Введение к работе
Актуальность проблемы. При проектировании и строительстве высоконапорных гидроузлов возникает необходимость решения сложных проблем создания глубинных водосбросов, способных надежно работать при напорах более 100 м и скоростях движения потока, достигающих 50...6О м/с. При отмеченных значениях определяющих параметров последних необходимо: надежно защитить проточную часть водосбросов от кавитационной эрозии; снизить динамические нагрузки на элементы сооружения; предотвратить возможность возникновения значительных повреждений крепления нижнего бьефа и недопустимых размывов дна.
Одной из областей техники, где возможно самое широкое применение закрученных потоков воды, является гидротехника. Водопропускные гидротехнические сооружения, как правило, использующие положительные эффекты, возникающие при закрутке потока воды, издавна привлекали внимание специалистов, особенно при проектировании высоконапорных гидроузлов. Водосбросы, в которых используется закрутка потока, получили название вихревых.
К настоящему времени накоплен определенный опыт в проектировании водосбросов с закруткой потока в туннелях. При этом обычно удавалось обеспечить интенсивное гашение избыточной кинетической энергии потока и одновременно создавать повышенное давление со стороны последнего на стенки водовода. Это позволяло уменьшить, или исключить опасность возникновения кавитации при обтекании контактирующих с потоком поверхностей и элементов конструкции водосброса. Эффективное гашение энергии потока внутри туннеля и камеры гашения позволяет уменьшить скорость воды на выходе из водосбросного тракта до допустимых значений, что, в свою очередь, упрощает конструкции сооружения и его частей.
Сложный характер течения закрученных потоков жидкости в вихревых сооружениях, а также индивидуальные особенности последнего в предлагавщихся к применению водосбросах послужили причинами выполнения в каждом конкретном случае научного обоснования их конструкций, базирующегося на модельных лабораторных исследованиях.
Разработка на основе последних методов расчета вихревых водосбросов с бескамерными тангенциальными завихрителями различной геометрической формы, изучение особенностей трансформации закрученного потока в их проточных частях и выделение закономерностей влияния взаимодействия вращающегося и осевого потоков на гидравлические условия работы сооружения, позволяющих выбрать оптимальные режимы эксплуатации подобных водопропускных систем и назначения их конструктивных элементов является решением важной народнохозяйственной проблемы, новым достижением в области научного обоснования воз-
2 водимых объектов гидротехнического строительства, что способствует ускорению научно-технического прогресса в этой отрасли.
Цель работы заключалась в разработке научных основ расчетного обоснования, проектирования и безопасной эксплуатации вихревых водосбросов различных конструкций, а также методов оперативного прогноза параметров гидравлических условий их работы при различных режимах пропуска сбросных расходов.
Для достижения поставленной цели представлялось необходимым решить следующие конкретные задачи:
изучить влияние конструктивных особенностей бескамерных тангенциальных завихрите-лей с разными геометрическими параметрами и в условиях различных наклонов подводящих водоводов на характеристики закрученного потока по всей длине отводящего водовода круглого поперечного сечения;
исследовать закономерности движения закрученных потоков на начальных участках цилиндрических водоводов за бескамерньши тангенциальными завихрителями;
разработать метод определения длин начальных участков закрученных потоков, характеризующихся различной кинематической структурой и интенсивностью закрутки;
выявить основные гидравлические особенности работы водоводов с закруткой потока при различных вариантах подачи воды в жгут последнего.
Научная новизна и практическая ценность диссертации состоит в следующем:
исследованы модели вихревых водосбросов с разными наклонами подводящего водовода корытообразного сечения к горизонту, бескамерными тангенциальными завихрителями и отводящим водоводом круглого поперечного сечения;
выявлены закономерности распределения основных характеристик закрученного потока вдоль отводящего водовода: давления, скорости, энергии, угла закрутки, давления в жгуте и диаметра этого жгута при изменениях геометрии тангенциального завихрителя и угла наклона подводящего к нему водовода;
предложены расчетные зависимости для определения пропускной способности рассматриваемых водосбросов в зависимости от угла наклона подводящего водовода и интенсивности закрутки потока завихрителем;
экспериментально установлена длина начального участка, на котором влияние конструкции завихрителя на форму профиля скоростей преобладает над влиянием внутренних массовых сил в потоке, для закрученных потоков с разной интенсивностью закрутки и разной формой профиля скоростей в сечении за бескамерным тангенциальным завихрителем;
исследовано влияние подачи осевого потока воды в жгут закрученного потока (моновихря), как с разделением, так и без разделения узла закрутки тангенциального завихрителя перегородкой, на гидравлические условия работы отводящего водовода.
Полученпые результаты модельных гидравлических исследований вихревого водосбро-:а с бескамерными тангенциальными завихрителями и подводящими к ним водоводами раз-юго наклона к горизонту, отводящим цилиндрическим водоводом диаметром D и длиной . да 50D, позволяющим погасить 70...92% начальной энергии, могут быть использованы іри проектировании подобных водосбросных сооружений. Проведенные исследования по-воляют более надежно установить местоположение сечения цилиндрического водовода за ангенциальным завихрителем, начиная от которого могут применяться ранее разработанные ієтодьі расчета закрученных потоков жидкости. Используя полученные экспериментальные шные для режимов с подачей осевого потока воды в центральную область закрученного ютока можно добиться значительного повьппепия пропускной способности водосброса, при том гидравлические условия работы отводящего водовода являются приемлемыми.
Личное участие автора в полученных результатах диссертационной работы выразилось ;: постановке проблемы и генерировании основных путей ее разрешения; планировании, [одготовке и проведении лабораторных исследований и анализе их результатов; получении кспериментальных зависимостей, позволяющих выполнить основные гидравлические рас-еты вихревого водосброса. При формировании взглядов автора на пуга решения проблемы, вязанные с гидравлическими условиями работы сооружений с закруткой потока, неоцени-сую помощь ему оказал заслуженный деятель науки и техники РСФСР, доктор технических аук, профессор (Н.ГГ.Розанов). Все этапы выполнения настоящей работы были осуществле-ы под непосредственным руководством научного консультанта диссертанта заслуженного еятеля науки РФ, доктора технических наук, профессора И.С.Румянцева. Автор пользуется лучаем выразить свою искреннюю признательность всем членам кафедры Гидротехнические сооружения" МГУП, а также своим коллегам из других вузов и научно-сследовательских организаций - ученым и специалистам, оказавшим ему поддержку и по-ющь при выполнении настоящего исследования.
Апробация полученных результатов. Основные результаты настоящей диссертационной аботы обсуждались и были одобрены на научно-технических конференциях МГУП в 990...1998 гг.; на Всероссийском научно-техническом совещании "Гидравлика гидротехни-еских сооружений" (Санкт - Петербург, 1992 г.); на заседаниях кафедры гидротехнических сооружений МГУП (1990...1998 гг.).
Результаты экспериментальных исследований были использованы институтом
4 "Ленгидропроект" при обосновании выбора и проектировании варианта водосбросного сооружения Тельмамского гидроузла, а также при составлении "Временных рскомеїщаций по расчету и проектированию водосбросов с ускоренным гашением энергии закрученного потока" РУДН по заказу Научно-исследовательского института энергетических сооружений (НИИЭС, 1992 г.). Основные положения диссертации опубликованы в журналах "Гидротехническое строительство" и "Мелиорация и водное хозяйство" (1995...1998 гг.); в сборниках: Материалы научно-технического совещания "Гидравлика гидротехнических со-оружений-92" ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева, С.-П., 1994; "Современные проблемы водного хозяйства и природообуетройства" МГУП, 1997; "Природообустройство - важная деятельность человека" МГУП, 1998 и др.
Публикации. Список научных трудов авгора по теме диссертации содержит свыше 20 наименований.
Объем и структура диссертации. Работа имеет общий объем 349 страниц машинописного текста, включая 142 рисунка, 10 таблиц и 8 фотографий. Структурно она состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы из 311 наименований и приложения.
