Содержание к диссертации
Введение
1. Существующие конструкции шахтных водосбросов и методы их расчетного обоснования 9
1.1. Условия применения шахтных водосбросов 9
1.2. Краткая характеристика шахтных водосбросов существующих гидроузлов 20
1.3. Существующие методики расчета шахтного водосброса 28
1.3.1 Определение параметров водоприемной воронки 30
1.3.2 Определение параметров ствола шахты 45
1.3.3 Определение параметров сопрягающего колена 49
1.4. Анализ технических решений и недостатков существующих конструкций шахтных водосбросов 52
1.5. Основные выводы и рекомендации 56
2. Теоретическое обоснование параметров конст рукции шахтного водосброса полигонального очертания в плане 59
2.1. Принципы формирования сливной поверхности шахты 59
2.2. Расчетные уравнения внутренней поверхности шахты 63
2.3. Расчетные уравнения внешней поверхности шахты 69
2.4. Определение поперечных размеров сливной поверхности шахты 71
2.4.1 Определение ширины сливных граней по высоте шахты 71
2.4.2 Определение параметров поперечного сечения шахты 74
2.4.3 Определение параметров живого сечения потока в шахте 75
2.5. Рекомендации по выбору оптимальных параметров водоприемной воронки 78
2.6. Выводы по главе 81
3. Методика проведения модельных исследований 82
3.1. Методика модельных гидравлических исследований 82
3.2. Экспериментальная установка. Назначение расчетных параметров модельной установки 87
3.3. Контрольно-измерительная аппаратура 94
3.4. Оценка точности модельных гидравлических исследований . 96
3.4.1. Оценка абсолютных погрешностей измеряемых величин 96
3.4.2. Оценка относительной точности измеряемых параметров 100
3.5. Методика пересчета параметров модели на натуру с учетом масштабной поправки 102
4. Результаты экспериментальных исследований работы шахтного водосброса полигонального очертания в плане 104
4.1. Состав и объём модельных гидравлических исследований 104
4.2. Гидравлические режимы в шахте 107
4.3. Исследование пропускной способности шахтного водосброса 125
4.3.1. Исследование работы шахтного водосброса в напорном режиме 125
4.3.2. Исследование работы шахтного водосброса в безнапорном режиме 131
4.4. Изучение распределения давлений в проточном тракте шахты 136
4.4.1. Анализ результатов изучения давления на сливной поверхности шахты 140
4.4.2. Определение величины вакуума на оголовке водоприёмной воронки шахты 145
4.4.3. Изучение распределения давлений на стыке сливных граней . 151
4.5. Выводы по главе 155
Общие выводы и рекомендации 157
Список литературы 161
- Краткая характеристика шахтных водосбросов существующих гидроузлов
- Анализ технических решений и недостатков существующих конструкций шахтных водосбросов
- Рекомендации по выбору оптимальных параметров водоприемной воронки
- Экспериментальная установка. Назначение расчетных параметров модельной установки
Введение к работе
Шахтные водосбросы относятся к поверхностным водосбросам; их устраивают вне тела плотины при хороших геологических условиях и в водохранилище при неблагоприятных геологических и топографических условиях местоположения створа гидроузла. Эти водосбросы служат постоянным эксплуатационным сооружением речных гидроузлов.
Шахтные водосбросы имеют широкое распространение в практике гидротехнического строительства благодаря таким достоинствам, как компактность конструкции, высокая пропускная способность, автоматичность работы. Шахтные' водосбросы устраивают в скальных грунтах и сравнительно узких ущельях, когда размещение других типов водосбросов менее целесообразно. Определяющими факторами при выборе данного водосбросного сооружения являются: формирование паводков ливневого типа - внезапность и большая скорость наступления максимального расхода, сейсмичность района строительства.
Береговые шахтные водосбросы с боковым подводом воды располагаются на не крутых склонах, где есть возможность создания в скале удобной площадки для кольцевого водослива. Для обеспечения благоприятных гидравлических условий работы водоприёмной воронки требуется установка специальных противоводоворотных устройств, предупреждающих закрутку потока на входе в шахтный водосброс.
Русловой шахтный водосброс не требует специальных мероприятий для подвода воды к водосливной воронке.
Применение шахтных водосбросов сдерживается развитием кавитационных явлений, опасных для проточного тракта шахты. Ликвидация опасности кавитационных явлений требует усложнения конструкции шахты и удорожания ее стоимости.
Существующие способы борьбы с кавитацией сводятся к увеличению поперечного сечения ствола шахты и подачей в зону отрыва воздуха, либо к резкому стеснению концевого сечения ствола шахты, обеспечивая этим
снижение максимальных скоростей потока за счет формирования напорного режима при пропуске расчетного расхода. Но в этом случае при пропуске меньших расходов возникает необходимость подачи воздуха в вакуумные зоны.
Размеры водоприёмной воронки влияют на размеры водопроводящих и энергогасящих сооружений и на высоту плотины. При уменьшении диаметра воронки растёт напор на её гребне, что влечёт за собой увеличение емкости форсированного объёма водохранилища и степень трансформации паводочного расхода и соответствующее уменьшение размеров водопроводящих и энергогасящих сооружений. С другой стороны, увеличение напора на гребне воронки ведёт к увеличению высоты и стоимости плотины.
Основным недостатком существующих конструкций шахтного водосброса является сложность выполнения его сливной поверхности, которая представляет собой поверхность с пространственной кривизной. В практике строительства такая поверхность заменяется либо системой усечённых конусов, либо системой плоских трапеций, вписанных в проектные очертания сливной поверхности. В обоих случаях на сливной поверхности шахты появляются рёбра, расположенные поперёк потока и служащие источником появления вакуумных зон и опасности кавитационной эрозии бетона.
Еще одним недостатком шахтных водосбросов является сложность сопряжения ствола шахты круглого поперечного сечения с отводящим водоводом прямоугольного или корытообразного поперечного сечения, для чего между стволом шахтного водосброса и отводящим водоводом устраивается специальный переходной участок. В этом случае так же появляются поперечные ребра в зоне максимальных скоростей потока.
Всех перечисленных неприятностей позволяет избежать замена круглого поперечного сечения шахты в плане на полигональное, при выполнении
Гребня ВОрОНКИ В ВИДЄ ПраВИЛЬНОГО МНОГОуГОЛЬНИКа ПО Патенту РФ №2250951.
Цель и задачи исследований. Цель диссертационной работы заключается в экспериментальном исследовании шахтного водосброса с водоприемным оголовком полигонального очертания в плане, и на основе накопленного опыта в гидравлике шахтных водосбросов и теоретических разработок автора, создание методики и разработок практических предложений по обоснованию и применению новой конструкции в качестве водосбросного сооружения.
Достижение поставленной цели было связано с решением следующих задач:
разработать методику расчета конструкции шахтного водосброса полигонального очертания в плане;
выполнить теоретическое обоснование методики гидравлических расчетов шахтных водосбросов полигонального очертания в плане;
осуществить теоретическое обоснование возможности использования оголовка водоприемной воронки с вакуумным профилем;
провести экспериментальное изучение пропускной способности шахтного водосброса полигонального очертания в плане и получить расчетные зависимости;
установить вид зависимостей величины вакуума на оголовке водоприемной воронки от напора;
определить зависимости распределения давлений в потоке на сливной поверхности шахты;
разработать рекомендации по обоснованию пропускной способности водосбросного сооружения при проектировании и строительстве гидроузла на основании результатов расчетно-теоретических и экспериментальных исследований.
Научная новизна работы.
Основными элементами научной новизны являются:
- разработка конструкции вакуумного гребня водоприемной воронки,
выполненной в плане в форме правильного многоугольника,
обеспечивающей повышение пропускной способности и упрощение производства бетонных и арматурных работ за счет использования опалубки одномерной кривизны.
разработка методики расчета очертаний поверхности опалубки для изготовления наружных и внутренних поверхностей шахты с целью улучшения гидравлических условий работы водосбросного тракта.
выполнение теоретического обоснования расчета гидравлических параметров проектируемых шахтных водосбросов полигонального очертания в плане (пропускная способность, давление на сливной поверхно-. сти шахты) с учетом результатов экспериментальных исследований. Достоверность полученных результатов. Экспериментальные
исследования, результаты которых приведены в диссертации, выполнены с использованием протарированных приборов, средств измерений и по современным методикам обработки. Правомерность разработанных рекомендаций обоснована значительным объемом модельных исследований, а также сопоставлением результатов теоретических исследований с результатами, полученными на модели.
Практическая ценность работы состоит в том, что разработанная конструкция шахтного водосброса полигонального очертания обеспечивает повышенную пропускную способность, упрощение производства работ и повышение надежности работы сооружения за счет предотвращения образования опасного вакуума на сливной поверхности, а предложенные методы расчета и результаты исследований, такие как расчётные зависимости пропускной способности и ряда гидравлических параметров шахтного водосброса полигонального очертания в плане позволяют, обосновать и повысить надежность и эффективность разработанной конструкции, как в период строительства, так и в период эксплуатации.
Апробация работы. Результаты исследований и основные положения диссертации использованы при проектировании ряда шахтных водосбросов на гидроузлах, проектируемых для САР и АНДР, докладывались на научно-
технических конференциях в Московском государственном университете
природообустройства в 2003-2005 г.г., на Всероссийской выставке научно-
технического творчества молодежи НТТМ-2004 (Москва, ВВЦ, 7-Ю июля
2004 г.), на заседаниях кафедры КИВР МГУП, а также изложены в ряде
публикаций.
Публикации. По теме диссертации опубликованы пять статей, научные труды в двух сборниках материалов научно-технических конференций, которые использованы в настоящей работе и приводятся в списке литературы.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка используемой литературы. Работа изложена на 170 страницах машинописного текста, иллюстрирована 70 рисунками, содержит 5 таблиц. Список литературы состоит из 123 наименований, из них 10 на иностранных языках.
*
Краткая характеристика шахтных водосбросов существующих гидроузлов
Как уже отмечалось, первый шахтный водосброс был построен в Англии в 1896 г. при плотине Блэкстонского водохранилища. В последние годы Такие водосбросы нашли большое применение во многих странах мира и с того времени построено более 80 крупных водосбросов.
В состав шахтного водосброса входят: водоприёмная воронка с полным или неполным в плане кольцевым водосливом; переходной участок; вертикальная шахта; колено или иное сопрягающее устройство; отводящий водовод, выполненный в виде трубы или туннеля (рис. 1.6) [61].
По условиям эксплуатации шахтные водосбросы разделяют на нерегулируемые - автоматически действующие и регулируемые - с затворами на гребне водосливных воронок. Гребень водосливов автоматически действующих шахтных водосбросов располагают на отметке НПУ водохранилища. Пропуск паводковых расходов через нерегулируемые водосбросы вызывает форсировку уровня, что не всегда возможно из-за нежелательных затоплений территорий в верхнем бьефе и не всегда экономически целесообразно из-за удорожания подпорных сооружений. В таких случаях на гребне воронки устанавливают различные затворы.
Затворы могут быть кольцевые (на гидроузлах Оуахи и Хангри Хорз в США), плоскими (гидроузел Кингслей в США), сегментные (гидроузел Гибсон в США (рис. 1.7).
Очертание воронок в плане, как правило, бывает кольцевым. Известны случаи строительства шахтных водосбросов с лепестковым оголовком, называемым «Маргариткой» (Татевского на р. Воротан в Армянской ССР и Сарно в Алжире) и сифонные шахтные водосбросы. По профилю водосливной поверхности наиболее распространены воронки практического профиля, плавно очерченные по параболе, эллипсу, реже по окружности. Как исключение можно указать на воронку водосброса Джюбили (Англия) -с прямолинейной вставкой между закругленным гребнем и коленом, и водосливной профиль ступенчатой формы водосброса Леди Бауэр (Англия). шахтных водосбросов служат: раздельная стенка или бычок со стороны выемки (Оуахи и Хангри Хорз в США), специальная противоводоворотная стенка, проходящая через центр воронки (Берихон и Джюбили в Англии и при первой очереди строительства плотины на р. Неберджай [50] близ города Новороссийска в СССР, рис. 1.8). Специальные бычки и стенки на гребне воронки (Девис Бридж и Харт Бьют в США, Таф Фетчен и Леди Бауэр в Англии, Регадера в Колумбии, Сайлент Валлей в Ирландии, Мануэрика
Водоприёмная воронка плавно соединяется с вертикальной шахтой, по которой вода, перелившаяся в водосброс, опускается до отметки горизонтального отводящего тракта. Наиболее широкое распространение подучили вертикальные шахты, которые могут быть конусными (Оуахи, рис. 1.8а), цилиндрическими (Леди Бауэр, рис. 1.86) и цилиндрическими с переходным участком. Реже устраивают наклонные шахты (Джюбили в Англии, Хангри Хорз в США). Известны случаи, когда вертикальная шахта отсутствует и воронка соединена с отводящим трактом коленом (Артемовский в СССР, Сан Валентино в Италии, рис. 1.3, Мануэрика Феллс в Новой Зеландии, Шайд Хилс в США, Сайлент Валлей в Ирландии).
Для плавного соединения вертикальной шахты и горизонтального туннеля устраивают переходной участок, выполненный, как правило, в виде колена круглоцилиндрической осью. Колено, как правило, выполняют постоянным сечением (Оуахи, Леди Бауэр). В случае, когда вертикальная шахта и горизонтальный туннель имеют различные размеры, устраивают колена переменного сечения (Регадера, Джюбили). Известны случаи с неплавным соединением вертикальной вахты и отводящего туннеля (Понтези). Конструкции горизонтальных отводящих трактов шахтных водосбросов аналогичны применяемым в туннельных и трубчатых водосброса. Они могут иметь круглое (Аконгтиен, рис. 1.8), корытообразное (проект шахтного водосброса Бартогайского водохранилища) или другое сечение, с последнее время в практике гидротехнического строительства сложилась устойчивая тенденция пропуска паводков через сооружения подобного типа при безнапорном режиме работы горизонтального отводящего тракта. Для создания устойчивого безнапорного режима в горизонтальном туннеле с успехом применяются носки-отклонители струй, установленные в конце вертикальной шахты (Чарвакский, рис. 1.2, Артемовский).
Для ликвидации опасного вакуума, способного вызвать кавитационную эрозию сооружения, за носок-отклонитель подводят атмосферный воздух. Известны случаи подвода воздуха по длине вертикальной или наклонной шахты, где по расчетам или результатам опытов значения вакуума превышают допустимые пределы (Оуахи, рис. 1.1, Джюбили, Харт Бьют). Основные параметры построенных шахтных водосбросов приведены в таблице 1.1. [50].
Анализ технических решений и недостатков существующих конструкций шахтных водосбросов
Разработанная на кафедре КИВР МГУП шахта, имеющая полигональное очертание в плане (рис. 2.1) позволяет исключить многие недостатки и упростить конструкцию шахтного водосброса. Отличием шахтного водосброса полигонального очертания в плане от существующих конструкций заключается в замене сливной поверхности шахты, выполненной в виде поверхности вращения на пирамидальную поверхность с криволинейными гранями. Возможные конструктивные формы в плане представлены на рис. 2.1. Изменение формы поперечного сечения сливной поверхности шахты позволило заменить поверхность с двухмерной кривизной на систему поверхностей с одномерной кривизной, что даёт следующие преимущества. Во-первых, опалубка выполняется без перегибов в направлении движения воды, а её рабочая поверхность формируется плоскими листами, например, фанерными, стальными и т.п. Во-вторых, в поперечных сечениях кольцевая арматура заменяется системой прямолинейных элементов. В-третьих, соответствующим подбором очертания сливной поверхности шахты можно обеспечить безотрывный вход потока шахты в сопрягающее колено. В-четвёртых, соответствующим выбором числа сторон полигонального многоугольника можно выполнить сопрягающее колено как непосредственное продолжение шахты. Размеры водоприёмной воронки влияют на размеры водопроводящих и энергогасящих сооружений и на высоту плотины. При уменьшении диаметра воронки растёт напор на её гребне, что влечёт за собой увеличение емкости форсированного объёма водохранилища и степень трансформации паводочного расхода и соответствующее уменьшение размеров водопроводящих и энергогасящих сооружений.
С другой стороны, увеличение напора на гребне воронки ведёт к увеличению высоты и стоимости плотины. С целью повышения пропускной способности и упрощения конструкции оголовок водоприёмной воронки принят круглоцилиндрическим. Из приведенных в обзоре теорий расчёта шахтных водосбросов можно отдать предпочтение сливной поверхности, выполненной с эллиптической образующей как более гибкой по условиям приспосабливаемости к требованиям проектирования и строительства. Параметры эллипса образующей сливной цилиндрической поверхности должны быть такими, чтобы эллиптическая поверхность отвечать следующим условиям: 1. Сливная поверхность должна обеспечивать неподтопленный режим водоприёмной воронки во всём диапазоне расходов. Для водосливного оголовка кругового поперечного сечения по рекомендациям Н.П. Розанова, этому условию соответствует сопряжение сливной грани с оголовком в точке, тангенс угла касательной в которой имеет величину 1.5. 2. Для безотрывного втекания воды из шахты в колено необходимо обеспечить общую касательную к сопрягаемым поверхностям в сечении их стыковки. Этому условию отвечает размещение начала координат эллиптической направляющей сливной поверхности в плоскости их стыковки. 3.
В соответствии с требованием выполнить сопрягающее колено как непосредственное продолжение шахты, количество внутренних граней шахты в нижней части ствола должно быть кратно четырём при сопряжении с отводящим водоводом коробчатого сечения. В этом случае попартно взаимно ортогональные четыре грани сформируют соответствующие грани сопрягающего колена. Для обеспечения поставленных требований, внутренняя сливная поверхность шахты должна иметь число граней, кратное четырём. Четыре грани в этом случае выполняются в форме криволинейных трапеций, образующие поверхностей которых сориентированы параллельно соответствующим граням сопрягающего колена. Нижние ребра этих граней образуют концевое сечение шахты в общем случае прямоугольной формы с шириной, равной ширине отводящего водовода. Остальные грани сливной поверхности шахты примут форму криволинейных треугольников, верхние рёбра которых являются соответствующими рёбрами входного сечения шахты, а боковые сходятся в вершинах углов концевого сечения ствола шахты. Образующие сливных граней внутренней поверхности шахты параллельны соответствующим ребрам многогранника гребня водоприёмной воронки. Такая конструкция внутренней поверхности шахтного водосброса обеспечивает плавный переход от многоугольной водосливной воронки к прямоугольному входному сечению колена, сопрягающего шахту с отводящим водоводом. Поставленным требованиям удовлетворяют шахты, гребень водоприёмных воронок которых выполнен в форме правильного 12-и, 8-й и 4-х угольников. Вид на шахту в плане с водоприёмной воронкой в виде 12-и угольника показан на рис. 2.1., а, 8-й угольника показан на рис. 2.1., б и 4-х угольника нарис. 2.1., в.
Рекомендации по выбору оптимальных параметров водоприемной воронки
Коэффициент расхода будет тем больше, чем меньше отношение HIR. Оптимальное соотношение величины H/R определяют сопоставлением вариантов. Однако критериев оптимальности автор не приводит.
В [59, 61] Мойсом П.П. рекомендуется принимать для шахтных водосбросов без затворов напор равный 1,5-2 м.
В тоже время анализ построенных шахтных водосбросов, проведенный в [117] дает значение напоров в диапазоне от 0,7 до 5,1 м.
От величины напора зависят размеры только диаметра водоприемной воронки, поскольку диаметр ствола шахты, в конечном счете, определяется ее высотой и величиной расчетного расхода. Таким образом, получается, что размеры водоприемной воронки и размеры ствола шахты являются, практически независимыми друг от друга конструкциями. В тоже время величина напора на гребне водоприемной воронки в некоторой степени влияет на величину расчетного расхода шахты, поскольку имеется возможность в трансформации паводка. Степень трансформации паводка в основном определяется соотношением объема паводка и регулирующей емкостью водохранилища в диапазоне от НПУ до ФПУ.
Одновременно с этим увеличение форсировки верхнего бьефа водохранилища требует значительных капиталовложений на строительство гидроузла, связанных с увеличением объема тела плотины из-за увеличения отметки ее гребня. Снижение стоимости- водоприемной воронки при увеличении напора на ее гребне не сопоставимо мало по сравнению с увеличением стоимости плотины.
По этой причине следует стремиться к минимально возможному напору на гребне водоприемной воронки, величина которого определяется техническими возможностями сооружения водоприемной воронки большого диаметра. В качестве примера рассмотрим шахтный водосброс гидроузла Джедра в Алжирской НДР.
В ТЭО ОАО "Зарубежводстрой" принят шахтный водосброс диаметром воронки 22,5 м с толщиной стен 1,5 м на пропуск расхода 740 м3/с при напоре 3,38 м. Площадь каменно-набросной плотины в плане равна порядка 48 тыс.м при стоимости каменной наброске в деле порядка 5$ США за 1 м . Высота водоприемной воронки составляет 10 м, на сооружение которой требуется 800 м железобетона стоимостью порядка 150$ за 1 м. Уменьшение напора на гребне водоприемной воронки на 1 м до 2,38 м потребует увеличение диаметра гребня с 22,5 м до 36 м и увеличение объема бетона до 1150 м , т.е. увеличение объема бетона составит 350 м стоимостью 52500$. В тоже время снижение отметки гребня плотины на 1 м, уменьшит объем ее упорных призм на 48 тыс. м , стоимость которых будет 240000$. Таким образом, суммарное снижение стоимости гидроузла составит 240000-52500=187500$. Из этих прикидочных подсчетов видно, что выгоднее иметь на гребне шахтного водосброса минимально возможный напор. Здесь следует привести в качестве примера гидроузел Сан Валентино в Италии, на котором для пропуска расхода 728 м /с при напоре 1,4 м построено три шахтных водосброса, два из которых имеют диаметр гребня водоприемной воронки 25,4 м и один 19,6 м [116]. На гидроузле Сан Валентино отношение R/H составляет 12,7/1,4=9,07, т.е. значительно, почти в два раза, превосходит рекомендации для максимального значения R/H=5. Следовательно, в качестве критерия оценки параметров шахтного водосброса следует проводить сопоставление затрат на сооружение шахтного водосброса с большим диаметром гребня и экономией затрат за счет уменьшения объема тела плотины. 1. Предложенная конструкция шахты полигонального очертания в плане позволяет снизить затраты на сооружение шахты и упростить опалубочные работы. 2. Использование вакуумного круглоцилиндрического очертания гребня шахты позволит увеличить пропускную способность водоприёмной воронки шахты. 3. Уточненные расчеты на примере г/у Джедра показывают, что пропуск поверочного паводка с учетом повышения коэффициента расхода водоприёмной воронки шахты позволяют снизить отметку гребня плотины на 0.67 м. 4. Максимальный трансформированный расход можно снизить с 740 до 631.5 м /с, что на 108 м /с меньше принятого в ТЭО. Исходя из анализа технических решений шахтного водосброса гидроузла Джедра, задачей модельных гидравлических исследований является изучение следующих вопросов. 1. Выполнить теоретическое обоснование методики гидравлических расчетов шахтных водосбросов полигонального очертания в плане; 2. Осуществить теоретическое обоснование возможности использования оголовка водоприемной воронки с вакуумным профилем; 3. Провести экспериментальное изучение пропускной способности шахтного водосброса полигонального очертания в плане и получить расчетные зависимости; 4. Установить вид зависимостей величины вакуума на оголовке водоприемной воронки от напора; 5. Определить зависимости распределения давлений в потоке на сливной поверхности шахты; 6. Разработать рекомендации по обоснованию пропускной способности водосбросного сооружения при проектировании и строительстве гидроузла на основании результатов расчетно-теоретических и экспериментальных исследований.
Экспериментальная установка. Назначение расчетных параметров модельной установки
Таким образом, процессы, происходящие в сооружениях в этих условиях, определяются критерием Фруда Fr, представляющим собой отношение кинетической энергии потока в данном сечении к половине потенциальной энергии массы жидкости. В этих условиях соблюдается подобие кинетических и гидродинамических характеристик сооружения и его модели, выполненных геометрически подобными. В практике гидротехники при моделировании испытуемой жидкостью является вода, находящаяся в тех же условиях, что и в натурных условиях, т.е. практически с теми же физико-механическими характеристиками. Согласно гипотезе Ньютона, касательные напряжения (удельные силы вязкости) пропорциональны вязкости жидкости и градиенту скорости, что при соблюдении условий кинематического подобия явлений в натуре и на модели приводит к появлению одних и тех же сил вязкости в натуре и на модели. В то же время, как следует из выражения Рн = PMmL , давление в жидкости в сходственных точках уменьшается пропорционально кубу масштаба моделирования. При уменьшении масштаба моделирования наступает момент, когда пренебрегать силами вязкости нельзя, и результаты исследований начинают зависеть и от числа Рейнольдса. Результаты исследований выходят из зоны автомодельности и при их пересчёте на натуру по зависимостям, выражающим законы подобия, требуется вносить поправки, называемые масштабными. Величины этих поправок, или зоны автомодельности, зависят от характера изучаемого явления, к которым относятся: течение воды через водосливы, обтекание местных препятствий, плавно изменяющееся движение воды в длинных водоводах, истечение из отверстий. Таким образом, если мы будем рассматривать движение воды в водоводе, то здесь определяющей силой будет сила трения на границах потока
Подобие явлений должно обеспечиваться при соблюдении отношения о где // - динамическая вязкость; v- кинематическая вязкость. Из (3.3) получаем To есть при моделировании сил трения на границах потока числа Рейнольдса для натуры и модели должны быть одинаковыми. Внесение в поток даже небольших сопротивлений существенно снижает значение Re по сравнению с равномерным движением. При наличии в потоке искусственных сооружений (гидроузлы, перемычки, регулирующие сооружения), когда местные сопротивления определяются наиболее четко, граничные числа Рейнольдса Re на участках влияния этих сооружений имеют порядок Rerp =103... 104. Для получения на модели достоверных результатов, в опытах значение числа Рейнольдса должно быть не менее Rerp=5-10, что находится в указанном диапазоне Re . В этом случае режимы на модели находятся в автомодельной области по числу Рейнольдса, где на результаты исследований его влияние исключается либо весьма мало Параметры основных физических величин относительно линейного масштаба (mL) при соблюдении равенства чисел Фруда и Рейнольдса могут быть определены из таблицы 6 для воды в качестве модельной жидкости. Из выражения (3.7) можно получить минимальную величину масштаба моделирования, в зависимости от принятого диапазона натурных параметров, в котором не требуется введение поправок на результаты модельных исследований.
Приняв ReM = ReKp - 10,000, получим из (3.7): По условиям лабораторного оборудования, масштаб моделирования принят mL=60, при котором минимальный напор (для натуры), который не требует введения корректив на масштабный эффект, составляет 1,8 м. В туннеле водосброса в пределе устанавливается равномерный режим движения, скорость при котором может быть определена из уравнения Шези: чему соответствуют минимальная глубина в туннеле для масштаба mL = 60 при равномерном движении h=0.9 м, при которой расход равномерного движения будет Qmin =33 м3/с. Таким образом, в диапазоне расходов, важных для сооружения с точки зрения назначения основных параметры, масштаб моделирования mL = 60 обеспечивает получение достоверных результатов. Экспериментальная установка была размещена в большом зеркальном лотке лаборатории гидросиловых установок им. профессора Д.Я. Соколова МГУП, который имеет дно с нулевым уклоном, шириной 100 см и длиной 950 см, присоединенный к приёмному баку с размерами в плане 1,64x2.0 м. Конструкция большого зеркального лотка с модельной установкой показана нарис. 3.1. Экспериментальная установка состоит из питающего трубопровода 1, из которого через успокоительную решётку 2 вода поступает в приёмный бак 3. К приёмному баку присоединён зеркальный лоток 4, в конце которого установлен жалюзный затвор 5, позволяющий регулировать уровень воды в лотке 4.
Из лотка 4 вода попадает в лоток мерного водослива 6, в конце которого установлен треугольный мерный водослив 7 с острой кромкой и углом выреза 90 (водослив Чиполетти). Лоток мерного водослива 6 установлен в резервуаре 8 с оборотной водой, расположенном под полом лаборатории. В начальном участке зеркального лотка 4, примыкающем к приёмному баку 3, размещён смоделированный участок верхнего бьефа 9, прилегающий к шахтному водосбросу. В смоделированном участке верхнего бьефа 9 установлена верхняя часть модели шахты 10, к которой последовательно присоединены модель туннеля 11 и водобойного колодца Закончена модельная установка смоделированным участком русла реки 12. Для контроля установки уровня верхнего бьефа к приёмному баку 3 присоединён пьезометр 14 уровня верхнего бьефа. Напор на мерном водосливе 7 определялся с помощью пьезометра 15 уровня мерного водослива.
