Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор существупцюс методов гидравлического расчета сложных систем питания судоходных шлюзов 10
2. Методика гидравлического расчета распределительных систем питания судоходных шлюзов 39
2.1. Описание разработанной методики 39
2.2. Методика определения расходов воды и пьезометрических отметок в системах питания на протяжении процесса наполнения камер судоходных шлюзов 40
2.2.1. Разбивка и способ представления системы питания 40
2.2.2. Уравнения, описывающие гидравлические процессы в системах питания шлюзов 44
2.2.3. Анализ полученных систем уравнения 52
2.3. Преобразование и решение исходных систем уравнений 54
2.3.1. Линеаризация и вывод уравнений для пучков ветвей 54
2.3.2. Решение расчетных систем уравнений 57
2.3.3. Определение начальных условий и шага интегрирования численного счета 64
2.4. Расчеты некоторых систем питания. Сравнение с экспериментом 69
2.5. Гидравлический расчет симметричных эквиинер-ционных систем питания шлюзов 110
Выводы 110
3. Некоторые аспекты определения коэффициентов местных сопротивлений элементов водопроводной галереи с расположенным по ее длине рядом боковых отверстий 113
3.1. Введение 113
3.2. Расчет отрыва потока от стенки водопровода с боковыми отверстиями 115
3.3. Экспериментальное исследование истечения жидкости из боковых отверстий трубопровода 120
3.4. Определение потерь напора в элементах трубопровода с боковыми отверстиями (выводы из эксперимента) 143
Заключение 155
Литература
Приложение
- Обзор существупцюс методов гидравлического расчета сложных систем питания судоходных шлюзов
- Методика определения расходов воды и пьезометрических отметок в системах питания на протяжении процесса наполнения камер судоходных шлюзов
- Гидравлический расчет симметричных эквиинер-ционных систем питания шлюзов
- Экспериментальное исследование истечения жидкости из боковых отверстий трубопровода
Обзор существупцюс методов гидравлического расчета сложных систем питания судоходных шлюзов
При проектировании систем питания судоходных шлюзов исходят из анализа соотношений двух основных конкурирующих факторов, определяющих эксплуатационные качества шлюзов: времени наполнения (опорожнения) камеры и величин гидродинамических сил, действующих на суда в процессе шлюзования. Для обеспечения высокой пропускной способности шлюза время наполнения (опорожнения) камеры должно быть по возможности меньшим. Но с другой стороны, величины действующих на шлюзующиеся суда гидродинамических сил не должны превышать допустимых значений.
При выбранной системе питания время наполнения (опорожнения) камеры шлюза можно снижать путем повышения скорости открытия затворов водопроводных галерей. Однако подобное повышение вызывает возрастание действующих на суда гидродинамических сил. Величины же этих сил тем больше, чем значительнее неравномерность распределения расхода воды по камере.! Поэтому при больших значениях напоров воды на шлюз (обычно начиная с 12-17 м) для соблюдения достаточно благоприятных условий отстоя судов и сохранения при этом невысоких значений времени шлюзования применяют распределительные системы питания, которые обеспечивают более равномерную, чем головные системы, раздачу воды по камере.
Многообразие конструкций распределительных систем питания обычно разделяют на две группы: простые и сложные системы [30, стр.94, 49, стр.238] . Простые распределительные системы питания представляют собой продольные боковые и донные водопроводы с расположенными по их длине выпусками воды в камеру (рис.1Л). Сложными распределительными состемами питания называют системы водо проводов с большим количеством разветвлений, иногда с несколькими подводами воды в камеру (рис. 1.2). Довольно полный перечень встречающихся на практике типов распределительных систем питания приведен в работе В.А.Кякка [34, стр.5-19] .
После того, как выбрана система питания шлюза, необходимо проверить характеристики ее работы: время наполнения (опорожнения) камеры, величины гидродинамических сил, действующих на расчетное судно в процессе шлюзования, условия работы гидравлических затворов (например, на обеспечение отсутствия кавитации), гидравлические процессы и связанные с ними условия отстоя судов в подходных каналах и т.д. Так как на стадии проектирования шлюзов натурный эксперимент невозможен, а лабораторный во всем его объеме требует существенных материальных и временных затрат, то особую актуальность приобретают расчетно-теоретические методы исследований гидравлики шлюзов.
Гидравлический расчет распределительных систем питания, включающий определение условий отстоя судов в камерах шлюзов, явным или неявным образом содержит три основные части: I) расчет поступления воды в камеру (в том числе распределения расходов жидкости через выпуски), 2) расчет связанного движения воды-судна в самой камере и 3) определение действующих на шлюзующееся судно гидродинамических сил. В связи с крайней сложностью задач ни одна из указанных частей не получила исчерпывающего теоретического решения, хотя достижения в этой области, особенно в СССР, весьма существенны.
Значение указанных частей гидравлического расчета судоходных шлюзов состоит в следующем. Расчет характера поступления воды в камеру прежде всего необходим для определения времени шлюзования. Результаты этого расчета (распределение расхода жидкости по выпускам), кроме того, являются исходными данными для определения па раметров связанного движения воды-судна в камере. По последним же параметрам можно вычислить гидродинамические силы, действующие на судно в процессе шлюзования. Таким образом, расчет характера поступления воды в камеру необходим для определения обоих конкурирующих факторов шлюзования: непосредственно для определения времени наполнения камеры и косвенно для определения действующих на судно гидродинамических сил. Поэтому создание методик гидравлического расчета распределительных систем питания шлюзов имеет первоочередное значение.
Методы расчета поступления воды в камеры судоходных шлюзов в случае распределительных систем питания разрабатывались такими учеными, как Ф.Форхгеймер, В.М.Маккавеев, И.М.Коновалов, Б.Д.Кача-новский, А.В.Михайлов, А.Ф.Бурков и др. Наиболее значительными исследованиями по определению параметров связанного движения воды -судна в камерах и действующих на суда гидродинамических сил следует признать работы В.М.Маккавеева [37] , А.В.Михайлова [47-50] , О.Ф.Васильева, А.А.Атавина [5-8, 10-18] и др.
Диссертационная работа включает только вопросы гидравлического расчета самих распределительных систем питания шлюзов без детального учета гидромеханических процессов в камерах шлюзов и подходных каналах. При этом в первую очередь рассматривается процесс наполнения камер. Это объясняется тем, что опорожнение обычно в меньшей степени, чем наполнение, лимитирует как по времени шлюзования, так и по действующим на суда гидродинамическим силам. Поэтому в настоящей главе основное внимание уделяется гидравлическому расчету распределительных систем питания шлюзов в процессе наполнения.
Методика определения расходов воды и пьезометрических отметок в системах питания на протяжении процесса наполнения камер судоходных шлюзов
Прежде, чем приступить к расчету распределительной системы питания судоходного шлюза, необходимо представить эту систему в виде совокупности типизированных звеньев - ветвей и узлов. Ветвью называется участок водовода, расход воды по длине которого постоянен (он может меняться во времени, но не по длине ветви). По длине ветви могут меняться формы и размеры ее поперечного сечения, направление потока, могут встречаться любые местные сопротивления, включая затвор водопроводной галереи. Пример ветви и ее схематическое изображение приведены на рис.2.1а. Узлами считаются места соединения ветвей друг с другом, с верхним и нижним бьефами сооружения, камерами шлюзов и затворными шахтами.
Все узлы подразделяются на два типа. Узлом типа 0 называется сочленение ветвей друг с другом, представленное схематически на рис.2.16. Узлом типа I моделируются верхний и нижний бьефы гидросооружения, камеры шлюзов и затворные шахты без учета уклона свободной поверхности воды в них. Схематическое изображение узла типа I представлено на рис.2.1в.
До того, как начать расчет, необходимо указать направление потока воды в каждой ветви. На схеме направление потока изображается стрелкой (рис.2.1а).
После разбивки систем на ряд типизированных звеньев ее узлы и ветви нумеруются независимо друг от друга. На рис.2.2 представлен способ разбиения на ветви и узлы водопроводной галереи с боковой раздачей воды через выпускные отверстия (обратить внимание, что концы ветвей 2, 4, б,8, 10, II являются одним и тем же узлом 7, так как камера шлюза моделируется одним узлом типа I).
Каждая ветвь системы питания шлюза ограничена двумя узлами, соответствующими началу и концу ветви. При этом началом ветви считается первый по направлению потока в ветви узел, концом -второй. Так на рис.2.1а ветвь с номером і имеет, своим началом узел / , а концом - узел к .
Узлы, помимо собственных параметров, характеризуются перечнем соединяющихся в нем ветвей и направлением потока, в этих ветвях. Принимается правило знаков для расходов воды. Расход воды в ветви і имеет знак "+" по отношению к данному узлу j , если поток в этой ветви і направлен к узлу j ; и расход воды в ветви і имеет знак "-" по отношению к данному узлу j , если поток в ветви і направлен от узла Искомой величиной для ветви является расход воды, для узла - пьезометрическая отметка в нем. Чтобы найти их значения для всех элементов системы питания, необходимо составить и решить систему уравнений движения жидкости и неразрывности движения, характеризующих течение воды в ветвях и узлах, моделирующих систему питания шлюза.
Гидравлические процессы в каждом типизированном звене описываются соответствующими уравнениями. Так как водопроводы систем питания имеют относительно небольшую длину, а быстрота маневрирования затворами сравнительно невелика, сжимаемостью воды можно пренебречь.
Пренебрегая неоднородностью распределения скоростей по поперечным сечениям трубопроводов, а также считая поперечные сечения плоскими, можно записать следующее одномерное уравнение движения с учетом сил инерции для ветви І с началом в узле J и концом в узле к : где D - средняя по поперечному сечению скорость потока в начале "і - средняя по поперечному сечению скорость потока в конце ветви і считается медленно изменящимся, так что потери энергии в элементах этой системы можно считать независящими от значений ускорений потока и определять их так же, как и при стационарном движении. Потери напора в ветви і где u)L - площадь расчетного поперечного сечения потока в ветви I , Tj . - суммарный коэффициент сопротивления ветви L , приведенный к ее расчетному сечению.
Гидравлический расчет симметричных эквиинер-ционных систем питания шлюзов
Разработанная новая методика гидравлического расчета распределительных систем питания судоходных шлюзов с учетом сил инерции позволяет определять не только традиционные гидравлические характеристики процесса наполнения камеры, но и распределение гидродинамических давлений и расходов воды по всем элементам системы питания. При этом должны быть заданы все геометрические и гидравлические параметры водопроводных галерей и графики открытия затворов.
На основе разработанной методики создана программа счета для дШ на языке Фортран-1У. Реализация расчета распределительных систем питания требует от проектировщика подготовки исходных данных по определенной схеме, приведенной в диссертации.
В настоящее время в связи с проектированием и строительством шлюзов с распределительными системами питания их детальный гидравлический расчет приобретает особую актуальность. Такой расчет позволит также сократить число вариантов систем питания, подлежащих дорогостоящему лабораторному исследованию, путем замены физического моделирования математическим. Следует отметить, что такого рода возможность получения . подробной информации о гидравлических параметрах процесса наполнения камер судоходных шлюзов для широкого класса распределительных систем питания получена впервые.
Новизна методики по сравнению с существующими заключается в следующем: во-первых, при определении суммарного расхода воды через систему питания не используется заведомо невыполнимое на протяжении всего процесса наполнения камеры предположение о равномерности распределения расходов по выпускам; во-вторых, методика позволяет производить детальный гидравлический расчет (в том числе определять распределение расходов по выпускам) систем питания такой сложности, подобный расчет которых без дополнительных предположений был невозможен (в частности, систем питания с большим числом разветвлений, с несинхронно открывающимися затворами галерей).
К основным достоинствам предложенной методики следует отнести: 1) широкие возможности применения для расчета различных схем систем питания, 2) возможность оперативного получения численных значений расходов воды и гидродинамических давлений в ряде сечений водопроводных галерей в течение процесса наполнения камеры, 3) точность расчета, обеспечивающаяся вследствие учета зависимости потерь напора на разветвление потока от распределения расходов воды по ветвям в разветвлениях (тройниках, боковых выпусках в галереях), 4) возможность более детального обоснования вариантов систем питания шлюзов в процессе проектирования, а также сокращения числа вариантов, подлежащих исследованию на физических моделях.
К факторам, осложняющим применение предлагаемой методики, относится прежде всего следующее: 1) величины гидравлических сопротивлений некоторых конструктивных деталей распределительных систем питания шлюзов неизвестны, и их значения приходится назначать по аналогии с исследованными; 2) местные сопротивления в системах питания часто расположены близко друг от друга, в то же время вопрос о взаимном влиянии различных сопротивлений в настоящее время исследован не достаточно.
Эти обстоятельства, однако, относятся в равной мере ко всем существующим методам гидравлического расчета шлюзов и могут быть устранены лишь путем проведения специальных экспериментальных и теоретических исследований.
Кроме того, впервые были получены выражения для коэффициентов расхода и приведенных длин симметричных эквиинерционных систем питания шлюзов. Указано, что гидравлический расчет подобных систем более целесообразно осуществлять с помощью одного известного уравнения, описывающего процесс наполнения (опорожнения) камер судоходных шлюзов. Часто встречающимся компонентом распределительных систем питания судоходных шлюзов является водопроводная галерея с расположенным.: по ее длине рядом баковых отверстий (выпусков) (рис.2.2.а). При проектировании систем питания шлюзов возникает необходимость гидравлического расчета процесса наполнения через такие галереи.
Движение жидкости в распределительных галереях является весьма сложным: турбулентным, неравномерным, неустановившемся, с наличием отрыва пограничного слоя, образованием и сносом вихрей. Поэтому при расчете этого движения прибегают к приближенным методам.
Приближенный гидравлический расчет систем питания с распределительными галереями при учете сил инерции в одномерной постановке может быть осуществлен с помощью методики, изложенной во второй главе диссертации. При этом точность расчета существенно зависит от правильности задания коэффициентов потерь напора элементов распределительных галерей.
В распределительных галереях различают два основных типа элементов: участки галереи между выпусками и сами выпуски. Жидкость, поступающая в камеру шлюза через боковые выпуски, отделяется от основного потока в галерее. При расчете по вышеизложенной методике участок водопроводной галереи с боковыми отверстиями представляется схемой водопроводов, приведенной на рис.2.2.б. Узел 7 здесь мо делирует камеру шлюза, ветви 2, 4, б, 8, 10 - боковые выпуски, ветви I, 3, 5, 7, 9, II - участки водопроводной галереи между выпусками.
Таким образом, для осуществления достаточно точного гидравлического расчета систем питания с распределительными галереями, необходимо обладать надежными сведениями о величинах коэффициентов потерь напора боковых отверстий и участков трубопровода между соседними боковыми отверстиями. Поэтому исследования-как теоретические, так и экспериментальные,-касающиеся определения величин этих коэффициентов, имеют весьма важное значение для гидравлического расчета распределительных систем питания шлюзов.
Экспериментальное исследование истечения жидкости из боковых отверстий трубопровода
Столь неодинаковая способность потока к образованию водоворот-ных зон в районах разных боковых отверстий наводит на мысль о том, что величины местных потерь напора в транзитном потоке в районах боковых отверстий должны определяться по разным зависимостям. При определении таких зависимостей следует принимать во внимание картину течения, в которой существуют или отсутствуют водоворотные зоны.
С помощью графиков, приведенных на рис.3.5, можно определить факт наличия водоворотных областей и местоположение точки отрыва потока от стенки. При возрастании п точка сдвигается вниз по течению. Каждая из кривых зсотр /б0 (п) имеет вертикальную ассимптоту, соответствующую величине п. отр , при которой отрыв исчезает (эта величина может быть определена с помощью кривой t-min (л.) и значения Очевидно, что при значениях П , больших Потр » отрыва уже быть не должно, поэтому областью определения функции ОСотр /б0 (п.) являются значения п , меньшие а отр . Зона вертикальных ас-симптот достаточно невелика: так для скоростей V0 - MO м/сек она составляет п0 - 1,87 2,05. Это согласуется с тем, что минимальное значение формпараметра L тсп зависит от скорости Уа в значительно меньшей степени, чем от отношеняия расходов воды п.
Чем выше значение скорости потока, подходящего к боковому отверстию, тем выше по течению расположена точка отрыва (если отрыв вообще есть). При малых значениях п. (характерных главным образом для низовых отверстий) водоворотная зона "надвигается" на боковое отверстие. Поэтому она может уже существенно влиять на величины местных потерь не только в транзитном потоке,;"-! но и в боковом отверстии.
Графики, приведенные на рис.3.6, являются вспомогательными. Оня служат, во-первых, для дополнительного контроля вычислений и, во-вторых, позволяют сделать выводы о зависимости местоположения точки отрыва пограничного слоя от минимального значения формпара-метра L на расчетном участке стенки трубопровода. При росте величин Lmin водоворотная зона сдвигается вниз по течению. Кривые Lm;n (oc0fn/)/S0) имеют вертикальную ассимптоту Lmin -= -0,13. Это означает, что теоретически водоворотная зона может смещаться неограниченно вниз по течению при стремлении L min к значению L от/) . Таким образом, водоворотная зона может попадать в области потока нижележащих боковых отверстий и влиять на коэффициенты местных сопротивлений как транзитного потока, так и боковых отверстий, расположенных ниже по течению. Значит поток в районах верхних по течению боковых отверстий может существенно влиять на схему течения в районе нижних по течению отверстий. Поэтому величины коэффициентов местных сопротивлений как транзитного потока, так и боковых отверстий, существенно зависят от факта совместной "работы" боковых отверстий и должны определяться по различным формулам в зависимости от расположения боковых отверстий.
Подытоживая сказанное в этом параграфе, можно заключить следующее: при определении зависимостей для коэффициентов местных сопротивлений элементов трубопровода с боковыми отверстиями следует принимать во внимание схемы течения; схемы течения могут быть различными в районах разных боковых отверстий; поток в областях вышележащих боковых отверстий может существенно влиять на схемы течения в районах отверстий нижележащих. Эти обстоятельства нуждаются в дальнейшем уточнении.
Теоретическое определение коэффициентов гидравлических сопротивлений элементов трубопровода с боковыми отверстиями встречается со значительными затруднениями, поэтому исследователям приходится прибегать к помощи эксперимента. В настоящее время существует несколько зависимостей для определения коэффициентов потерь напора боковых отверстий, однако эти зависимости в основном получены с помощью эксперимента для случая либо одиночных боковых отверстий, либо .одинаковых отверстий с постоянным шагом. Но распределительные галереи судоходных шлюзов снабжены рядом боковых отверстий не обязательно равных поперечных сечений и не обязательно расположенных на равных расстояниях друг от друга. Поэтому возникает вопрос, влияет ли на величину потерь напора в данном боковом отверстии наличие следующего за ним или предшествующего ему бокового отверстия, а если влияет, то в какой мере. Попутно возникла задача проверки, а если удается, то и уточнения существующих зависимостей. При этом полученные зависимости должны быть приспособлены для применения в рамках общей методики гидравлического расчета распределительных систем питания судоходных шлюзов, которая была изложена во второй главе диссертации.
