Влияние гасителей энергии на сопряжение бьефов за водопропускными сооружениями с конусными затворами
На правах рукописи
СИВАК Мария Юрьевна
ВЛИЯНИЕ ГАСИТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ НА СОПРЯЖЕНИЕ БЬЕФОВ ЗА ВОДОПРОПУСКНЫМИ СООРУЖЕНИЯМИ С КОНУСНЫМИ ЗАТВОРАМИ
Специальность 05.23.07 – Гидротехническое строительство
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
МОСКВА 2007
Работа выполнена в Московском государственном университете природообустройства на кафедре «Гидротехнические сооружения»
Научный руководитель – Заслуженный деятель науки РФ,
доктор технических наук, профессор
Кавешников Анатолий Трофимович
Официальные оппоненты – Заслуженный деятель науки РФ,
доктор технических наук, профессор
Штеренлихт Давид Вениаминович
- кандидат технических наук
Куприянов Владимир Павлович
Ведущая организация – ИЦ «Союзводпроект»
Защита состоится «5» ноября 2007г. в 15.00 на заседании диссертационного совета Д 220.045.02 в Московском государственном университете природообустройства по адресу: 127550, Москва, ул. Прянишникова, д. 19, аудитория 201/1.
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Московского государственного университета природообустройства.
Отзывы по диссертации можно отправлять по адресу: МГУП, 127550, Москва, ул. Прянишникова, д. 19, по факсу: (495)976-10-46 или по электронной почте: [email protected]
Автореферат разослан «20.» сентября 2007 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета, доцент,
кандидат технических наук И.М. Евдокимова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. В составе компоновок гидроузлов любого назначения всегда имеются водопропускные гидротехнические сооружения, отличающиеся чрезвычайно большим функциональным и конструктивным многообразием. Характерной особенностью условий их работы является наличие в пределах сооружений нескольких участков со сложными гидравлическими режимами, которые зачастую существенно влияют на конструкцию водоводов и их концевых частей.
Для обеспечения надежной и безаварийной работы водосбросных гидротехнических сооружений весьма важно иметь надежные устройства, позволяющие регулировать сбросной расход воды и эффективно гасить энергию при минимальных материальных затратах. К этим устройствам можно отнести конусные затворы. Обычно эти затворы применяют в тех случаях, когда необходимо относительно точное регулирование сравнительно небольших расходов воды, причем их можно использовать практически при любых напорах.
Механическое оборудование водоводов, оборудованных конусными затворами, отличается простотой и индустриальностью в изготовлении, эксплуатационной надежностью, а главное - малыми усилиями при маневрировании (по сравнению с плоскими затворами). С помощью конусных затворов можно подавать как минимальные, так и расчетные расходы воды, что не всегда удается сделать с помощью затворов других типов.
Трудности эксплуатации гидроузлов с конусными затворами связаны с климатическими условиями РФ. Редкое использование конусных затворов вызвано слабой изученностью их гидравлических, кавитационных характеристик, местных размывов в нижнем бьефе сооружений, недостаточно разработано надежных гасящих устройств.
Сокращение размеров участка нижнего бьефа, в котором осуществляется переход потока из бурного состояния в спокойное и осуществляется гашение избыточной кинетической энергии потока, составляет основную задачу, возникающую при проектировании и расчете конструкций крепления русла за водосбросными сооружениями.
Радикальным решением этой задачи, находящим в последнее время все большее распространение и применение, является установка на водобое гасителей энергии, преобразующих поток в равномерно распределенное по ширине концевого участка водосброса движение.
Все это позволяет судить об актуальности методов гидравлического расчета различных типов гасителей, учитывая, что до настоящего времени расчету поддаются лишь некоторые из них.
Создание комплекса методов расчета и конструкций устройств нижнего бьефа за конусными затворами, учитывающие результаты теоретических и экспериментальных исследований гидравлических условий их работы, приводящие к повышению надежности функционирования сооружений, является решением одной из проблем экономики страны, некоторые аспекты которой рассмотрены в данной работе.
Кроме того, при проектировании гидротехнических сооружений одной из важных задач является определение величины и формы местных размывов. Величина и форма местных размывов зависит от конструкции водосбросных сооружений, типа гасителей избыточной энергии и их местоположения, характеристик потока и свойств размываемого грунта, понижения уровня воды в нижнем бьефе за счёт общих размывов.
Расширение области применения конусных затворов достигается путём изучения конструктивных особенностей устройств для гашения избыточной энергии потока и местных размывов, возникающих после возведения рассматриваемых водопропускных сооружений.
Изучение современного состояния рассмотренного в рамках настоящей диссертации вопроса позволяет сделать вывод о слабой изученности вопросов местного размыва в нижних бьефах водопропускных сооружений, оборудованных конусными затворами. В связи с этим нам представилось целесообразным рассмотреть процесс, величины и формы местных размывов, а также разработать рекомендации по их прогнозированию при применении некоторых типов гасителей энергии.
Для решения отмеченных выше вопросов автором диссертации были выполнены теоретические и экспериментальные исследования гидравлических характеристик потока и местных размывов в нижнем бьефе сооружений, оборудованных конусными затворами.
Цель и задачи работы. Основная цель работы заключалась в определении влияния различных типов гасителей энергии на гашение избыточной энергии потока в нижнем бьефе водопропускных сооружений, оборудованных конусными затворами и в создании на основе теоретических и экспериментальных исследований метода прогнозирования местных размывов при работе рассмотренных типов гасителей.
Для достижения этой цели необходимо было решить следующие основные задачи:
- экспериментально обосновать параметры гидравлического прыжка за конусным затвором;
- подобрать рациональные конструкции и параметры гасящих устройств нижнего бьефа, улучшающих кинематическую структуру потока на водобое и рисберме;
- изучить изменение второй сопряженной глубины в зависимости от типа и размера гасителей энергии при работе конусным затвором;
- предложить расчетные зависимости для определения коэффициента лобового сопротивления и второй сопряженной глубины для рассмотренных типов гасителей энергии;
- изучить процесс местного размыва при работе конусным затвором;
- рассмотреть влияние глубины воды в нижнем бьефе на величину и форму воронки размыва при работе трёх рассмотренных типов гасителей энергии.
Достоверность полученных результатов и основных выводов подтверждается тем, что в процессе проведённых нами исследований была применена современная методика измерений и приборы, достаточная точность которых была подтверждена в многочисленных гидравлических исследованиях проводившихся ранее. Полученные в работе результаты удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными, полученными другими авторами.
Научная новизна работы. Экспериментально определено влияние различных типов гасителей энергии на вторую сопряженную глубину и местный размыв за сооружениями, оборудованными конусными затворами. На основе исследований предложены расчётные зависимости для определения значений коэффициентов лобового сопротивления различных типов гасителей энергии, а также в работе экспериментально обоснованы параметры, влияющие на местный размыв в нижнем бьефе водопропускных сооружений, оборудованных конусными затворами. На основе обширных исследований разработаны необходимые зависимости для прогноза параметров местного размыва и рекомендованы устройства, позволяющие повысить эффективность и надёжность рассматриваемых сооружений.
Практическая ценность работы. Предлагаемые в диссертации научно обоснованные методы определения и прогнозирования местного размыва, а также зависимости для оценки влияния различных типов гасителей энергии на сопряжение бьефов и размыв позволяют запроектировать более надежные конструкции в нижнем бьефе водопропускных сооружений, оборудованных конусными затворами.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены на научно-технических конференциях в Московском государственном университете природообустройства, в том числе на международных конференциях в 2006 и 2007 годах.
По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ.
Объём и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемой литературы, насчитывающего 145 наименований. Работа изложена на 169 страницах, включая 90 рисунков и 9 таблиц.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований, изложена научная новизна и практическая значимость работы.
В первой главе диссертации рассматривается современное состояние изученности вопроса и определены задачи дальнейших исследований. Выполнен анализ работ по изучению конусных затворов, их гидравлических, гидродинамических и кавитационных характеристик, размывов за водопропускными сооружениями, а также рассмотрены различные типы гасителей энергии в качестве конструктивных мероприятий по борьбе со сбойностью, определены общие подходы к расчётному обоснованию гасящих устройств в нижнем бьефе водопропускных сооружений.
Изучением конусных затворов, конструкций для гашения энергии выходящего из них потока занимались многие авторы как в России, так и за рубежом. Особенно хочется отметить работы Т. Сайято, Ф. Кнаппа, Ю. Гизеке, Н.В. Кокая, П.И. Яньшина, С.С. Павловского, Т.П. Проворовой, Н.Н. Розанова, А.Т. Кавешникова, В.П. Куприянова, А.Н. Юрченко, И.В. Ким, Ш.К. Тази. Размывами за водопропускными сооружениями занимались: Ц.Е. Мирцхулава, М.А. Михалёв, Д.В. Штеренлихт, И.С. Румянцев, Н.Т. Кавешников, Ю.П. Правдивец, А.М. Прудовский, К.И. Россинский, Нгуен Ван До и многие другие авторы.
Конусные затворы имеют простую конструкцию, обладают сравнительно большой пропускной способностью, испытывают незначительные нагрузки и безопасны в кавитационном отношении, не требуют значительных усилий при маневрировании. Благодаря этому, они получили широкое применения на водосбросных сооружениях за рубежом.
Особое внимание уделяется современным затворам с неподвижным конусом. Этот затвор состоит из неподвижного упорного конуса с центральным углом при вершине 50…120°, обращенного против течения потока. Этот конус укреплен на четырех, иногда шести, ребрах в неподвижном патрубке. Вершина конуса часто располагается в плоскости торца неподвижного патрубка. Таким образом, между кромками неподвижного патрубка и поверхностью затвора образуется кольцевая щель, через которую поток вытекает из затвора. Регулирование потока осуществляется подвижным цилиндром, который перемещается по наружной поверхности неподвижного патрубка при помощи механического или гидравлического привода, перекрывает кольцевую щель. Количество приводных устройств обычно равно двум, и располагаются они по бокам затвора.
Угол растекания потока зависит от центрального угла конуса и от степени открытия затвора. Под степенью открытия затвора понимают отношение:
(1)
Относительная степень открытия затвора выражается отношением:
, (2)
где Si – промежуточное открытие затвора; Smax – максимальное открытие затвора; D – диаметр неподвижного патрубка (диаметр затвора).
Основной гидравлической характеристикой затвора является его пропускная способность. Её определяют по формуле:
, (3)
где Q – расход, - коэффициент расхода конусного затвора, 0 – площадь поперечного сечения потока, Н0 – полный напор перед конусным затвором. Для определения коэффициента расхода существуют различные теоретические и экспериментальные подходы. Теоретические зависимости для определения коэффициента расхода для затвора с центральным углом при вершине упорного конуса =90° предложили Ф. Кнапп, Т. Сайято, Р. Рао. Наиболее универсальное решение для коэффициента расхода и других характеристик затвора было предложено Ю. Гизеко. Однако более точное значение коэффициента расхода для разных углов при вершине упорного конуса (=180°, 150°, 120°, 90°, 60°, 45°) определено экспериментально Б.И. Яшиным. Конусные затворы чаще всего применяются с центральными углами при вершине упорного конуса =90°, поскольку при меньших углах наблюдается значительный вакуум, а большие углы приводят к резкому расширению потока, что усложняет эксплуатацию всего гидроузла. Значение коэффициента скорости для конусного затвора с =90° было определено экспериментально В.П. Куприяновым. Анализ зависимости показал, что в момент отрыва струи от регулирующего цилиндра происходит увеличение коэффициента скорости. Следует отметить, что коэффициент меняется от открытия затвора от =1,0 до =0,7 при открытиях 65-80%, а дальше он увеличивается до =0,8 при полном открытии затвора, что связано с появлением некоторого вакуума на кромке затвора. Основные схемы установки конусных затворов в зависимости от вида истечения потока можно подразделить таким образом: свободное истечение из конусного затвора в атмосферу; истечение из конусного затвора с насадками; затопленное истечение из конусного затвора; истечение из конусного затвора в камеру гашения; истечение из конусного затвора в закрытый водовод. Наиболее простой и экономичной схемой является схема истечения в атмосферу. Она находит широкое применение в районах с теплыми климатическими условиями. Одним из важных вопросов, который необходимо решить при проектировании конусных затворов, работающих при истечении в атмосферу, является вопрос определения размеров потока за затвором и глубины воронки размыва в нижнем бьефе водопропускных сооружений. Наиболее эффективными мероприятиями для предотвращения вредных последствий и возникновения явления сбойности являются конструктивные мероприятия, к которым относится применение различных типов гасителей и растекателей. Такие мероприятия необходимо разрабатывать на предварительных стадиях проектирования с возможным применением модельных исследований. В России и за рубежом накоплен значительный опыт исследований сопряжения бьефов, проектирования и конструирования водобойных устройств и крепления, а также существуют несколько методик расчета устройств для гашения энергии, однако, применение гасителей за конусными затворами по-прежнему остается слабо изучено. Изучение литературных источников показало, что существует недостаточно теоретических и экспериментальных данных по применению различных типов гасителей энергии, наиболее часто применяемых при проектировании и строительстве водопропускных гидротехнических сооружений и по местным размывам в нижнем бьефе за конусными затворами. Поэтому автор счел целесообразным посвятить свою диссертационную работу изучению вышеуказанных вопросов. Во второй главе рассмотрены вопросы методики проведения экспериментальных исследований и описание лабораторной установки. Моделирование потока осуществлялось по закону гравитационного подобия с учётом автомодельности по Рейнольдсу. Расходы воды на модели составляли 8…15 л/с, что соответствует натурным расходам 20…36 м3/с (при масштабе модели 1:22,5). Комплексное изучение влияния различных типов гасителей на гидравлические характеристики потока и размыв за конусным затвором производилось на стенде для исследования конусных затворов и нижнего бьефа кафедры гидротехнических сооружений МГУП (рис.1). Питание стенда водой осуществлялось от центральной системы водоснабжения через напорный трубопровод (2). Стенд обеспечивал подачу расхода воды до 80л/с и напора до 30м водоводам (2,3), выполненным из труб диаметром 200мм. Для сглаживания остаточных пульсаций и выравнивания эпюры скоростей концевая часть водоводов (4) была установлена с конфузорами (5) (коэффициент раструбности равен 10). За конфузорами расположен подводящий участок напорного водовода (6) длиной 10D. Регулирование расхода осуществлялось задвижкой (11), расположенной перед напорным баком. Вода, прошедшая через конусный затвор, падает в лоток (7) прямоугольного сечения шириной 80см и длиной 350см и сбрасывается в систему водопроводящих галерей (10), расположенных под полом лаборатории, где проходит через треугольный мерный водослив (8), отметка воды перед которым измерялась шпиценмасштабом (9). Модель конусного затвора изготовлена из металла в масштабе 22,5. Конусный затвор состоял из неподвижного патрубка диаметром D=98мм, к которому на четырех ребрах крепится конус с углом при вершине =900, диаметр конуса Dк=1,16D. Вершина упорного конуса располагается в плоскости торца неподвижного патрубка, образуя таким образом между кромками неподвижного патрубка и поверхностью затвора щель, через которую протекает поток, который перекрывается подвижным регулирующим цилиндром. Устройства для гашения энергии потока в нижнем бьефе представляли собой гасители 3-х типов: с наклонной передней и задней гранью, с наклонной передней гранью и с вертикальной передней гранью, угол наклона =45° (рис.2). Положение гасителя на водобое определялось расстоянием от места соударения струи, вытекающей из конусного затвора, с дном лотка до оси ряда гасителей. В опытах ряд гасителей располагался непосредственно за сжатым сечением. Высота моделей гасителей была принята 2см и 3см. Все они в продольном сечении представляют собой трапецию. Боковые их грани вертикальны. В целях подтверждения достоверности получаемых результатов была осуществлена оценка точности проводимых измерений. Установлено, что предельные относительные ошибки находятся в приемлемых диапазонах для таких гидравлических исследований. В ходе проведения серии опытов, выполненных на модели, сделано сравнение работы различных типов гасителей, различающихся между собой формой и размерами, а также изучались режимы сопряжения бьефов. Оценку эффективности исследованных гасителей производили по высоте второй сопряженной глубины и глубине воронки размыва за сооружением, оборудованным конусным затвором. Расчетные расхода q и соответствующие им размеры и типы гасителей определили собой расчетные случаи, применительно к которым выполнялось исследование. В каждом расчетном случае исследовался один вариант расположения гасителей на водобое. При проведении гидравлических исследований определялось влияние того или иного типа гасителя на вторую сопряженную глубину при работе конусным затвором. После окончательной стабилизации расхода с помощью жалюзей, расположенных в конце лотка, прыжок перемещался в сжатое сечение. Только после этого с помощью шпиценмасштаба определялась вторая сопряженная глубина. В результате исследований было проведено 30 опытов. Методика проведения исследований размывов была следующей: модель заполнялась размываемым материалом, в качестве размываемого материала использовался люберецкий песок (dср=0,26 мм, =2,66 т/м3), который уплотнялся и замачивался. Установка заполнялась водой до отметки нижнего бьефа выше расчетной при закрытых жалюзи. После этого постепенно подавался расход, и открывались жалюзи, а затем устанавливался расчетный расход при расчетном уровне воды в отводящем русле. Этот момент принимался за начало опыта. Остановка модели проводилась в обратном порядке. При этом прекращалась подача воды на модель и вместе с тем, закрывались жалюзи. Уровень воды в отводящем лотке опускался медленно. Как только начинал обнажаться рельеф воронки размыва, по шпиценмасштабу устанавливались точки рельефа, которые были тщательно измерены в местах пересечений нескольких продольных и поперечных створов. Нами были проведены специальные методические опыты по определению времени стабилизации воронки размыва, также учитывались результаты, полученные ранее другими исследователями. В наших опытах полное время стабилизации воронки размыва составило 3 часа. В результате исследований местных размывов было выполнено 75 опытов. В третьей главе анализируется влияние рассмотренных типов гасителей энергии потока на вторую сопряжённую глубину за конусным затвором, а также определяется реакция и коэффициент лобового сопротивления для трёх типов гасителей энергии. При наличии на водобое гасителей необходимая минимальная глубина нижнего бьефа определяется из уравнения количества движения, составленного для отсека жидкости единичной ширины, ограниченного сжатым сечением 1-1 и сечением в нижнем бьефе 2-2:
, (4)
где h1 и h2 – сопряженные глубины прыжка в предельном состоянии, q – удельный расход на водобое, Rx – реакция гасителя (горизонтальная составляющая).
, (5)
где Кс – коэффициент лобового сопротивления гасителя; v – скорость набегающего потока, принимаем равной скорости в сжатом сечении; - площадь миделевого сечения тела, определяется по формуле:
, (6)
где с – высота гасителя; s – ширина гасителя; s0 – расстояние между гасителями в ряду. Реакция гасителей при заданных величинах удельного расхода и сжатой глубины, зависит от следующих факторов: высоты и ширины гасителей; угла наклона их передней грани к горизонту; числа рядов гасителей и расстояния их до сжатого сечения. Построение эмпирической зависимости величины реакции хотя бы одного типа гасителей от всех определяющих её факторов представляет весьма большие трудности. Нами предлагается для некоторых типов гасителей энергии метод расчета, основанный на лабораторных исследованиях, по определения коэффициента лобового сопротивления гасителей, который в некоторой степени учитывает вышеперечисленные факторы, влияющие на реактивность гасителя. Зная значения вторых сопряженных глубин, определенных в результате модельных исследований, была определена реакция гасителя из уравнения (4), а затем определялся коэффициент лобового сопротивления из формулы (5) для трех рассматриваемых типов гасителей. Расчет проводится на один погонный метр, для плоской задачи с учетом следующих допущений: толщина струи на сходе с передней грани гасителя равна сжатой глубине; равномерное распределение скоростей в струе на сходе с передней грани гасителя; при установке в любом сечении под гидравлическим прыжком ряда гасителей скорость в данном сечении не изменяется. На основании экспериментальных исследований получены графические зависимости для определения коэффициента лобового сопротивления и второй сопряжённой глубины для рассмотренных типов гасителей энергии (рис.3 - 4). По графикам можно определить на сколько уменьшилось значение второй сопряженной глубины с учетом влияния различных типов гасителей энергии по сравнению с глубиной без гасителей. Для гасителей 1-го типа это уменьшение составляет 8-12% для с=0,45м и 13-20% для с=0,675 м. Для гасителей 2-го типа – 10-16% для с=0,45 м и 15–24% для с=0,675м. Для гасителей 3-го типа – 12–22% для с=0,45 м и 17-33% для с=0,675м. Следует отметить, что при работе гасителей высотой 0,675 м наблюдалось поднятие потока над поверхностью гасителей, а при малых открытиях затвора возможно образование второго гидравлического прыжка при степени затопления первого гидравлического прыжка 1,1. Поэтому, в дальнейшем, нами рассматривались только гасители энергии высотой 0,45м. Анализируя полученные графики можно заметить, что влияние гасителей 1-го и 2-го типа на вторую сопряженную глубину гораздо меньше и, соответственно, значение коэффициента лобового сопротивления для них меньше, чем для 3-го типа гасителей. Таким образом, показано, что гасители с вертикальной передней гранью дают значительное снижение значений второй сопряженной глубины по сравнению с гасителями с наклонной передней гранью. Четвёртая глава посвящена исследованию размывов за конусным затвором при работе трёх рассмотренных типов гасителей энергии. Основными факторами, влияющими на величину местного размыва при донном гидравлическом прыжке и несвязных однородных грунтах, обычно являются: удельный расход q, глубина воды в нижнем бьефе hнб, число Фруда в сжатом сечении Fr, длина рисбермы Lp, диаметр зерен грунта, слагающего русла d, продолжительность размыва Т. Поэтому максимальную глубину воронки размыва обычно представляют в виде следующей зависимости:
Нр=f(q; Fr; d; hнб; Lр; Т). (7)
Теоретическое решение подобных уравнений (7) весьма затруднено, поэтому в этом случае используются модельные исследования.
Прежде, чем перейти к определению параметров размыва на модели, был рассмотрен процесс размыва в нижнем бьефе во времени. Процесс размыва в нижнем бьефе за конусным затвором можно разделить на две стадии, интенсивный размыв и дальнейшее его развитие в условиях медленно изменяющегося гидравлического режима в воронке размыва. Время стабилизации воронки размыва определялось при пяти открытиях конусного затвора и составило 2,5-3 часа.
Исследования формирования воронки размыва во времени на модели нами производилось при работе конусным затвором при разных его открытиях S = 100%; 80%; 60%; 40%; 20%. Изучение влияния гидравлических характеристик потока на местный размыв в нижнем бьефе велось при длине рисбермы 6hкр для трех рассматриваемых типов гасителей. Названные параметры обосновывались теми параметрами рисбермы, которые обычно устраиваются в нижнем бьефе на нескальных основаниях. Кроме того, следует отметить, что при сравнении размывов, когда рисберма равна длинам 6hкр и 9hкр, их величины уменьшаются незначительно на 3-5%. Поэтому рекомендуется принимать длину рисбермы в пределах (6…9)hкр.
Рельеф полученных воронок размыва показан на рисунках 5-6. Оценив картину размывов, следует отметить, что при всех трех рассматриваемых типах гасителей и разных открытиях затвора наблюдалась аналогичная по характеру и плановому размещению картина формирования воронок размывов, но с другими абсолютными и относительными параметрами. При любых открытиях на модели наблюдались двухполюсные воронки размыва, при том относительно центра струи они располагались весьма симметрично, а плановый характер воронок размыва имеет весьма сложное очертание, что связано с переформированием струи потока при рассматриваемых открытиях затвора. В результате полученных материалов по изучению влияния рассмотренных типов гасителей энергии на характер и глубину размыва при разных открытиях затвора были построены графические зависимости глубины размыва и расстояния до центра воронки размыва (рис.7-8), а также предложены формулы для определения названных выше параметров воронки размыва. При всех рассматриваемых режимах глубина воронки размыва существенно уменьшалась при работе 3-го типа гасителей энергии. Так при открытии затвора S=100% глубина воронки размыва Нр при работе 1-го типа гасителей энергии уменьшилась на 8%, при работе 2-го типа гасителей на 11%, при работе 3-го типа гасителей на 18%. Такое уменьшение глубины воронки размыва обусловлено как уменьшением глубины воды в воронке размыва, так и уменьшением абсолютной величины размыва для 1, 2 и 3-го типов гасителей соответственно. Таким образом, следует отметить, что гаситель с вертикальной передней гранью работает эффективнее и показывает значительное уменьшение глубины воронки размыва по сравнению с гасителями с наклонной передней гранью. На рис.7. наглядно показано, что чем больше относительная удельная энергия потока Е0/hкр, тем больше будет воронка размыва. Это вполне логично, так как поток, имеющий большую энергию способен осуществлять больший размыв. Так при работе 3-го типа гасителей энергии и Е0/hкр =22,5; 27,32 и 33,26 соответственно воронки размывов становятся равными: Нр/h1=3,13; 5,13; 7,90. Аналогичные явления происходят и при работе других типов гасителей энергии. Например, для 1-го типа гасителей энергии и Е0/hкр =22,5; 27,32 и 33,26, значения относительных величин Нр/h1 соответственно равняются 3,51; 5,90 и 9,66, увеличение размывов обусловлено работой гасителя энергии. Влияние типа гасителя энергии сказывается на формировании воронки размыва. Следует отметить, что наименьшее расстояние до центра воронки размыва наблюдалось при открытии затвора 20% и при установке на водобое 3-го типа гасителя энергии, этот факт необходимо учитывать при проектировании устройств нижнего бьефа и назначении длины рисбермы. Вышеизложенные выводы позволяют сделать более глубокие обобщения и разработать рекомендации по расчёту местных размывов за сооружениями, оборудованными конусными затворами, при проектировании устройств нижнего бьефа и прогнозировании размывов за ними. В пятой главе приведены результаты экспериментальных данных по изучению влияния глубины воды в нижнем бьефе на местный размыв за конусным затвором. Глубины воды в нижнем бьефе приводились к натурным условиям и равнялись: 3,6 м; 4,5 м; 5,4 м и 6,3 м. Влияние глубины нижнего бьефа изучалось, как и прежде, при трех рассмотренных типах гасителей энергии потока. На основании проведённых лабораторных исследований нами предложены обобщенные графические зависимости влияния глубины воды в нижнем бьефе на расстояния до центра воронки размыва в зависимости от открытия затвора и типа установленного гасителя энергии, а также обобщенные зависимости влияния типа гасителя энергии и глубины воды в нижнем бьефе на глубину размыва в зависимость от открытия затвора (рис.9-10). Для всех этих зависимостей осуществлены аппроксимации, то есть, приведены аналитические зависимости для этих кривых, что позволяет определяемые величины снимать с графиков или находить по указанным формулам. Анализируя зависимости (рис.9.) следует отметить существенное влияние типа гасителя энергии, установленного на водобое на расстояние до центра воронки размыва, это важно при расчете концевых частей нижнего бьефа, оборудованных конусными затворами. Так, при открытиях затвора S=20% и S=40% для 3-го типа гасителя энергии по сравнению с 1 типом названное расстояние уменьшается почти в 1,5 раза в зависимости от отношения h2/hнб. При открытии затвора S=60% расстояние до центра воронки размыва уменьшается в зависимости от h2/hнб в 1,2 раза. При открытиях S = 80% и S=100%, то есть, при максимальных их значениях, расстояние до центра воронки размыва также уменьшается в зависимости от установленного типа гасителя энергии. Поэтому, при назначении глубины заложения зуба в конце рисбермы необходимо учитывать и этот фактор. Глубина воды в нижнем бьефе существенно влияет на относительную глубину размыва (рис.10.). Так, например, при открытии затвора S=20%, при h2/hнб=0,237 величина Hp/h1 равняется 19,79 (для 3-го типа гасителя энергии). А при h2/hнб=0,135 отношение Hp/h1 равняется 32,99, то есть происходит увеличение воды в воронке размыва примерно в 1,7 раза. Величины Hp/h1 также увеличиваются при других открытиях (S = 40%; 60%; 80% и 100%), то есть происходит увеличение воды в воронке размыва в 1,65; 1,63; 1,62 и 1,6 раз. При всех рассматриваемых режимах с увеличением глубины воды в нижнем бьефе абсолютная глубина воронки размыва существенно уменьшалась при работе всех рассмотренных типов гасителей энергии. Так при открытии затвора S=100% и глубине нижнего бьефа 3,6 м абсолютная глубина воронки размыва hр при работе 1-го типа гасителей энергии составила 0,54 м, для 2-го типа гасителей – 0,51 м, а для 3-го типа гасителей – 0,46 м, а при глубине нижнего бьефа 6,3 м абсолютная глубина воронки размыва hр при работе 1-го типа гасителей энергии составила 0,34 м, для 2-го типа гасителей – 0,32 м, а для 3-го типа гасителей – 0,3 м. На рис.11. представлены зависимости Hp/h1 от отношения hнб/hкр при разных открытиях конусного затвора для 3-го типа гасителей энергии. На этих графиках показано, что при всех открытиях затвора отношение Hp/h1 увеличивается в зависимости от отношения hнб/hкр, а именно, от глубины потока в нижнем бьефе. Это хорошо корреспондируется с вышеприведенными в этой главе зависимостями. Следует заметить, что кривая Hp/h1 = f(hнб/hкр) при полном открытии затвора находится в середине, то есть после S = 40%, что объясняется увеличением коэффициента скорости конусного затвора при полном открытии.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Основные выводы, полученные на основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований, могут быть сформулированы следующим образом:
- На основании обобщения литературных источников было установлено, что мало разработано надежных конструкций гасящих устройств при истечении потока в атмосферу, а также недостаточно проведено исследований местного размыва в нижнем бьефе водопропускных сооружений, оборудованных конусными затворами.
- На основании проведённых лабораторных исследований были экспериментально обоснованы параметры гидравлического прыжка за конусным затвором, а также предложены некоторые конструкции гасящих устройств нижнего бьефа, улучшающих кинематическую структуру потока на водобое и рисберме.
- Экспериментальные исследования изменения второй сопряжённой глубины потока в зависимости от типа и размера гасителей энергии при работе конусным затвором показали, что гасители с вертикальной передней гранью дают значительное снижение значений второй сопряженной глубины по сравнению с гасителями с наклонной передней гранью. По данным эксперимента получены обобщённые зависимости для рассмотренных типов гасителей энергии разной высоты.
Гасители, имеющие параметры с/(s+s0)=0,33 (рис.2.) приводят к существенному уменьшению значений второй сопряженной глубины, и значения коэффициента лобового сопротивления для этих гасителей больше, чем для гасителей энергии с параметрами с/(s+s0)=0,25. Однако следует отметить, что при работе гасителей с с/(s+s0)=0,33 возможно образование второго гидравлического прыжка при степени затопления первого гидравлического прыжка 1,1. В дальнейшем, нами рассматривались только гасители энергии с параметрами с/(s+s0)=0,25.
4. На основании экспериментальных исследований предложены зависимости для определения коэффициента лобового сопротивления и второй сопряжённой глубины для рассмотренных типов гасителей энергии. Для этих зависимостей осуществлена аппроксимация, что позволяет определяемые величины получать с графиков или находить по указанным формулам.
5. Оценив картину размывов, следует отметить, что при рассматриваемых типах гасителей и разных открытиях затвора наблюдалась аналогичная по характеру и плановому размещению картина формирования воронок размывов, но с другими абсолютными и относительными параметрами. При любых открытиях на модели наблюдались двухполюсные воронки размыва, симметрично расположенные относительно центра струи; плановый характер воронок размыва имеет весьма сложное очертание, что связано с переформированием струи потока при рассматриваемых открытиях затвора. 6. Тип исследуемого гасителя энергии оказывает существенное влияние на местный размыв. При всех рассмотренных режимах глубина воронки размыва и расстояние до центра воронки размыва существенно уменьшалось при работе 3-го типа гасителей энергии. 7. На основании экспериментальных исследований предложены зависимости глубины размыва и расстояния до центра воронки размыва, а также получены эмпирические формулы для определения названных выше параметров. 8. Экспериментальные исследования влияния глубины воды в нижнем бьефе на величину и форму воронки размыва при работе рассмотренных типов гасителей энергии потока за конусным затвором показали, что по мере увеличения глубины воды в нижнем бьефе увеличивается глубина в воронке размыва, а абсолютные глубины размыва (hp) уменьшаются. Особое влияние на этот процесс оказывает тип гасителя энергии, абсолютная глубина воронки размыва существенно уменьшалась при работе 3-го типа гасителей энергии. Таким образом, отмечено, что гаситель с вертикальной передней гранью работает эффективнее и показывает значительное уменьшение глубины воронки размыва по сравнению с гасителями с наклонной передней гранью. 9. При расчете концевых частей нижнего бьефа, оборудованных конусными затворами и назначении глубины заложения зуба в конце рисбермы необходимо учитывать влияние глубины потока в нижнем бьефе и типа гасителя энергии на расстояние до центра воронки размыва. 10. Предложены обобщенные зависимости влияния глубины воды в нижнем бьефе (затопления гидравлического прыжка) на расстояния до центра воронки размыва в зависимости от открытия затвора и типа установленного гасителя энергии, а также обобщенные зависимости влияния типа гасителя энергии и глубины воды в нижнем бьефе на глубину размыва в зависимость от открытия затвора. Для этих кривых осуществлена аппроксимация, что позволяет искомые величины получать с графиков или находить по формулам.
11. Для водопропускных сооружений, оборудованных конусными затворами, рекомендуется устанавливать гасители энергии с вертикальной передней гранью, a глубину зуба после рисбермы назначать l,5hкр. Результаты проведённых исследований размывов могут быть применены для галечникового русла. В дальнейших исследованиях нижних бьефов за водопропускными сооружениями, оборудованными конусными затворами следует разработать другие гасящие устройства и оценить их влияние на местный размыв.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
- Кавешников А.Т., Сивак М.Ю. Гашение энергии в нижнем бьефе водопропускных сооружений, оборудованных конусными затворами // Природообустройство и рациональное природопользование – необходимые условия социально-экономического развития России // Сб. научных трудов. М.:МГУП, 2005, ч.1.
- Кавешников А.Т., Сивак М.Ю. Влияние различных типов гасителей на вторую сопряжённую глубину при работе одним конусным затвором // Роль природообустройства в обеспечении устойчивости функционирования и развития экосистем // Материалы международной научно-практической конференции. М.:МГУП, 2006, ч.1.
- Кавешников А.Т., Сивак М.Ю. Гашение энергии потока в нижнем бьефе водопропускных сооружений с конусными затворами // Гидротехническое строительство // М.: Энергопромпрогресс, 2006, №9.
- Сивак М.Ю. Экологическая обстановка в нижнем бьефе за сооружениями, оборудованными конусными затворами // Глобальные экологические проблемы современности: Материалы 6-й научно-практической конференции “Духовность и экология”. М.: МГУП, 2004.
- Сивак М.Ю. Влияние различных типов гасителей энергии на экологическую обстановку за водопропускными сооружениями // Экология и экологическая культура: Материалы 7-й научно-практической конференции “Духовность и экология”. М.: МГУП, 2005.
 | Тип 1 Кс= -3,34ln(h2/hбг)-0,06 Тип 2 Кс= -3,10ln(h2/hбг)-0,12 Тип 3 Кс= -2,39ln(h2/hбг)-0,05 |
Рис.3. Графики для определения коэффициента лобового сопротивления Кс для трёх типов гасителей энергии, с/(s+s0)=0,25
 | Тип 1 Кс= -1,62ln(h2/hбг)-0,01 Тип 2 Кс= -2,02ln(h2/hбг)-0,11 Тип 3 Кс= -1,38ln(h2/hбг)+0,04 |
Рис.4. Графики для определения коэффициента лобового сопротивления Кс для трёх типов гасителей энергии, с/(s+s0)=0,33
 |
Рис.5. Рельеф воронки размыва в нижнем бьефе при работе конусным
затвором для 3-го типа гасителей энергии, S=20%
 |
Рис.6. Рельеф воронки размыва в нижнем бьефе при работе конусным
затвором для 3-го типа гасителей энергии, S=100%
 | Тип 1 Нр/h1=14,85ln(E0/hкр)-42,69 Тип 2 Нр/h1=12,40ln(E0/hкр)-35,13 Тип 3 Нр/h1=11,48ln(E0/hкр)-32,53 |
Рис.7. Влияние удельной энергии на глубину размыва для трёх типов гасителей энергии
 | Тип 1 Lцв/h2 = -20,93ln(E0/hкр)+80,18 Тип 2 Lцв/h2 = -20,92ln(E0/hкр)+79,29 Тип 3 Lцв/h2 = -22,43ln(E0/hкр)+83,76 |
Рис.8. Влияние удельной энергии на расстояние до центра воронки размыва для трёх типов гасителей энергии
 | Тип 1 h2/hнб=0,38ln(Lцв/hкр)-0,81 Тип 2 h2/hнб=0,37ln(Lцв/hкр)-0,78 Тип 3 h2/hнб=0,39ln(Lцв/hкр)-0,79 |
Рис.9. Зависимости расстояния до центра воронки размыва от глубины потока в нижнем бьефе при открытии S=100%
 | Тип 1 h2/hнб= -0,24ln(Нр/h1)+0,72 Тип 2 h2/hнб= -0,23ln(Нр/h1)+0,70 Тип 3 h2/hнб= -0,22ln(Нр/h1)+0,68 |
Рис.10. Зависимости глубины воронки размыва от глубины потока в нижнем бьефе при открытии S=100%
Рис.11. Зависимости глубины воронки размыва от глубины потока в нижнем бьефе при разных открытиях конусного затвора для 3-го типа гасителей энергии
S=20% Нр/h1= 23,52ln(hнб/hкр)-26,17
S=40% Нр/h1= 12,94ln(hнб/hкр)-11,62
S=60% Нр/h1= 8,13ln(hнб/hкр)-5,96
S=80% Нр/h1= 7,54ln(hнб/hкр)-5,23
S=100% Нр/h1= 8,02ln(hнб/hкр)-5,30
 ® | Московский государственный университет природообустройства (МГУП) Зак. № Тираж |
