Ингрид пропускная способность водосливов практического треугольного поперечного профиля с закругленным оголовком
На правах рукописи
Альдорадин Гутьеррес Лилиана Ингрид
ПРОПУСКНАЯ СПОСОБНОСТЬ ВОДОСЛИВОВ ПРАКТИЧЕСКОГО ТРЕУГОЛЬНОГО ПОПЕРЕЧНОГО ПРОФИЛЯ С ЗАКРУГЛЕННЫМ ОГОЛОВКОМ
Специальность: 05.23.16- Гидравлика и инженерная гидрология.
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Москва - 2007
Работа выполнена на кафедре гидравлики Московского государственного университета природообустройства.
Научный руководитель – доктор технических наук, профессор,
заслуженный деятель науки РФ
Штеренлихт Давид Вениаминович.
Официальные оппоненты – доктор технических наук, профессор,
заслуженный деятель науки РФ
Исмайылов Габил Худуш оглы
кандидат технических наук, доцент,
Алтунин Владимир Ильич
Ведущая организация – закрытое акционерное общество ПО
«Совинтервод»
Защита состоится 05 ноября 2007г. в 16 часов 30 мин.на заседании диссертационного совета Д220.045.02 в Московском государственном университете природообустройства (МГУП) по адресу: 127550, г. Москва, ул. Прянишникова, д. 19, аудитория 201/1.
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке МГУП.
Автореферат разослан октября 2007г.
Ученый секретарь диссертационного совета,
кандидат технических наук, доцент И.М.Евдокимова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. В Республике Перу к концу 2006 г. по данным
Национального института статистики (INEI) численность населения составила 29,947 млн. чел., плотность населения составляет 22 жителя на км2. На протяжении многих лет перуанцы ведут работы по развитию орошения как составной части комплексного использования водных ресурсов, но темпы повышения производительности сельского хозяйства отстают от темпов роста населения. Прогноз показал, что к 2010 г. население страны достигнет 33 млн. чел. Для успешного увеличения объемов урожаев необходимо усилить темпы развития орошаемого земледелия.
Управлением водных ресурсов Перу, разработана программа последовательного развития отечественной гидроэнергетики, гидротехники, мелиорации, водоснабжения и других отраслей водного хозяйства. Прямым следствием этого является программа учета и рациональное распределение воды.
В целях более рационального использования водных ресурсов страны, необходимо усовершенствовать систему водоучёта, разработать концепцию дальнейшего использования существующих и вновь разрабатываемых методов и технических средств измерения воды. Организация такой сети обусловлена необходимостью внедрения учетно-коммерческого водоучёта, который позволит, во-первых, обеспечить новые экономические взаимоотношения с потребителями, во-вторых, установить непрерывный контроль за соблюдением норм и технических требований орошения сельскохозяйственных культур, что позволит повысить их урожайность и обеспечит более экономное использование водных ресурсов.
Для решения этих задач, помимо выполнения других мероприятий, в качестве одного из основных оборудований для измерения расходов воды в открытых каналах в качестве водомерных устройств, можно использовать водосливы, которые позволят обеспечить высокую точность измерений расходов воды. Стоимость последних составляет значительную часть от общей стоимости оросительных систем, создаваемых в Перу.
Изложенное определяет большое значение правильности прогноза величин расходов в каналах с помощью водосливов-водомеров, то есть получение корректных уравнений для определения пропускаемого через них расхода (коэффициентов расхода и скорости), а также формул для определения значений гидравлических характеристик потока в рамках диапазонов эффективной работы этих водосливов, а также предельных значений относительных затоплений и коэффициентов, позволяющих подсчитать расход при затопленном истечении через них жидкости.
Как правило, значение указанных параметров определяют экспериментально в лабораторных условиях или назначают по рекомендациям нормативных документов. В ряде случаев для этих целей используется метод «скорость – площадь».
Наряду с насчитывающими уже многие десятилетия гидравлическими исследованиями традиционных водосливов, значительный практический и научный интерес представляют и исследования пропускной способности некоторых водосливов нетрадиционных конструкций, которые в последнее время начали внедряться в практику в качестве водомерных сооружений, обеспечивающих достаточно высокую точность измерения расходов воды и надежно работающих как при свободном, так и при затопленном истечении.
К таким водосливам, в частности, относятся пороги, имеющие симметричную треугольную форму поперечного профиля с закругленным или острым гребнем (Рис. 1). Эти водосливы обладают следующими преимуществами по сравнению с измерительными лотками или мерными водосливами других типов:
- они создают благоприятные условия для транзита наносов, так как закругленный гребень более устойчив к абразивному истиранию его наносами;
- водосливы практического профиля с треугольным поперечным сечением с закругленным гребнем имеют более широкий диапазон использования при затопленном истечении;
- аналогичные водосливы, но с острым гребнем обеспечивают незатопленный режим истечения воды через них с высоким значением коэффициента затопления, благодаря чему их особенно целесообразно применять выгодны на реках с малыми уклонами или в оросительных каналах;
- рассматриваемые водосливы обладают устойчивыми гидравлическими характеристиками в широком диапазоне изменения определяемых расходов;
- конструктивно такие водосливы весьма просты и, одновременно, обладают достаточной прочностью и устойчивостью. Для их возведения с успехом могут быть использованы местные строительные материалы.
Результаты проведенных ранее исследований треугольных водосливов с симметричным поперечным профилем тела оказались недостаточными для разработки практических рекомендаций по их практическому использованию. Учитывая, что указанный симметричных профиль водослива требует меньших затрат при строительстве по сравнению с несимметричным, нами были проведены исследования в гидравлических лабораториях Всероссийского научно-исследовательского института гидротехники и мелиорации им. А.Н. Костякова (ВННИГиМ) и Московского государственного университета природообустройства (МГУП) с использованием трёх модификаций моделей последнего.
Из изложенного выше вытекает необходимость проведения тщательных гидравлических и метрологических исследований водослива рассматриваемых конструкций с целью разработки методики определения пропускаемых через них расходов как в условиях свободного, так и затопленного режима истечения. При этом автору диссертации представлялось целесообразным охватить экспериментами те диапазоны параметров, определяющих процесс истечения, в рамках которых имеющиеся опытные данные противоречивы или отсутствуют.
Цель исследований. Определение значений основных гидравлических характеристик, а также разработка рекомендаций по гидравлическим расчетам и применению в водохозяйственной практике водосливов практического профиля с треугольным поперечным сечением, установленных в малых прямоугольных каналах при различных условиях и гидравлических режимах их эксплуатации.
Для достижения поставленной цели предполагалось решить следующие задачи:
- определить пропускную способность водосливов практического профиля с треугольным поперечным сечением при свободном и затопленном истечении жидкости через них; установить основные факторы, влияющие на характер истечения и пропускную способность изучаемых водосливов;
- выявить степень влияния определяющих параметров на характер изменения значений коэффициентов расхода и коэффициентов скорости рассматриваемых водосливов при свободном режиме истечения;
- получить экспериментальные зависимости для определения значений указанных коэффициентов в зависимости от определяющих течение параметров;
- исследовать закономерности распределения скоростей потока в мерном створе;
- найти значения критериев подтопления рассматриваемых водосливов и расчетные зависимости для определения значений коэффициентов затопления;
- установить диапазоны допустимых режимов сопряжения потока в нижнем бьефе сооружения при различных значениях относительных затоплений.
Научная новизна. На основании анализа полученных данных экспериментальных исследований треугольных водосливов практического профиля получены следующие новые научные результаты;
- разработаны аналитические формулы для определения пропускной способности рассматриваемых водосливов при свободном и затопленном истечении;
- установлены зависимости для определения коэффициентов расхода и коэффициентов скорости для рассматриваемых водосливов;
- предложены расчетные зависимости для определения коэффициента затопления в уравнении расхода при затопленном истечении;
- установлены критерии затопления водослива практического профиля с треугольным сечением;
- установлены границы допустимых режимов сопряжения потоков в нижнем бьефе сооружения при различных относительных затоплениях и составлены рекомендации по применению рассматриваемых водосливов гидрометрической практике при разных относительных затоплениях;
- определено среднее значение коэффициента кинетической энергии потока в мерном створе.
Практическая ценность. Полученные в работе результаты позволяют в более широком диапазоне определяющих течение параметров, рассчитать пропускную способность треугольных водосливов практического профиля в условиях свободного и затопленного истечения воды.
Рассматриваемые треугольные водосливы практического профиля и предлагаемые расчетные зависимости могут быть использованы при проектировании сооружений, обеспечивающих измерение расходов воды и позволяющих вести контроль за водопользованием на каналах массового использования мелиоративных и водохозяйственных систем.
Апробация работы. Основные положения проведенных исследований докладывались на заседаниях кафедры гидравлики и на ежегодных научных конференциях МГУП. По материалам исследований, выполненных в рамках диссертации, опубликовано четыре работы, в том числе одна - в издании рекомендованном ВАК РФ для публикации содержания диссертационных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы. Работа изложена на 155 страницах машинного текста, включая 69 рисунков и 56 таблиц, список литературы из 106 источников, в том числе 24 иностранных авторов.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована её цель и основные задачи исследований, отражена методика их проведения, изложены научная новизна и практическая ценность полученных результатов, приведены сведения о структуре и объеме диссертационной работы.
В первой главе приведены результаты анализа существующей литературы, посвященной гидрометрическим водосливам. Этот анализ включил в себя рассмотрение основных конструкций таких водомеров, их классификацию, расчетные зависимости, методику определения расходов, принципы работы, достоинства и недостатки.
Так же был выполнен анализ современного состояния изученности вопроса определения пропускной способности гидрометрических водосливов и сформулированы цель и основные задачи исследований автора.
С точки зрения физической картины течения потока воды через водосливы практического профиля с треугольным поперечным сечением они занимают промежуточное положение между водосливами с тонкой стенкой и трапецеидальными водосливами.
Водосливы практических профилей были предметом исследований многих отечественных и зарубежных ученых. Вопросами истечения через водосливы занимались с конца XVIII века и до настоящего времени многие ученые: Полени, Буссинеск, А.Э.Базен, Т.Ребок, Френсис, Р.Э.Хортон, Г.В.Рафтер, С.В.Избаш, И.И. Агроскин, Бесстен, Б.А. Бахметов, А.Р. Березинский, В.А.Большаков, П.Г.Киселев, А.С.Офицеров, Н.Н.Павловский, Ф.И.Пикалов, А.М.Прудовский, Н.П.Розанов, С.М.Слисский, В.В.Смыслов, Р.Р.Чугаев, Д.В.Штеренлихт, Е.В.Шодер, В.Эйснер, Ф.В.А.Энгель, С.А.Сишадри, A.M.Харрисон и многие другие.
В последние десятилетия непосредственно исследованиями треугольных водосливов практических профилей занимались Крамп, Уайт, А.Э.Базен, Берджесс, Херши, Уайтед, Рамакришнан и Е.Г. Филиппов.
Все изменения значений коэффициента расхода могут быть связаны с изменением картины обтекания профиля водослива потоком воды и, в частности, с изменением местоположения возникновения и интенсивности вращения вальцов за гребнем водослива. Ранее изучение поведения таких вальцов было выполнено в работе Е.Г.Филиппова (1990 г.). Им было показано, что при значениях коэффициента заложения верхового откоса mB около 2, валец за гребнем практически исчезает. Кроме того, на реальных объектах могут найти применение, с целью уменьшения объема строительных работ и экономии строительных материалов, и водосливы практического профиля с треугольным поперечным сечением с коэффициентом заложения низового откоса отличным от mH = 5, то есть симметричные треугольные водосливы с mB = mH = 2.
В заключительной части главы отмечено, что треугольные водосливы практического профиля с закругленным гребнем должны найти более широкое применение в практике, чем обычные треугольные пороги, так как: их гребень более устойчив к абразивному истиранию наносами; они имеют более широкий диапазон использования при затопленном истечении; технология их изготовления может быть упрощена, если гребень изготавливать из отрезков металлических или железобетонных труб, эти трубы параллельно можно использовать в качестве трубчатых акведуков, или трубчатых дюкеров, пересекающих трассу открытого русла или оросительного канала.
Изложенное выше определило цель настоящих исследований – выполнить экспериментальное научное обоснование методов гидравлического расчета водосливов практического профиля с треугольным поперечным сечением при свободном и затопленном режимах истечения.
Во второй главе приведено описание экспериментальной установки, методики проведения опытов и обработки опытных данных, обсуждены результаты оценки точности измерений и возможности переноса экспериментальных данных в натуру. Также проведено планирование эксперимента, на основании созданного комбинационного квадрата автором было выполнено 42 серии опытов, общее число экспериментов с учетом повторов составило 620. Эксперименты были проведены в двух лотках в гидрометрической лаборатории ВНИИГиМ (рис.2) и в гидравлической лаборатории кафедры гидравлики МГУП (рис.3).
Во ВНИГИиМе экспериментальная установка состояла из трех основных частей:
- водоподающей, включающей насос с электродвигателем и систему баков из нержавеющей стали с успокоительными устройствами;
-расходомерной, которая использовалась для градуировки мерного водослива, состоящей из мерного треугольного водослива с тонкой стенкой, специальной объемно-дозирующей ёмкости, и весоизмерительного устройства;
-гидравлического лотка прямоугольного поперечного сечения, изготовленного из оргстекла, высотой 0,2 м, шириной 0,3 м. Он включал в себя подводящее русло, первая модель испытываемого сооружения (водослив с треугольным поперечным сечением и закругленным гребнем) и отводящий канал. Модель водослива была изготовлена из гипса.
Первый профиль порога водослива (Рис. 4) с закругленным гребнем был симметричным, с откосами в верхнем и нижнем бьефах, имеющими коэффициент заложения откоса mB = mH = 2,0. Высота порога р = 0,08 м; ширина порога была равна ширине лотка b = bK =0,3 м; радиус закругления гребня порога составлял R = 0,04 м. На низовом откосе порога имелись три пьезометрических отверстия на расстояниях 0,01; 0,06; 0,11 м от верхней точки гребня порога.
Расходы измерялись в диапазоне от 0,0023 до 0,014 м3/с; значения геометрического напора изменялись в диапазоне Н=0,0256–0,074 м; относительный напор Н/Р=0,17–0,925.Значения числа Рейнольдса 
, изменялись в пределах 0,712.104–4,281.104. Значения числа Фруда 
, изменялись в пределах 0,0052–0,061.
Использовалась следующая методика проведения экспериментов: проводилась тарировка треугольного мерного водослива с тонкой стенкой. Поочередно устанавливались десять расходов воды и после стабилизации гидравлических параметров измерялись отметки свободной поверхности воды в 20 створах, расположенных по длине лотка. Измерения каждого гидравлического параметра проводились не менее 10 раз с целью применения при обработке опытных данных математико-статистических методов.
Для каждого расхода в нижнем бьефе сооружения с помощью щитового затвора устанавливалось минимум восемь различных глубин воды, что позволяло получить различные значения относительного затопления, при этом измерения проводились в уровнемерном колодце. Для измерения глубин и отметок свободной поверхности использовались разработанные и изготовленные во ВНИИГиМе автоматизированные уровнемеры АПУ-250 с цифровым отсчётом, погрешность которых не превышала 0,25 мм. Для определения коэффициента кинетической энергии с помощью трубки Т. Ребока-Прандтля детально измерялись скорости в измерительном сечении. Определение значений использовалась формула
( 1 )
где UСР – средняя скорость на вертикали; dA – элементарная площадь вокруг скоростной точки; VСР – средняя скорость живого сечения; Ao – общая площадь живого сечения,
При каждом расходе были проведены опыты при свободном и затопленном истечении через водослив. В опытах выполнялись исследования кривых свободных поверхностей. Кроме того, проводились эксперименты по определению значений коэффициента кинетической энергии потока, то есть проводились измерения распределения скоростей потока по ширине лотка в мерном створе верхнего бьефа при двух различных расходах воды. Были также проведены исследования режимов сопряжения бьефов за рассматриваемым водосливом, а также исследования распределения давлений по низовой сливной грани водослива.
Экспериментальные исследования в МГУП были проведены в гидравлическом лотке прямоугольного сечения, изготовленном из оргстекла, длиной 7 м, высотой 0,5 м, шириной 0,3 м. В этом лотке было проведены эксперименты с двумя моделями водослива с треугольным поперечным сечением, изготовленными из оргстекла. Оба профиля порога водослива были симметричными, с коэффициентом заложения откосов, равным mB = mH = 2,0.
Вторая модель (Рис. 4) имела закругленный гребень, высоту порога р = 0,16 м, ширину порога b = 0,3 м, радиус закругления гребня порога R = 0,08 м.
Третья модель водослива (Рис. 4) была выполнена с острым гребнем, высотой порога р = 0,17 м, шириной порога b = 0,3 м.
В процессе проведения лабораторных исследований расход на установке изменялся в пределах Q = 0,0045…0,027 м3/с; напор перед водосливом изменялся в диапазоне Н = 0,041…0,12 м; относительный напор Н/Р менялся от 0,25 до 0,75; числа Рейнольдса составили диапазон 1,376104…8,257104; числа Фруда 0,0028…0,0376.
Измерения расхода воды осуществлялись при помощи мерного параболического водослива с тонкой стенкой, регулирование глубины воды в лотке производилось жалюзным затвором в конце лотка. Измерение глубины потока воды на модели осуществлялось при помощи шпиценмасштаба. Все измерения проводились после стабилизации уровней воды не менее 3 раз, в 23 створах, расположенных по длине лотка.
Условия проведения и данные опытов в измерительном сечении верхнего бьефа сооружения позволило отнести исследования явления к автомодельной области по числу Rе и считать единственным определяющим критерием подобия – число Фруда.
Относительная ошибка в определении коэффициента расхода составила (1,32…3,3)%; расхода (0,39…0,82)%; напора (0,51…1,54)%; коэффициента затопления (2,54…5,5)%; числа Рейнольдса (1,25…3,75)%.
В третьей главе приведены основные результаты обработки экспериментально-теоретических исследований треугольных водосливов практического профиля при свободном истечении. Полученные данные были обработаны на ПЭВМ с помощью электронных таблиц Excel-2003.
Как известно, при проведении гидравлических расчётов принято определять пропускную способность водослива по формуле вида
, ( 2 )
или 
, ( 3 )
где n – коэффициент подтопления, для свободного истечения n = 1,0; m – коэффициент расхода; mo – то же, с учетом скорости подхода; b – ширина водослива, м; g – ускорение свободного падения, м/с2; Н – измеряемый напор в верхнем бьефе водослива, м; Но – напор с учетом скорости подхода, Но = Н + o.
; o – коэффициент кинетической энергии потока в верхнем бьефе на подходе к водосливу 
– скорость подхода потока 
(где: А– площадь живого сечения потока,м2).
При обработке опытных данных коэффициенты расхода определялись из формул (2) и (3).
Коэффициент скорости при свободном истечении определялся по формуле
, ( 4 )
где hc – глубина воды в сжатом сечении у подножия низовой грани водослива; Ео – удельная энергия в измерительном сечении в верхнем бьефе относительно дна нижнего бьефа, Ео = Но+ Р (где Р – высота порога, м).
В тексте главы показано, что для конкретной модели водослива (при B = idem и H = idem) и при фиксированной ширине гребня водослива коэффициент расхода зависит только от величины относительного напора, то есть имеем
и 
. ( 5 )
Для сравнения своих результатов с опытными данными других авторов экспериментальные наши данные также были нами обработаны в соответствии с Международным стандартом (ИСО 4360), согласно которому общий вид уравнения расхода для водослива практического треугольного поперечного профиля имеет вид
, ( 6 )
где СD – коэффициент расхода; CV – коэффициент скорости подхода потока, CV =(Ho/H)3/2; CS – коэффициент затопления, CS = 1,0 при свободном истечении потока.
Кривые зависимости вида (5) для рассматриваемых водосливов приведены на рис.5, рис.6 и рис.7.
Сопоставление полученных результатов показало, что при одинаковых значениях аргумента H/P модель водослива № 1 (во ВНИИГиМе) имеет большие значения коэффициента расхода, чем модель водослива № 2 (в МГУП). По-видимому, это объясняется различными условиями проведения лабораторных исследований, различной кривизной струй потока, переливающегося через водослив, различными условиями развития пограничного слоя, а также спецификой различного бокового сжатия потока у стенок лотка.
Так же, сопоставление полученных результатов трех моделей рассматриваемых водосливов, позволило установить, что пропускная способность треугольного водослива практического профиля с закругленным оголовком больше чем у водосливов с острой кромкой гребня. Это объясняется тем, что у водосливов первого типа создаются более благоприятные условия движения жидкости, а у водосливов второго типа требуются большие относительные затраты энергии потока.
Отклонение опытных значений коэффициента расхода от средних значений не превышало ± 1,6 %, а коэффициента скорости ± 2,27% (для ) и ±0,65 % (для Сv), что находится в пределах допустимого.
Среднее значение коэффициента расхода при свободном истечении равно СD = 1,140 (во ВНИИГиМе) и СD=1,120 (в МГУП), что близко к значению того же коэффициента для треугольного водослива симметричного профиля с закругленным гребнем, полученной С.А.Сишадри СD = 1,150 (рис. 8).
Для определения коэффициента скорости подхода СV, входящего в уравнение расхода, необходимо знать точное значение коэффициента кинетической энергии (
). По результатам обработки данных измерений местных скоростей потока, нами было получено среднее значение коэффициента Кориолиса в измерительном сечении в верхнем бьефе, равное 
= 1,0837.
Связи между коэффициентами CD, CV, CS и m, mo, n имеют вид
На основании результатов обработки данных экспериментов, нами были получены следующие формулы для определения коэффициентов m, mo, CD,.
Для модели № 1:
m=0,485 (H/P)0,117, ( 7 )
mО=0,532 (H/P)0,175, ( 8 )
CD=1,26 (H/P)0,116, ( 9 )
=0,995(H/P)0,119, ( 10 )
Для модели № 2:
m=0,469 (H/P)0,109, ( 11 )
mo=0,507(H/P)0,163, ( 12 )
CD=1,217 (H/P)0,106, ( 13 )
=0,941(H/P)0,089, ( 14 )
Для модели № 3:
m=0,504 (H/P)0,321, ( 15 )
mo=0,543(H/P)0,385, ( 16 )
CD=1,299 (Н/Р)0,308, ( 17 )
=0,939 (H/P)0,123, ( 18 )
Наши опытные данные позволили также получить зависимость для коэффициента скорости подхода CV (рис. 9) в виде
CV1=0,062 (H/P)2+0,068(H/P)+0,991, ( 19 )
CV2=0,037 (H/P)2+0,077(H/P)+0,989, ( 20 )
CV3=0,091 (H/P)2+0,02(H/P)+0,997, ( 21 )
Все приводимые зависимости справедливы в указанных выше диапазонах изменения опытных данных.
Также изложены статистическая обработка экспериментальных данных и вывод эмпирических зависимостей с целью сравнения работы рассматриваемых моделей водосливов и их гидравлических параметров.
Приведена описательная статистика выборок. Для сравнения был использован двухвыборочный критерий Стьюдента, реализованный на персональном компьютере.
На первом этапе аналитической статистики проводилось сравнение значений коэффициентов расхода и скорости для каждой из моделей водослива между собой и с результатами исследований других авторов.
Дан вывод эмпирических зависимостей для перечисленных коэффициентов с использованием методов регрессионного анализа.
Статистическая оценка коэффициентов уравнений регрессии показала, что изучаемые зависимости достаточно точно описывается степенной и полиномиальной функцией.
По критерию Фишера, если F – значение было меньше уровня значимости =0,05,то модель считалась адекватной и статистически значимой. Коэффициенты принятого уравнения регрессии также должен был удовлетворять условиям значимости по критерий Стьюдента.
Результаты применения критериев Фишера и Стьюдента показали, что все полученные нами уравнения приемлемы и достоверны (формулы 7…21).
В четвертой главе изложены основные результаты анализа данных опытов, проведённых в целях уточнения критерия подтопления и коэффициента подтопления. При этом учитывалось относительное затопление, определяемое по формуле
, (22)
где ННБ – напор в нижнем бьефе, – превышение уровня нижнего бьефа над гребнем водослива.
В соответствии с рекомендациями Международных стандартов по измерениям расходов воды в открытых руслах, нами за критерий начала затопления принимался такой режим, при котором повышение глубины в нижнем бьефе сооружения вызывало увеличение измеряемого напора в верхнем бьефе на 1%. При таком режиме истечения опытным путем нами было определено предельное относительное затопление, вычисляемое по формуле
, ( 23 )
где ННБ-max – максимальный напор в нижнем бьефе, при котором истечение можно считать свободным.
Для учета затопления в уравнение расхода вводился коэффициент затопления CS, который при обработке опытных данных определялся по уравнению
, ( 24 )
где Qзад. – расход, задаваемый в опытах, Qзат. – расход, определяемый по уравнению расхода при S>Sпред., без учёта затопления, свободном истечении
На рис.10 приведен полученный нами график зависимости CS = (HНБ/HО) для первой модели водослива. Рассмотрение этого графика показывает, что коэффициент подтопления меняется по мере изменения величины отношения HНБ/HО, и с его увеличением CS убывает. Как показали результаты наших исследований треугольные водосливы практического профиля можно применять для определения расхода и при затопленном истечении потока. Для этого следует использовать уравнение (6), а коэффициент подтопления CS, входящий в него, определять по уравнению (24).
На основании результатов наших опытных данных была получена экспериментальная зависимость для определения коэффициента подтопления, имеющая вид
CS = - 4,839(HНБ/HО)2 + 6,2435(HНБ/HО) -1,0126, ( 25 )
По методу наименьших квадратов исследуемая зависимость CS=f(S)достаточно хорошо аппроксимируется полиномом второй степени. Статистическая оценка полученных коэффициентов уравнения регрессии удовлетворительна.
Формула (25) может применяться только в пределах 0,67 < S < 0,93, при превышении которого водослив перестает осуществлять функции гидрометрического сооружения.
Как известно, наиболее опасным режимом работы для гидрометрических сооружений является свободное истечение потока, при котором в нижнем бьефе образуется устойчивый донный режим сопряжения. При некоторых глубинах нижнего бьефа, то есть при определенных значениях относительного затопления, образуется отогнанный донный режим сопряжения, который выходит далеко за пределы сооружения. Для устранения этого явления часто применяют два способа гашения избыточной энергии потока: в нижнем бьефе канала либо устанавливается специальное энергогасящее устройство, либо увеличивается глубина в отводящем канале.
Для первой модели водослива было исследовано состояние нижнего бьефа при различных расходах. Целью наших опытов было определить при каком значении относительного затопления со стороны нижнего бьефа образуется предельное положение гидравлического прыжка, то есть устанавливается минимально допустимая глубина в отводящем канале, при которой ликвидируется донный прыжок.
Исходя из этого, мы определили допустимые и недопустимые положения гидравлического прыжка при различных глубинах, потока в нижнем бьефе лотка.
Было выделено три характерных положения гидравлического прыжка (ПГП): допустимое (ДПГП), критическое (КПГП) и недопустимое положение гидравлического прыжка (НПГП).
Исходя из исследованного было установлено, что при S < 0,2 сопряжение происходит с устойчивым донным прыжком. При проектировании гидрометрических водосливов для каналов с земляным руслом без энергогасящих устройств необходимо выбирать такие режимы потока, которые при всех измеряемых расходах воды не допускают образования донного гидравлического прыжка.
В нашем случае значение относительного затопления с предельным допустимым положением прыжка было равно S 0,2. Таким образом, при проектировании гидрометрических водосливов, свободное истечение необходимо поддерживать при относительном затоплении в диапазоне S = 0,2…0,67. При меньшем значении последнего, необходимо выполнять крепление нижнего бьефа или проектировать в нижнем бьефе энергогасящее устройство.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
На основании результатов проведенных теоретических и экспериментальных исследований можно сделать следующие основные выводы:
- Проведенные экспериментальные модельные гидравлические лабораторные исследования пропускной способности водосливов практического профиля с треугольным симметричным поперечным сечением в условиях свободного и затопленного истечения позволили нам установить, что значения их коэффициента расхода при фиксированной ширине гребня порога определяются только величиной относительного напора. Автором получены экспериментальные графические зависимости и формулы для определения коэффициентов расхода и скорости (формулы 7…21) для различных вариантов конструктивного исполнения водослива, а также оговорены диапазоны применимости этих формул и графических зависимостей.
- Проведенный анализ полученных результатов исследований пропускной способности позволил установить, что среднее значение коэффициента расхода рассматриваемых водосливов в условиях свободного истечения равно СD= 1,13. Сопоставление наших результатов с аналогичными результатами С.А.Сишадри показало, что полученные им значения аналогичного параметра весьма близки к нашим данным.
- На основании анализа результатов обработки опытных данных по изучению распределения местных скоростей со стороны верхнего бьефа рассматриваемого водослива с треугольным поперечным сечением получены сведения о значениях коэффициента Кориолиса в этой зоне, установлено, что его среднее значение равно = 1,084.
- Изучение гидравлических условий работы рассматриваемых водосливов с треугольным поперечным сечением в условиях затопленного истечения позволило установить, что значение величины предельного относительного затопления равно 0,67, а величина коэффициента затопления может быть определена по предложенной нами экспериментальной зависимости (формула 25).
- Исследования вопросов гидравлики затопленного истечения жидкости через рассматриваемые водосливы позволили установить, что значение относительного затопления с предельно допустимым положением донного гидравлического прыжка составляет S 0,2. Установлены допустимые и недопустимые режимы сопряжения бьефов за водосливом без применения специальных энергогасящих устройств.
- Установлено, что при использовании рассмотренных водопропускных сооружений в качестве водосливов – водомеров необходимо поддерживать в их нижних бьефах режим свободного истечения при значениях относительного затопления, изменяющихся в диапазоне S = 0,2…0,67.
- Результаты проведенных модельных гидравлических исследований позволили установить, что водосливы практического профиля с треугольным поперечным сечением могут быть использованы в качестве водосливов – водомеров и при затопленном режиме истечения в диапазоне изменения 0,67 < S < 0,93. Превышение значений S выше указанной величины ведет к тому, что такой водослив перестает осуществлять функции гидрометрического сооружения.
Список публикаций по теме диссертации
- Штеренлихт Д.В., Альдорадин Г.Л., Пропускная способность водосливов треугольного профиля с закругленным гребнем в открытых руслах и каналах. // «Экологическая устойчивость природных систем и роль природообустройства в её обеспечении». Сборник материалов Всероссийской научно-технической конференции (22-24 апреля 2003 г.), МГУП, - М.: 2003. – с. 113-114.
- Альдорадин Г.Л. Затопленное истечение через водосливы треугольного поперечного профиля // «Проблемы научного обеспечения развития эколого-экономического потенциала России». Сборник научных трудов. МГУП, - М.: 2004. –с. 164-165.
- Филиппов Е.Г., Чавтараев Б.А., Кушер А.М., Альдорадин Г.Л., Швагла С.Ю. Экспериментальные исследования водослива с треугольным порогом с закругленным гребнем // Математическая модель выбора типов гидрометрических сооружений и их основных параметров на мелиоративных системах. ГНУ ВНИИГиМ, - М.: 2003. – с. 30-32.
4. Альдорадин Г.Л. УДК.631.6. Исследования пропускной способности водосливов треугольного поперечного профиля с закругленным гребнем //«Мелиорация и Водное хозяйство», №1, - М.: 2007. - с.46-48.
Рис. 1. Конструктивная схема водослива практического треугольного
поперечного профиля
А – резервуар; Б - приёмный бак; В и Г - успокоительные баки; Д - мерный бак; Е - гидравлический лоток; Ж – лоток к мерным баком; 1 -регулирующей воронкой; 2,15 – уровнемеры; З – щпитценмасштаб; 4 – мерный треугольный водослив УЛ-10; 5 - подводящий канал; 9 и 12 - успокоительные колодцы; 6 – водослив с треугольным порогом; 7 - отводящий прямоугольный канал; 8 - сбросная труба; 10 и 25 - центробежные насосы; 13 - транспортные рельсы; 14 – трубка Ребока; 16, 17, 21 и 26 - трубы; 20 – задвижка; 23 - вход в расходомерный бак; 24 - регулирующий щитовой затвор.
Рис. 2. Схема экспериментальной установки в ВНИИГиМ им.А.Н.Костякова
1-приемный бак; 2-насос; 3–резервуар; 4,6,7–трубы; 5–водослив; 8–мерный бак;
9 –мерный водослив; 10-шпитценмасштаб; 11-задвижка; 12-успокоительный бак; 13-успокоительная решетка; 14-резиновое уплотнение; 15-водослив с треугольным порогом; 16-гидравлический лоток; 17-жалюзный затвор; 18-шпитценмасштаб;
19-прямок
Рис. 3. Схема экспериментальной установки в МГУП
а) б) в)
Рис. 4. Схемы исследованных моделей водосливов практического профиля с
треугольным поперечным сечением:
а – водослив с закругленным гребнем ( модель № 1);
б – водослив с закругленным гребнем ( модель № 2);
в – водослив с острым гребнем ( модель № 3).
Рис. 5. Зависимость коэффициента расхода от относительного напора
Рис.6. Зависимость коэффициента расхода mo от относительного напора
Рис.7. Зависимость коэффициента скорости от относительного напора
Рис. 8. Зависимость коэффициента расхода от относительного напора
Рис.9. Изменение коэффициента скорости подхода в зависимости от относительного напора H/P
Рис. 10. Изменение коэффициента затопления для модели водослива № 1
с закругленным гребнем
