо обтекаемыми лопатками закручивающего аппарата и, в свою очередь, испытывая от потока малое обратное воздействие. При этом взаимодействующие с потоком поворотные лопатки вынесены на периферию формируемого ими закрученного течения - в зону, где высокое избыточное давление поля центробежных сил подавляет кавитацию.
Сегодня построено значительное число водосбросов с циркуляционно-про-дольным движением жидкости в проточном тракте. В основном это шахтные вихревые водосбросы в Италии; в 2005 году сданы в эксплуатацию построенные по российскому проекту крупнейшие в мире вихревые водосбросы ГЭС Тери (Индия) с горизонтальными туннелями. И сегодня становятся очевидными некоторые негативные стороны схемы с гашением энергии циркуляционного движения по длине отводящего водовода. При этой схеме управляемо и плавно погасить избыточную энергию потока, переведенную в поперечную циркуляцию, весьма затруднительно. Существо проблемы здесь не в том, что на ГЭС Тери закрутка потока осуществляется тангенциальными завихрителями [29], не способными формировать симметричные относительно оси водовода, и, следовательно, устойчивые циркуляционно-продольные течения, а в более фундаментальных свойствах таких течений. Установлено [64, 41] и в последние годы доказано [11, 44, 45, 47], что с гашением поперечной циркуляции поток, оставаясь высокоскоростным, теряет устойчивость и разрушается. Даже в том случае, если идеальным завихрителем, к которым следует отнести вихревой затвор, сформировано симметричное относительно оси водовода циркуляционно-продольное течение, то и тогда по мере продвижения по водоводу оно, теряя устойчивость, трансформируется в спиралевидное. Смена формы движения потока проявляется в нарастающем по длине водовода спиралевидном изгибе его оси вращения – так называемого вихревого шнура, при этом сам вихревой шнур, обтекаемый закрученным потоком, сначала сохраняет стабильное пространственное положение. Дальнейшее затухание закрутки приводит к дестабилизации спиралевидного шнура – шнур начинает вращаться вместе с потоком, после чего поток распадается на отдельные крупные вихревые образования. Это явление называется «распадом вихря» (в англоязычной литературе - «vortex breakdown»). Прецессия и распад вихря сопровождаются мощной динамикой с уровнем пульсаций скоростей и давлений, существенно превышающим уровень развитой турбулентности. Механизм потери устойчивости и смены форм движения циркуляционно-продольного течения сегодня известен. Любой закрученный поток имеет две характерные области: вихресодержащую центральную область (вихревое ядро) со значительной завихренностью и периферийную область с малой завихренностью. Вихревое ядро является нестационарной областью потока, в которой зарождаются возмущения, нарушающие его осевую симметрию. В результате, теряя циркуляцию, а с ней силовое центробежное поле, поток оказывается слаб по отношению к несимметричным возмущениям и переходит от симметричной формы к спиралевидной. Дальнейшее вырождение циркуляции приводит к распаду циркуляционного течения в связи со слабостью остаточной закрутки. Описанные явления происходят в отводящих водоводах длиной более 60 их диаметров, а также при выходе закрученного потока под уровень нижнего бьефа. Потерю устойчивости с разрушением высокоскоростного потока и переход к его стохастическому движению следует признать опасными. Вихревые водосбросы с длинными отводящими водоводами или с выходом закрученного потока под уровень нижнего бьефа можно применять как исключение при обосновании допустимости техногенных рисков; оптимальной следует признать схему с коротким (от 3 до 10 диаметров) отводящим водоводом и выбросом закрученного потока в атмосферу.
Рассмотрим предлагаемую схему. Минуя вертикальный срез отводящего водовода и выходя в атмосферу, закрученный поток приобретает форму однополосного гиперболоида вращения (рисунок 2.2), напоминая этим струю, исходящую в атмосферу из-под конусного затвора. Такая форма выходящей струи обусловлена не только закруткой потока, но и наличием в нем замкнутого на атмосферу вихревого жгута – воздушной полости радиусом r0 с атмосферным давлением [31]. Эта схема позволяет избежать описанные выше риски, отбросив высокоскоростную струю от сооружения и погасив её энергию путем аэрации и распыления в атмосфере, а также в месте падения в воронке размыва на дне нижнего бьефа. Однако на рисунке 2.2 можно видеть, что низовая часть выходящей струи резко уходит к подошве сооружения, что нежелательно. В водосбросе с сопряжением бьефов отбросом струи воронка размыва должна располагаться на таком удалении от сооружения, при котором опасность подмыва последнего исключается.
Методика проведения эксперимента и испытанные модели контрвихревых гасителей
Здесь индекс “м” и “н” относится соответственно к модели и натуре. Это в равной степени справедливо, когда мы организуем модельный эксперимент с использованием газового рабочего тела (воздуха) и хотим пересчитать на условия работы с использованием жидкости (воды).
При одних и тех же числах Россби (Ro) циркуляционные течения, в том числе контрвихревые, могут иметь совершенно различную закрутку по радиальной координате на входной границе течения, и, следовательно, иметь совершенно различные входные динамические характеристики. Закрутка течения в виде коаксиально противоположно закрученных слоев формируется локальным завихрителем и определяет условия на входном конце области течения. К динамическим критериям, определяющим условия на входе области течения (на входе в зону гашения), можно отнести безразмерные комплексы: число Рейнольдса (Re), число Фруда (Fr), число Эйлера (Eu), число Россби (Ro). Заметим, что на другом конце области в качестве условий на выходе можно положить полное гашение закрутки взаимодействующих слоев. В этих условиях при безнапорном течении динамическим критерием выступает только число Фруда (Fr).
Однако, одновременное соблюдение всех условий динамического подобия на практике труднодостижимо, а в большинстве случаев просто невозможно. Рассмот 115 рим условия частичного (приближенного подобия). При этом необходимо установить, какие из сил играют определяющую роль в исследуемом контрвихревом течении, и моделирование которых необходимо, и силы, от моделирования которых можно отказаться.
Если изучается установившееся движение жидкости, параметры которого со временем не изменяются (д I dt = 0), то из рассмотрения выпадает число Струхаля (Sh). Существенно облегчает условия моделирования наличие зоны автомодельно-сти.
При моделировании контрвихревых течений на аэродинамических установках пропадает критерий - число Вебера (We). Данное обстоятельство связано с тем, что в газовом потоке происходит образование разрыва полости течения с давлением, равным или близким к нулю (явление кавитации) возможно только на очень больших скоростях течения. Для образования таких разрывов в текущем объеме необходимо, чтобы вся потенциальная и внутренняя тепловая энергия газа перешла в кинетическую. При начальных параметрах газа, соответствующих нормальным атмосферным условиям, эта скорость превышает значение более двух М (число Маха). При таких скоростях воздух становится сжимаемым и нагревается. Данный режим течения нами не рассматривается. Движение воздуха со скоростями, когда явление сжимаемости воздуха не проявляется, то есть порядка 0,2-0,5 М, не создает областей разрывов, и как следствие в рассматриваемой нами системе динамических критериев число We равно нулю.
Явление автомодельности является важным понятием при рассмотрении вопросов, связанных с моделированием гидромеханических явлений. Это обстоятельство приводит к вырождению чисел подобия. При гидравлическом моделировании и на натурных объектах потоки жидкости (газа) в подавляющем большинстве турбулентные, для которых значение числа Рейнольдса составляет Re = 105 -г-107 и более. Можно видеть, что при этом в выражении (3.19) последнее слагаемое вырождается, поскольку число Рейнольдса стоит в знаменателе. Это говорит о том, что с увеличением числа Рейнольдса значение сил вязкого трения уменьшается. При этом механизм исследуемого течения таков, что не требует никаких условий для подобия, и все процессы в таком течении автоматически подобны натурным или на других моделях, если и там соблюдены аналогичные условия. Этот случай называется автомодельностью по числу Рейнольдса.
В автомодельной зоне достаточно, чтобы Reм Reгр. Таким образом, условие подобия по числу Рейнольдса записывается в форме Re Reгр. (3.21) Как показывает опыт, свойством автомодельности действительно обладают все развитые турбулентные потоки, в том числе контрвихревые [37,52,119]. Значение Re можно принимать по рекомендациям специальных работ, например [5,6], или полагать, что физическое моделирование циркуляционных систем и осевых потоков в отношении сил вязкости по существу одинаково, и принимать согласно литературным источникам [60]. Можно записать число Рейнольдса через гидравлический радиус Re = Re = Ь, (3.22) є р кэ41 где RГ - гидравлический радиус живого сечения потока, при напорном движении RГ = R12 , кэ - высота выступов шероховатости твердых границ потока, А, - коэффициент сопротивления по длине.
Критерий Фруда отражает массовые силы. При циркуляционных течениях центробежные массовые силы могут многократно превосходить массовые силы земного тяготения. В этом случае число Фруда удобно представлять в форме пере грузки, например, через окружную пристенную скорость на входе в активную зону,
Число Россби (Ro) одновременно является критерием как динамического, так и кинематического подобия потоков, поскольку, с одной стороны, его квадрат представляет собой соотношение центробежных инерционных сил к силам конвективной инерции, а , с другой, - пропорциональность азимутальных и аксиальных скоростей.
В предложенной формулировке критерий Эйлера (Ей) определяет соотношение сил давления и инерционных сил. Это соотношение влияет на структуру контрвихревого течения.
Известно, что давление в циркуляционном потоке снижается к оси вращения, где может наблюдаться вакуум, а вакуум может быть глубоким до физического предела (давления паров насыщения), когда возникает разрыв потока в виде полого вихревого жгута. Эти явления связаны с центробежными силами, обеспечивающими положительный радиальный градиент давления и стремящимися разорвать циркуляционный поток в центральной (приосевой) зоне, отбросив его к периферии - к стенкам цилиндрического канала. В натурных условиях при относительно высоких скоростях движения жидкости глубокие вакуумы в приосевой зоне контрвихревого течения - явление вполне закономерное, в то время как на моделях при относительно невысоких скоростях движения модельного потока появление предельных вакуумов невозможно.
При моделировании на воздухе осевого разрыва сплошности потока, как было показано выше, не происходит. Поэтому критерий Эйлера может быть применим только при моделировании на воде.
Особое значение условия подобия по числу Эйлера приобретают при кавита-ционных исследованиях [56] на воде.
При моделировании контрвихревых течений критерии Эйлера и Фруда совместимы по масштабу, и их произведение при необходимости может служить дополнительным или самостоятельным комбинированным критерием динамического подобия