Введение к работе
Актуальность проблемы. В республиках эдней Азии, Казахстане, Закавказье,на юге Россия и Украины э большую остроту приобретают проблемы экономии водных ресурсов устранения негативных экологических .последствий, вызванных стенсивным развитием мелиорации в этих регионах.Одним из главных правлении в их решении является сокращение фильтрационных и /па непроизводительных потерь на орошаема землях,что связано к с широким использованием противофяльтрашгонннх покрытий в крытих каналах оросительных систем, так и автоматизацией цоучета и водораспрзделения.
Опыт строительства и эксплуатации открытых оросительных стен в горных и предгорных районах (с бурным режимом движения) крил ряд нерешенных проблем проектирования и шшенерша расчетов налов и сооружений.Среди них - это,прежде всего,обеспечение ус-йчивости движения потоков. Волнообразование в каналах катящиеся волга"), кроме дополнительных динамических нагрузок на лицовку л сооружения, тютостъ нарушает- работу средств доизмзрения, автоматики и водораспределения, что особенно остро радилось на современном этапе развития оросительных систем.
С проблемой устойчивости бурного потока столкнулись еще в 60-х дах при проектировании водосбросных сооружений высоконапорных этин. Теоретические основы ее решения получили развитие в Оотзх в.В.Ведерникова,Н.А.Кертвелцягаили.Т.Т.Воинич-Сянаженцкого, М.Лятхерз.Р.Иауэлла, Р.Дреслера, И.Иваса и других. Однако тооре-чоскио решения в рамках линейкой теории волн малой амплитуда вт существенное рзсхокдение с экспериментом в сторону "усиления* жтерия устойчивости (числа Фрудз), что было выявлено ь экспери-ита лышх исследованиях Н.И. Арсениивили,S.П.Федорова,М.Р.Разумевши, С.Молтуори, А.О.Гембаряна, Р.й.Вагагова, В.А.Соколова, Т.Лаврова и др. Поэтому поиск дальнейших теоретических пений был проложен в работах Т.Г.Войпич-Сяноженцкого.И.И.Селик, 3.Коваленко и др.
Несмотря на достаточно большое внимание многих ученых к данной ;бло:.ю ряд вопросе? до сгас пор остались открытши.На раскрыта ли физическая картина возбуадения волновых колебаний в
_ 4 -
равномерном бурном потоке, нет достаточно обоснована зависимостей по определению параметров волнового потока, ела развиты методы расчета противоволновых мероприятий.
Пересечённость рельефа в горных и предгорных районах : позволяет назначать трассу каналов-быстротоков прямолинейно: возникает необходимость в устройстве виражей и повороте сужающихся и расширяющихся переходов, сопрягающих переходов вододелительными сооружениями, дюкерами и акведуками. Деформац бурного потока на этих сооружениях вызывает ооразован "остановившихся" волн, косых прыжков, что нередко являет причиной снижения пропускной способности.
Разработка методов управления бурными потоками была так
связана с началом строительства водосбросных сооружений высок
напорных плотин.Теоретические основы двухмерного бурного пото
были даны еще в 40-х годах Н.Т.мелещенко, С.Н.Нумеровым, Г.И.Сух
мелем, Н.Е.Кондратьевым, А.Иппеном, Х.Раузе, Р.Хиллом и др.
Дальнейшее развитие методы расчета и управления бурными поток ми получили в работах Ф.И.Франкля, И.А.Шеренкова, В.Т.Вщев А.А.Турсунова, В.В.Холодкова, Л.И.Высоцкого, Н.Н.Береды, В.Ю.Юди и др. В большинстве случаев разработанные методы расчета нах дались . в рамках двухмерной идеализации и обеспечивали надежн результаты для широких плоских бурных потоков пря умеренной кинетичности ( 4 < Fro < 30 ) и незначительной кривизна лин тока в плане.
Трехмерная модель бурного потока была рассмотрена в работ А.А.Турсунова, что позволило ему существенно расширить облас применимости двухмерной теории плоских бурных потоков.
Методы управления трехмерным бурным потоком разработа Л.И.Высоцким, Н.Н.Бередой, В.Ю.Юдиным. Однако при этом возника необходимость в конструировании сложных очертаний поверхнос русла, что ограничивает их использование только для крупных вод сбросных сооружений при экономической оправданности усложнен конструкции.
На оросительных системах пропускная способность сетев сооружений не превышает 50...100 к3/с, а водовыпускных сооружен - 5...10 м3Ус, поэтому конструкция их должна быть простой, к правило с плоским дном. В этих условиях возникает необходимое в решении обратных задач по выбору граничных стенок канала.
Большие скорости вызывают определенные затруднения и п
оленин потока. Эта проблема решалась по двум направлениям: ертикалъного деления о помощью донных камер и галерей.,. (Н.Ф.Дане-ия , К.И.Арсенишвили, Ш.С. Бобохидзе, Н.Н.Шведова, Р.И.Вагапов, .3.Берка лив, С.С.Сагаркулов и др.) и планового деления Ь.И.Франкль, Я.В.Еочкарев,Р.И.Вагапов, Д.А.Баялимов.Л.И.Высоцкий, .Т.Суюнчалиев и др.).
Каждый из указанных методов имеет определвгшые преимущества и едостатки. Автором работы совместно с Е.З.Беркалиевым, Д.А.Бая-имовнм решены конструктивные задачи проектирования одораспроделителышх сооружений, теоретические основы которых случили разработку в последующа работах автора.
В связи с вшсеизложвкнш большое научное и практическое значене имеют уточнение существующих и разработка новых методов расче-а устойчивости бурных потоков, конструирование простых сетевых эоружений (виражей, поворотов, сопрягающих сооружений, вододе-ителей и др.), позволяющих создавать более совершенные и надежные рооттелыше системи.
Цель работы:
-изучение явления самовозбуждения низкочастотных колебаний на вободной поверхности- бурного потока и их воздействия на идравлические сопротивления,уточнение критерия неустойчивости, заработка шшенерных методов расчета противоволновых мероприятий;
- разработка методов расчета и управления бурным потоком в здэлзх с плоским дном, методов конструирования сетевых сооружений чя открытых оросительных систем с бурным режимом движения.
Научная новизна работы состоит в том, что в ней мучены следующие результаты:
-
раскрыт механизм зарождения низкочастотных пульсационшх элебашй на свободной поверхности бурного потока, заключащийся в їзонзнсном возбуждении колебаний на поверхности потока грбулентшмл возмущениями придонного слоя и последующая імомодуляция от разных источников возмущений с выделением низких істот;
-
установлено влияние колебаний свободной поверхности на [драплнчэские сопротивления, заключающееся в формировании в івврхлостном слое спутного волнового течения с направлением, івисящкм от кинетичности потока;
-
уточнен критерий неустойчивости бурного течения с учетом кономерностей гидравлических сопротивлений и частотных
характеристик начальних возмущений, позволяющий определять границі перехода готока в неустойчивый резам течения и начала,, аэращв потока;
4 установлены зависимости по определению предельных параметров волнового потока;
5) установлена предельная крутизна Фронта волны, решена
численным методом двухмерная задача сопряжения бурного потока ее
спокойным потоком прыжком-волной с учетом гидравлически:
сопротивлений;
-
получены обобщенные уравнения характеристик обеих семейсті при взаимодействии простых волн, разраОотан метод "подвижны: полюсов" для решения двухмерных задач течения плоского бурноп потока в каналах с криволинейными стенками;
-
разработан численный метод расчета устойчивого даиаена бурного потока на вираках с плоским дном с учетом гидравлически: сопротивлений;
8) разработаны принципиальные основы конструирована
сопрягающих и водораспределительных сооружений методом "сшивания'
простых течений по граничным разделительным характеристикам
разработаны конкретные конструкции сетевых сооружений, в том числі
защищенные авторскими свидетельствами.
Практическая ценность работа заключается ; том, что полученные зависимости и методы расчета по опредвленк параметров волнового и бурного потока значительно дополняют ; расширяет1 применяемые в настоящее время нормативные документы п проектированию каналов и сооружений с бурным режимом движения.
Автором разработаны три методических указания по расчету водо проводящих трактов и сооружений для оросительных систем горно предгорной зоны,которые утверадены НТО ММВХ КазССР(1979-1980г).
Метода расчета доведены до стадии инженерного применения разработан пакет прикладных програш по расчету каналов и сооруже ней с бурным режимом течения на ПЭВМ типа IBM PC/AT.
Разработанные методы расчета инженерных противоволнош
мероприятий и предложенные конструкции сопрягающих соорукени
позволяют повысить надежность расчета, снизить капитальные затрат
на 10...15. '
Реализация работы. Основные результаты диссер тационной работы были внедрены в проектную практик институтами"Казгипроводхоз", "Казюхгипроводхоз", "Союзгипрорис
при проектировании каналов и сооружений в Алматинской области-Магистралышй ТургенскиЙ, Талгарский; в Талды-Курганской области-"Акмолинский", "Кировский"; в Жамбылской области - "Новый-чон", [Іравоберезгашй Аспаринский, Левоберекный обводной Таласский; Окно-Казахстанской - "Джабаглы-Су", "Кент-Балтыбрек", "Кировский".
Апробация работы. Результаты исследований и основные положения диссертации докладывались на Всесоюзной конференции "Проблема гидравлической устойчивости" (Тбилиси, 1975г.). Всесоюзном совещении по гидравлике высоконапорных водосбросных сооружений: (Тбилиси.1976г.), Всесоюзной конференции "Автоматизация гидромелиоративных систем" (Фрунзе, 1981г.), XX конгрессе МАГИ (Москва,1983г.), II Всесоюзной научно-технической конференции "Динамика и термика рек, водохранилищ и эструариев" (Москва, 1984г.), научно-техническом Совете ШВХ КазССР (Алма-Ата, Г 985г.), техническом Совете по типовому проектированию "Союз-зодпроекта" (Москва,1989г.), Всесоюзном совещании "Средства зодоучета и автоматизации водоизмерения" (Фрунзе, 1939г.).
По теме диссертации опубликовано 32 статьи (из них в зоэвторство 6), получено 2 авторских свидетельства, издано 3 методических указания, написано 5 научных отчетов по заданиям этраслепых проблем ШВХ СССР и ШВХ КазССР, разработано 4 прикладные программы.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, восьми глав и выводов. РвОота изложена на 241 стр. машинописного текста и зключзет 74 рисунка,список использованной литературы из 251 наиме-гавания, 17 приложений.