Введение к работе
Актуальность темы исследования. Внутренний водный транспорт (ВВТ) является важной часть экономики страны. Несмотря на то, что ВВТ уступает лидирующие позиции по объемам перевозок, он обладает рядом несомненных преимуществ, среди которых высокая экологичность, низкая себестоимость перевозок, доступность в отдаленных районах Сибири и Дальнего востока. Одним из наиболее слабых звеньев в системе ВВТ являются судоходные гидротехнические сооружения (СГТС). Начиная с конца 90-х годов прошлого века, интенсивное развитие экономики нашей страны привело к значительному повышению объемов грузоперевозок, в том числе и в системе ВВТ. Как следствие, пропускная способность большинства судоходных каналов и шлюзов на магистральных реках стала приближаться к пороговым значениям. Так, в восьмидесятых годах средний период прохождения судна через Волго-Донской судоходный канал составляло 22,2 часа, в 1996 году - 15,9 часов, а в настоящее время может превышать 25 часов. На прохождение судном Волго-Балтийского водного пути от Череповца до Санкт-Петербурга в 90-х годах требовалось не более трех суток, в настоящее время эта величина возросла до пяти суток, что ведет к значительным потерям для грузоперевозчиков. Порядка 75% всех судоходных сооружений нашей страны были построены более полувека назад, и в настоящее время технический и моральный износ не позволяет им в полной мере справлять с возрастающими грузопотоками на ВВТ. В связи с этим вопросы повышения пропускной способности и надежности работы судоходных гидротехнических сооружений приобретают в последнее время всё большую актуальность. При этом высокая стоимость и длительные сроки строительства новых СГТС ставят основным вопрос о модернизации существующих сооружений.
Цель и основные задачи исследований. Целью диссертационной работы является совершенствование системы опорожнения судоходного шлюза. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи: проанализировать современное состояние судоходных гидротехнических сооружений; выполнить развернутые лабораторные исследования системы опорожнения камеры на модели типового шлюза; разработать математическую модель процесса опорожнения камеры судоходного шлюза и верифицировать её на соответствие экспериментальным данным; используя разработанную математическую модель процесса
опорожнения камеры шлюза, провести углубленный анализ гидродинамики потока; разработать рекомендации по улучшению структуры потока с целью увеличения пропускной способности судоходных сооружений и повышения безопасности их эксплуатации.
Предмет и объект исследования. Объектом исследования являются судоходные гидротехнические сооружения внутренних водных путей Российской Федерации, в частности, системы питания судоходных шлюзов. Предметом исследования является структура потока воды, возникающего при опорожнении камеры судоходного шлюза через короткие обходные галереи.
Методология исследований. Методологическую и информационную основу диссертационной работы составляют новейшие отечественные и зарубежные теоретические и практические достижения в области исследования структуры потока жидкости, численного моделирования пространственного движения жидкостей, а также теория планирования эксперимента и методы математической статистики.
Научная новизна исследования состоит в разработке нового подхода к исследованию структуры потока воды в опорожняющих галереях системы питания и создании математической модели системы опорожнения судоходного шлюза.
Теоретическая и практическая ценность работы. Теоретическая значимость исследования состоит в развитии численных методов исследования потоков и получении характеристик гидродинамических процессов в системе опорожнения судоходного шлюза на качественно новом уровне.
Практическая ценность работы заключается в разработанных рекомендациях по совершенствованию системы опорожнения судоходного шлюза. Изменение конфигурации водопроводных галерей позволит при минимальных финансовых затратах значительно снизить гидравлические потери в системе опорожнения шлюза, уменьшить время опорожнения камеры и увеличить пропускную способность сооружения. Использование предложенных автором новых систем гашения энергии даст возможность снизить интенсивность волновых процессов, возникающих в нижнем бьефе при опорожнении камеры шлюза, улучшить условия отстоя судов, ожидающих шлюзование в нижнем подходном канале, повысить безопасность работы и увеличить пропускную способность судоходного сооружения.
Личный вклад соискателя заключается в проведенном анализе современного состояния СГТС, проведении лабораторных исследований системы опорожнения камеры судоходного шлюза, разработке и верификации математической модели поведения потока воды, покидающего камеру шлюза через короткие обходные галереи, анализе структуры данного потока ,а также разработке и расчете рекомендаций по улучшению гидравлики потока воды в системе опорожнения шлюза.
На защиту выносятся:
1. Результаты лабораторных исследований процесса опорожнения камеры
судоходного шлюза.
2. Математическая модель системы опорожнения камеры судоходного
шлюза.
3. Результаты теоретических исследований гидродинамических процессов
в потоке воды, возникающем при опорожнении камеры судоходного шлюза
через короткие обходные галереи.
4. Предложения по модернизации конструкций системы питания
судоходного шлюза с короткими обходными галереями.
Апробация работы. Основные положения и результаты
диссертационной работы докладывались и обсуждались: на научно-
технических конференциях профессорско-преподавательского состава ВГАВТ
(2009-2011 гг.); научно-практической конференции Санкт-Петербургского
государственного университета водных коммуникаций (2011 г.);
Нижегородских сессиях молодых ученых (2008-2012 гг.); международных
научно-промышленных форумах «Великие реки» (2008-2011 гг.) и
международной научно-практической конференции STAR-2009:
«Компьютерные технологии решения прикладных задач тепломассопереноса и прочности» (2009 г.).
Реализация работы. Результаты диссертационной работы использовались при выполнении кафедрой водных путей и гидротехнических сооружений ФБОУ ВПО «ВГАВТ» научной работы № 35/09/1104 «Исследование возможности повышения загрузки судов и составов при выходе вниз из камеры Чайковского шлюза».
Публикации. Основные материалы диссертационной работы опубликованы в тринадцати печатных работах, в том числе две в рецензируемых научных изданиях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 99 наименований и приложения. Работа содержит 131 страницу машинописного текста, 51 рисунок и 32 таблицы. Общий объем работы - 134 страницы.
